多管齐下提高能量自给率 - 德国Grüneck污水厂5年案例研究

能量自给是许多污水厂管理者为之奋斗的目标，曝气升级和协同消化是提高污水处理厂能源自给率的常用策略。然而关于这方面的实践研究，并有同行评审的文献案例其实相当有限，对这些策略在实际污水厂的有效性的量化分析就更加少了。无论采用什么策略方法，决策者都应该先要了解这些方法对污水厂的潜在影响，并在产能最大化和工艺故障最小化之间找到平衡。特别是协同消化，要知道工艺的限制因素，例如新增氨氮的回流以及新增污泥的处理。德国慕尼黑工业大学、澳洲昆士兰大学和德国一家污水厂合作，对该污水厂的节能降耗策略进行为期5年的评估（2013-2017），目的是对曝气系统升级和餐厨垃圾的协同消化对的有效性以及对污水厂的影响进行量化分析。

Gruneck污水厂鸟瞰图 | 图源：abwasserzv.de
背景介绍

Grüneck 污水厂位于德国慕尼黑以北30km的Mintraching附近（48.324573°N, 11.698191°E） Grüneck 污水厂的设计规模为160000人口当量（1人口当量=60g BOD/天），但根据2013-2017的研究数据，实际运行的处理量为74000±3000PE。污水厂使用传统的活性污泥法加消毒的工艺，详细工艺流程见下图。

图1.根据2016的物料平衡和能量平衡分析制作的Gruneck污水厂工艺流程图
在这5年研究里，Grüneck 污水厂主要有三大变动：
  1. 引进餐厨垃圾协同消化
  2. 升级曝气风机

  3. 安装太阳能干燥器

首先是2014年5月开始协同消化，原料来自污水厂东部城市Oberding的一间集中式餐厨垃圾处理厂。每周进料52t（约0.24 kgVS/m3/d），每吨成本为€3，所以年成本约为€6000。

然后是2014年9月对风机系统进行升级，将原来的HT涡轮叶轮鼓风机改为Aerzen旋转叶式鼓风机。原设备建于1987年，维护费用很高。但曝气系统其它组成没有进行升级，例如他们的曝气池原来就已经采用微孔曝气器。
2015年11月，为了降低污泥运输成本，他们安装了一台太阳能的污泥干燥设备来进一步降低脱水污泥的含水率。设备由Dünser-Aigner-Kollegen设计，供应商为Thermo System。该设备的年处理能力为1887吨，将污泥含固率（TS）从23%升至50-62%。每年运行天数240天（气温低于10°C的时候就暂停运作）。
财务数据由污水厂运行人员提供，风机升级的节省成本是根据2016年的电价和曝气能耗节省量来计算的。太阳能干燥器的节省成本是基于当地运输和焚烧成本计算的。协同消化的节省成本是用节省电耗减去餐厨垃圾的运输成本计算得到（2016年）。
结果与讨论
1. 能耗概况
研究期间的结果显示，Grüneck污水厂的单位能耗为0.64±0.08kWh/m3，高于德国的平均水平（0.40–0.43kWh/m3），也高于欧洲平均水平（0.40–0.53 kWh/m3）。
下图2是该污水厂各细分单元的单位能耗情况。风机升级后的曝气单位能耗从0.20 kWh/m3降至0.17 kWh /m3（减少16%），这和供应商承诺的改善情况接近。作者认为Grüneck污水厂的高能耗来自预处理和泵，以及深度处理的沙滤和紫外消毒等工艺。

图2. 2013-2017年间Grüneck污水厂各处理单元的运行能耗

2. 能耗改善变化

总的来说，Grüneck污水厂的能源自给率从64%升至88%，增幅24%，其中风机升级贡献8%，协同消化贡献16%。下图3a是污水厂处理1吨污水的产能和能耗情况，其中彩色堆积区域是各单元耗能情况，黑色虚线是只有污泥的产能贡献，而黑色实线是加上了餐厨垃圾的产能情况。

图3a. Grüneck污水厂的耗能和产能的能量平衡分析

图3b. Grüneck污水厂能源自给解析：协同消化（深绿色区域）的贡献和曝气升级（阴影区域）的贡献对比

3. 协同消化的影响

此前污泥消化的有机负荷(OLR) 1.08kgvs/m³/d，HRT为32±5天。引入餐厨协同消化后的增量为0.24±0.06kgvs/m³/d。Grüneck污水厂采用协同消化后VS的平均去除率也从64%升至68%，这说明新增进料高度可降解，并可因此将HRT降至约27天。VFA挥发性有机酸浓度和pH变化不大，说明污水污泥的碱度有足够缓冲度。
引入餐厨垃圾帮助污水厂的甲烷产量从 1431m³/d（2013）升至 1898m³/d（2016），增幅达25%，但作者也指出几点需要注意的地方：
  1. 在规划期间要确保有足够的沼气存储空间
  2. 餐厨垃圾的成分会有季节性变化，这可能会沼气的甲烷含量的波动。
  3. 沼渣的脱水性能略有下降（从25%降至23%），这可能跟协同消化或者剩余污泥比率增加有关。
  4. 餐厨垃圾含有无机杂质。2017年，研究团队从消化罐里移除大量高纤维质固体，这不是该污水厂的常规操作，是近20年来的首次清理。根据他们的估算，污水厂每天累计的无机杂质约为50kg。

太阳能干燥设备是污水厂应对新增的污泥并减少污泥处置成本的措施。如下图所示，自2014年起，污泥处置量减幅约30%，从每年4187吨降至2946吨。

图4. Grüneck污水厂2013-2017的污泥产量和处置量

4. 运行影响

总的来说，这三大改变没有对污水厂运行造成影响，污水厂的BOD和氨氮去除率分别维持在99%和81.3%的水平，出水的氮磷浓度也满足当地标准。沼渣脱水后的浓缩液回流至主流处理线，回流氨氮负荷从原来的39吨/年升至42吨/年。但这增幅其实不显著，因此不需要新增用于反硝化的外加碳源。主要原因还是因为目前餐厨垃圾的负荷率其实不高，但如果像奥地利Strass污水厂那样，OLR的增幅超过25%的话，就需要在管理策略进行调整来应对回流氨氮。
下图5是三个升级措施的OPEX利益分析，结果显示，风机升级单位节省成本€0.80/PE/年；虽然餐厨垃圾每年运输成本€6000，但自身产电可节省成本€1.55/PE/年，因而净减量€1.47/PE/年；太阳能干燥设备节省的单位运输成本为€0.90/PE/年。这也印证了协同消化带来的好处完全可以抵消其对工艺的影响。

图5. Grüneck污水厂的协同消化、风机升级和太阳能干化的优劣分析：横坐标表示年度运营成本OPEX的单位节省量(€/PE/a)。纵坐标表示了三种策略的实际单位节能情况(kWh/PE/a)

风机升级、协同消化和太阳能干化的资本投资分别为50000、150000和2000000欧元，根据上边的OPEX分析，前两者的投资回报时间分别只需10和17个月。但是太阳能干化的投资回收期将长达30年。
最后他们将协同消化和太阳能干化的能耗作进一步延伸分析，结果如下图6所示，与直接焚烧相比，厌氧消化是能耗更高效的处理食品废物的策略。另外，太阳能干化除了节省运输成本，也节省了污泥焚烧时候浪费的热能。

图6. 在广义处理系统环境中的餐厨协同消化和太阳能干化的利弊分析

小结

这篇报告通过对一个污水厂长达5年的跟踪研究，显示了通过多管齐下的方式，污水处理厂有显著的潜力实现能源自给，自给率也由64%提高到了88%，更重要的是，它为其他污水厂的管理提供了很具体的参考信息，特别是在方法的选择组合上，管理者应当考虑与每项方法相关的能源价格、运输距离、污泥处理以及对工艺运行的影响这些因地点而异的变量因素。

图7. Gruneck污水厂能耗优化结果

参考资料

Successful strategies for increasing energy self-sufficiency at Grüneck wastewater treatment plant in Germany by food waste co-digestion and improved aeration, Applied Energy, 242 (2019) 797–808.

https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2019.03.126

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