周 政,李懷波,王 燕,2,王 碩,3,4,李 激,3,4*

低碳氮比進(jìn)水AAO污水處理廠低碳運(yùn)行

周 政1,李懷波1,王 燕1,2,王 碩1,3,4,李 激1,3,4*

(1.江南大學(xué)環(huán)境與土木工程學(xué)院,江蘇 無錫 214122；2.無錫普匯環(huán)?？萍加邢薰?江蘇 無錫 214122；3.江蘇省厭氧生物技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇 無錫 214122；4.江蘇高校水處理技術(shù)與材料協(xié)同創(chuàng)新中心,江蘇 蘇州 215009)

為探明低碳氮比進(jìn)水條件下AAO污水處理廠的碳排放特征,提出可行的低碳運(yùn)行策略,基于排放因子法對7座低碳氮比進(jìn)水AAO污水處理廠(分為AAO組和AAO-MBR組)運(yùn)行1a產(chǎn)生的碳排放進(jìn)行核算與評價(jià),對具有顯著低碳表現(xiàn)的污水處理廠開展全流程分析剖析其碳減排途徑.結(jié)果表明,電耗和N2O排放是主要碳排放來源,分別貢獻(xiàn)49.43%和25.75%的碳排放. AAO-MBR組以間接碳排放為主,電耗碳排放占至約60%,而AAO組生物作用導(dǎo)致的直接碳排放占主導(dǎo). AAO組平均噸水比碳排放顯著低于AAO-MBR組(0.47和0.79kgCO2eq/m3),更具低碳運(yùn)行潛力. 7座污水處理廠中,WWTP7各項(xiàng)比碳排放評價(jià)指標(biāo)均為最低,意味著其最具低碳運(yùn)行能力.充分利用進(jìn)水碳源,多路徑協(xié)同脫氮除磷同時(shí)精準(zhǔn)控制溶解氧濃度避免過曝氣是其大幅削減能耗和物耗,實(shí)現(xiàn)碳減排的關(guān)鍵路徑.

低碳氮比；AAO污水處理廠；碳排放特征；多途徑協(xié)同脫氮除磷；低碳運(yùn)行

污水處理廠不僅是水質(zhì)凈化的主要場所,同時(shí)也是潛在的重要碳排放源,其碳排放可分為直接碳排放和間接碳排放,其中污水處理和污泥處置過程中各類溫室氣體的排放稱為直接碳排放,以非CO2類溫室氣體排放最顯著:污水處理廠CH4排放量約占人類活動(dòng)CH4總排放量的4%, N2O排放量約占人類活動(dòng)N2O總排放量的5%[1-2];間接碳排放主要包括能耗、物耗等的碳足跡,當(dāng)前我國污水處理廠具有高能耗、物耗特征[3],一般電耗導(dǎo)致的間接碳排放可占總碳排放的50%以上[4].隨著城鎮(zhèn)化規(guī)模的擴(kuò)大,市政污水管網(wǎng)服務(wù)人口將不斷增加,污水處理總量將持續(xù)增長;同時(shí)水環(huán)境安全地位的提升[5]及污水回用需求的增加[6],將推動(dòng)污水處理標(biāo)準(zhǔn)逐步提高,意味著污水處理廠的碳排放影響將愈發(fā)顯著.

運(yùn)行階段是污水處理廠碳排放的主要來源[7],通過有效的工藝運(yùn)行調(diào)控可獲得顯著的碳減排效益.采用碳排放模型研究表明[8],改進(jìn)運(yùn)行策略可以在提升30%總氮(TN)去除率的同時(shí)降低20%的碳排放.AAO工藝是我國城鎮(zhèn)污水處理廠應(yīng)用最廣泛的工藝類型[9],但作為單污泥系統(tǒng),其存在聚磷菌(PAOs)與異養(yǎng)反硝化菌競爭碳源的固有矛盾,而我國市政污水普遍具有低碳氮比(C/N)特征[10],在日趨嚴(yán)苛的氮磷排放標(biāo)準(zhǔn)下,為達(dá)標(biāo)排放,污水處理廠通常外加大量碳源和除磷藥劑強(qiáng)化脫氮除磷.但碳源和除磷藥劑消耗本身會(huì)導(dǎo)致間接碳排放,碳源氧化產(chǎn)生CO2或進(jìn)入污泥中以CH4形式釋放又會(huì)增加直接碳排放,外加碳源在好氧池氧化還會(huì)消耗額外的溶解氧(DO),增加曝氣能耗.此外,低C/N條件下微生物的代謝活性會(huì)受到抑制,導(dǎo)致實(shí)際生物需氧量降低,出現(xiàn)過曝氣問題[11],造成高污染物去除比能耗[12]和比碳排放水平.

目前針對低C/N進(jìn)水AAO污水處理廠碳排放特征的研究較少,缺少對其低碳運(yùn)行可行性和碳減排路徑的探討.為此,本研究對7座基于AAO工藝的低C/N進(jìn)水污水處理廠進(jìn)行碳排放核算,并對具有顯著低碳運(yùn)行特征的污水處理廠開展全流程分析,剖析其碳減排路徑,旨在為低C/N進(jìn)水AAO污水處理廠的低碳優(yōu)化運(yùn)行提供參考.

1 材料與方法

1.1 污水處理廠概況

7座基于AAO工藝的污水處理廠均以生活污水為進(jìn)水,出水執(zhí)行《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》GB18918-2002一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)[13],基本信息見表1.

表1 7座城鎮(zhèn)污水處理廠基礎(chǔ)信息

1.2 碳排放核算

1.2.1 數(shù)據(jù)來源 以7座污水處理廠2020年實(shí)際運(yùn)行的數(shù)據(jù)作為碳排放核算基礎(chǔ)數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)來源于全國城鎮(zhèn)污水處理管理信息系統(tǒng),見表2.

表2 7座污水處理廠碳排放核算基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

注: ()內(nèi)數(shù)據(jù)為藥劑有效含量;-為未添加.

1.2.2 核算邊界與方法 核算污水處理與污泥處置過程產(chǎn)生的碳排放.核算基于排放因子法,參照《IPCC 2006年國家溫室氣體清單指南 2019修訂版》[14],《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物去除協(xié)同控制溫室氣體核算技術(shù)指南(試行)》[15]和《污水處理廠低碳運(yùn)行評價(jià)技術(shù)規(guī)范》[16]提供的方法和參數(shù)設(shè)置進(jìn)行,分直接排放和間接排放2部分:直接排放核算各功能單元CH4和N2O排放量及外加碳源氧化產(chǎn)生的CO2排放量(污水自身有機(jī)質(zhì)氧化產(chǎn)生的CO2被IPCC認(rèn)定為生源性排放,不納入核算范圍);間接排放核算所消耗電力和除磷藥劑生產(chǎn)過程產(chǎn)生的碳排放.計(jì)算如下:

①污泥處置產(chǎn)生的碳排放量:

式中:1為剩余污泥處置過程釋放的CH4折算為CO2當(dāng)量的年碳排放量,tCO2eq/a;s為污泥干物質(zhì)年去除量t/a;s為污泥干物質(zhì)中可降解有機(jī)碳的含量,根據(jù)郭恰等[17]對我國不同地域污水處理廠污泥泥質(zhì)的測試,取0.15tC/t; DOCf為實(shí)際分解的可降解有機(jī)碳比率,取50%; MCF為CH4排放修正因子,根據(jù)我國泥質(zhì)特征取0.92[18];為可降解有機(jī)碳中可產(chǎn)生CH4的碳的比例,取值0.5;為CH4/C分子量比值,為16/12;為CH4全球增溫潛勢,為21.

②污水處理過程中去除有機(jī)物產(chǎn)生的碳排放:

③污水處理過程中去除TN產(chǎn)生的碳排放:

④外加碳源完全氧化產(chǎn)生的碳排放:

⑤電力消耗產(chǎn)生的碳排放:

⑥除磷藥劑消耗產(chǎn)生的碳排放:

⑦碳排放總量核算:

⑧比碳排放量核算:

式中:EW,EC,EN分別為噸水比碳排放,kgCO2eq/m3;COD為有機(jī)物比碳排放,kgCO2eq/kgCOD;TN總氮比碳排放, kgCO2eq/kgTN.

1.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

以7座污水處理廠進(jìn)水水質(zhì)特征參數(shù)(進(jìn)水BOD、進(jìn)水TN和進(jìn)水C/N)為解釋變量,污水處理廠運(yùn)行性能評價(jià)參數(shù)(噸水COD去除量、噸水TN去除量、噸水比電耗、單位電耗COD去除量、單位電耗TN去除量和電耗碳排放比重)為響應(yīng)變量進(jìn)行冗余分析(RDA),使用Canoco 5.0軟件完成.通過Pearson檢驗(yàn)分析參數(shù)間的相關(guān)性顯著水平;通過雙尾T檢驗(yàn)分析AAO組和AAO-MBR組之間比碳排放和運(yùn)行性能評價(jià)參數(shù)的差異性,*代表<0.05, **代表<0.01.使用Excel軟件分析.

1.4 全流程測試

1.4.1 取樣點(diǎn)設(shè)置及功能區(qū)水質(zhì)分析 在污水處理廠運(yùn)行過程中,二級(jí)生物處理單元最耗能[24],同時(shí)也是溫室氣體產(chǎn)生和排放的主要場所,是影響污水處理廠整體碳排放水平的關(guān)鍵運(yùn)行控制單元,故本研究對二級(jí)生物處理單元沿程布點(diǎn)并分析污染物指標(biāo)的沿程變化特征.WWTP7生化段工藝流程如圖1所示.水樣常規(guī)水質(zhì)指標(biāo)TN, TP, PO43--P, NH4+-N, NO2--N, NO3--N以及污泥參數(shù)混合液揮發(fā)性懸浮固體濃度(MLVSS)按照標(biāo)準(zhǔn)方法測定[25]; DO, pH值和氧化還原電位(ORP)采用便攜式測量儀(WTW Multi 3630IDS SET G,德國)測定.各項(xiàng)指標(biāo)重復(fù)測量三次取平均值.

圖1 WWTP7生化段工藝流程

1.4.2 功能區(qū)污泥性能測試 1)硝化速率n:取一定量好氧池活性污泥,水洗后取8L泥水并投加1.2g氯化銨和1.0g碳酸氫鈉,以實(shí)際運(yùn)行DO濃度測定攪拌條件下1h內(nèi)混合液中NO3--N的濃度變化;2)反硝化速率d:取4L活性污泥加入4L原水并投加1.2g硝酸鉀,在攪拌條件下連續(xù)2h測定NO3--N的濃度變化并計(jì)算污泥反硝化速率;3)反硝化潛力p:取8L活性污泥,投加1.2g硝酸鉀并另投加1.2g乙酸鈉作為碳源,在攪拌條件下測定2h內(nèi)NO3--N的濃度變化,計(jì)算反硝化潛力;4)反硝化除磷:取4L厭氧池濃縮污泥并注入4L純水,連續(xù)攪拌至混合液DO濃度降至0mg/L,然后投加0.58g硝酸鉀和0.44g磷酸二氫鉀,測定3h內(nèi)混合液NO3--N和 PO43--P濃度變化.

2 結(jié)果與討論

2.1 低碳運(yùn)行污水處理廠識(shí)別

2.1.1 總體碳排放特征分析 如圖2所示,電耗導(dǎo)致的間接碳排放(5)是最大碳排放源,平均占比達(dá)49.43%.在AAO-MBR組中(WWTP1,WWTP3, WWTP6),間接碳排放占主導(dǎo),電耗碳排放約占60%,與呼永鋒等[26]的研究結(jié)果一致;相比之下,AAO組(WWTP2,WWTP4,WWTP5,WWTP7)除WWTP4均以直接碳排放為主,即生物作用產(chǎn)生的碳排放占主要地位,電耗碳排放占比僅在40%左右.WWTP4表現(xiàn)出了異常高的電耗碳排放占比(61.38%).N2O排放(3)是主要直接碳排放源,對總碳排放貢獻(xiàn)達(dá)25.75%,Bao等[27]對北京市某AO工藝污水處理廠連續(xù)1a的實(shí)測研究同樣發(fā)現(xiàn)N2O排放是主要碳排放源,可占總碳排放的43.5%.污泥處置過程產(chǎn)生的CH4碳排放量(1)同樣可觀,占比達(dá)20.22%,可見開發(fā)并應(yīng)用污泥資源化、能源化技術(shù)可成為污水處理廠碳減排的有力措施.污水處理過程產(chǎn)生的CH4排放(2)占比僅為0.42%,并不顯著,碳源(4)和除磷藥劑(6)消耗對總體碳排放貢獻(xiàn)同樣較小,僅為1.33%和2.85%,與Huang等[28]模型模擬所得結(jié)果一致.

圖2 AAO污水處理廠碳排放特征分析

圖(b)中只標(biāo)注占比>10%的碳排放源

2.1.2 電耗碳排放分析 電耗碳排放在7座污水處理廠總碳排放中比重均最高,決定了污水處理廠的總體碳排放水平.其核算基于污水處理廠的電耗水平,與具體工藝類型、運(yùn)行管理水平均有關(guān)聯(lián).由表3、圖3可知,所選進(jìn)水水質(zhì)參數(shù)共同解釋了63.92%的污水處理廠運(yùn)行性能差異.電耗碳排放比重與噸水比電耗顯著正相關(guān)(相關(guān)系數(shù)=0.87,<0.01),與單位電耗COD去除量(=-0.93,<0.01)和單位電耗TN去除量顯著負(fù)相關(guān)(=-0.98,< 0.001),意味著具有高電耗碳排放比重的污水處理廠同時(shí)伴隨有較高噸水比電耗和較低單位電耗COD和TN去除量.此外,電耗碳排放占比獨(dú)立于噸水TN去除量和噸水COD去除量,與進(jìn)水BOD濃度和進(jìn)水TN濃度相關(guān)性不強(qiáng),但與進(jìn)水C/N有一定負(fù)相關(guān)性(=-0.59),同時(shí)進(jìn)水C/N與單位電耗TN去除量正相關(guān)(=0.63),與單位電耗COD去除量顯著正相關(guān)(=0.79,<0.05),表明更低的進(jìn)水C/N可能導(dǎo)致污水處理廠單位電耗COD和TN去除量更低,導(dǎo)致更高的電耗碳排放比重.WWTP4相比AAO組其他污水處理廠表現(xiàn)出異常高的電耗碳排放比重.由表3可知,該廠進(jìn)水C/N和噸水COD去除量均最低,這在碳排放核算中會(huì)降低污染物去除所產(chǎn)生直接碳排放的比重.同時(shí)該廠噸水比電耗明顯高于AAO組其他污水處理廠,單位電耗COD和TN去除量僅為WWTP2,WWTP5,WWTP7的50%左右,這是其異常高電耗碳排放比重的直接原因.其較低的單位電耗COD和TN去除量主要由兩方面原因造成:①由于曝氣設(shè)備選型不合理及運(yùn)行管理水平不足出現(xiàn)過曝氣問題,導(dǎo)致能耗浪費(fèi);②該廠位于江邊,汛期難以自排,需依靠排水泵強(qiáng)排污水,增加了額外運(yùn)行的電耗.AAO-MBR組噸水比電耗顯著高于AAO組(=0.002<0.01),相應(yīng)的電耗碳排放占比也明顯高于AAO組(=0.069),但兩組間噸水污染物去除量并無顯著性差異,因此增加MBR后,相比污染物的強(qiáng)化去除,電耗增加更突出,進(jìn)而導(dǎo)致更高的電耗碳排放水平.

表3 7座污水處理廠運(yùn)行性能評價(jià)參數(shù)比較

圖3 進(jìn)水水質(zhì)特征參數(shù)與運(yùn)行性能評價(jià)參數(shù)間的冗余分析

2.1.2 比碳排放量比較 通過EW,EC和EN對7座污水處理廠的碳排放水平進(jìn)行比較和評價(jià),其中EW可用于評價(jià)處理達(dá)標(biāo)前提下污水處理廠的表觀碳排放水平,是污水處理廠碳排放評價(jià)最常用的指標(biāo)[29];EC和EN可指示污水處理廠的低碳處理效能.如圖4(a)所示,AAO組EW,EC,EN平均值均低于AAO-MBR組,分別為其58.9%、78.8%和77.0%,兩組間EW存在顯著性差異(SEW=0.002),表明AAO組更具低碳運(yùn)行潛力.兩組間EC和EN差異性不顯著(SEC=0.286,SEN=0.100)而同組內(nèi)又表現(xiàn)出較大波動(dòng)性,說明相比工藝類型,運(yùn)行管理水平對低碳處理效能的影響更顯著.如圖4(c),WWTP6的EC顯著低于WWTP1和WWTP3,同時(shí)也低于AAO組部分污水處理廠,表明該廠MBR運(yùn)行管理較好,在強(qiáng)化污染物去除的同時(shí),運(yùn)行電耗、物耗也得已有效控制.相比之下, WWTP4的EW較低,但其EN明顯高于其他廠,具有“表觀低碳,隱含高碳”的特征.綜合來看污水處理廠運(yùn)行管理方面仍有較大碳減排空間,運(yùn)行優(yōu)化有助于實(shí)現(xiàn)低碳運(yùn)行.

本研究7座污水處理廠中,WWTP7各項(xiàng)比碳排放指標(biāo)均為最低,低碳運(yùn)行能力顯著,故結(jié)合全流程分析方法對其低碳運(yùn)行模式進(jìn)行探討.

2.2 WWTP7低碳運(yùn)行分析

2.2.1 運(yùn)行條件分析 DO濃度的控制對污染物去除起決定性作用,一般AAO工藝要求缺氧段和厭氧段DO濃度分別控制在0.5和0.2mg/L以下,好氧池DO濃度控制在2mg/L以上.如圖5所示,WWTP7生物選擇區(qū)、厭氧池及缺氧池DO濃度均控制在0.2mg/L以下,好氧池約2.1mg/L,各工藝段DO控制良好,均滿足處理要求且控制在較低水平.這不僅有利于污染物去除,對控制污水處理廠碳排放也至關(guān)重要.具體來說,DO控制不僅決定了總體運(yùn)行電耗水平[28],也是影響N2O產(chǎn)生和排放的關(guān)鍵因素.維持較高DO濃度所需的高曝氣速率會(huì)帶來高額電耗,同時(shí)將液相中溶解的大量N2O和CH4吹脫至氣相中,此外,較高水平DO濃度還會(huì)促進(jìn)NH2OH不充分氧化產(chǎn)生N2O;而低DO水平(<1.5mg/L)盡管可以大幅削減電耗碳排放,但需犧牲污染物去除率,同時(shí)還將推動(dòng)硝化細(xì)菌反硝化產(chǎn)N2O路徑[30].因此WWTP7對DO濃度的精準(zhǔn)控制是其實(shí)現(xiàn)低碳運(yùn)行的基礎(chǔ).ORP和pH值可反映工藝運(yùn)行狀態(tài),該廠進(jìn)水pH值在7.5左右,在缺氧池發(fā)生反硝化pH值上升,好氧池內(nèi)由于硝化反應(yīng)pH值呈下降趨勢,出水pH值約7.3,總體滿足生物脫氮需求.此外,pH值<7時(shí)會(huì)顯著降低N2O還原酶活性,導(dǎo)致N2O積累,因此對pH值的良好控制也可減少N2O的直接排放.從ORP來看,厭氧池為-50mV左右,可提供良好的厭氧釋磷環(huán)境.進(jìn)入缺氧池ORP快速升高變?yōu)檎?這一方面與進(jìn)水低C/N有關(guān)[31],厭氧釋磷和異養(yǎng)反硝化對碳源的競爭使有限的碳源及其他還原性物質(zhì)在生物選擇池、厭氧池和缺氧池消耗殆盡;另一方面高內(nèi)回流比下大量硝酸鹽和部分DO進(jìn)入缺氧池致使ORP升高.缺氧池ORP升高可能對異養(yǎng)反硝化造成不利影響[32],降低脫氮效果.

2.2.2 脫氮分析 如圖6所示,進(jìn)水TN主要以NH4+-N形式存在,僅有少量NO3--N.進(jìn)入生化段后,10%的原水進(jìn)入生物選擇池,在回流污泥稀釋下,TN和NH4+-N濃度均明顯降低,同時(shí)在生物選擇池內(nèi)部NH4+-N濃度有所下降,可能是由生物吸附去除.外回流液中有較高濃度的NO3--N,而在污泥回流后生物選擇池未出現(xiàn)NO3--N累積,表明在生物選擇池中存在反硝化反應(yīng),避免了NO3--N進(jìn)入?yún)捬醭仄茐膮捬踽屃篆h(huán)境.一般來說,缺氧池是異養(yǎng)反硝化的主要場所,但該廠缺氧池中NO3--N濃度無明顯變化,這可能是由于缺氧池中碳源等還原性物質(zhì)已被消耗殆盡,限制了反硝化進(jìn)行.但結(jié)合內(nèi)回流核算來看,缺氧池前段實(shí)際NO3--N濃度相比核算濃度有明顯降低,說明缺氧池前段可能存在快速反硝化過程.硝化反應(yīng)主要在好氧池進(jìn)行,好氧池出水NH4+-N濃度降至1mg/L左右,而NO3--N濃度升至10mg/L,表明好氧池DO濃度維持在2mg/L可確保硝化反應(yīng)充分進(jìn)行.NO2--N積累被認(rèn)為是影響N2O產(chǎn)生的關(guān)鍵因素[33],在該廠運(yùn)行過程中,僅在好氧池后段出現(xiàn)了輕微的NO2--N積累(約0.2mg/L),隨即在后置缺氧池中經(jīng)反硝化去除.理論上,DO濃度為2mg/L條件下亞硝酸鹽氧化菌(NOB)的代謝活性高于氨氧化菌(AOB)的活性,不會(huì)造成NO2--N積累.但在缺氧/好氧交替條件下NOB活性會(huì)受到短暫的抑制,抑制程度與其處于缺氧環(huán)境的持續(xù)時(shí)間正相關(guān),而AOB的活性不受影響[34-35],因此較長的缺氧段停留時(shí)間和頻繁的缺氧/好氧環(huán)境交替會(huì)導(dǎo)致NO2--N的積累.WWTP7具有較高的硝化液回流比(500%),會(huì)加速缺氧/好氧環(huán)境的交替[36];同時(shí)其缺氧池和好氧池停留時(shí)間之比約為2.11:1,提供了相對較長的缺氧環(huán)境持續(xù)時(shí)間.以上兩點(diǎn)可能最終促成了好氧池后段NO2--N的輕微積累.在二沉池和外回流液中, NO3--N濃度均有明顯降低,說明其中可能存在內(nèi)源反硝化反應(yīng).內(nèi)源反硝化主要利用聚糖菌(GAOs)在厭氧環(huán)境下富集的碳源脫氮,一定程度可避免有限的碳源在好氧條件下被生物氧化去除,從而提高碳源利用率,同時(shí)降低好氧池需氧量[37].

結(jié)合污泥硝化和反硝化性能測試來看,如圖7(a),好氧池活性污泥硝化速率為6.12mg/(gVSS·h),高于一般污水處理廠硝化速率[38],意味著在DO濃度為2mg/L和相應(yīng)溫度條件下,好氧池僅需2h即可完成原水NH4+-N的硝化反應(yīng).反硝化速率測試結(jié)果如圖7(b)所示,反硝化過程可分為兩段,第一段具有較高反硝化速率,為4.73mg/(gVSS·h),隨后第二段降至僅1.24mg/(gVSS·h).這與李懷波等[39]對低C/N污水處理廠缺氧池污泥反硝化速率的測試結(jié)果類似,其認(rèn)為在第一段反硝化過程中易降解碳源被快速消耗,第二段反硝化碳源不足,僅能利用慢速碳源,導(dǎo)致反硝化速率顯著降低.反硝化潛力測試結(jié)果印證了這一點(diǎn)(圖7(c)),在碳源充足的條件下,缺氧池活性污泥反硝化潛力約為5.01mg/(gVSS·h),略高于第一段反硝化速率.反硝化過程分段進(jìn)行的結(jié)果與實(shí)際運(yùn)行中缺氧池NO3--N的沿程變化趨勢一致,證明內(nèi)回流后缺氧池中存在短暫的快速反硝化過程,隨后受碳源制約缺氧池NO3--N無明顯變化.

2.2.3 除磷分析 如圖8(a)所示,進(jìn)水TP和PO43-- P濃度約為1.77, 0.9mg/L,經(jīng)生物選擇池和厭氧池后分別升高至約6.47和6.1mg/L,有明顯的厭氧釋磷現(xiàn)象,且此時(shí)TP主要以PO43--P形式存在,占比在90%以上.在缺氧池中經(jīng)內(nèi)回流液稀釋PO43--P濃度大幅降低,且略低于核算濃度.考慮到缺氧池中DO濃度較好地控制在0.2mg/L以下,推測可能存在反硝化除磷反應(yīng):反硝化聚磷菌(DNPAOs)利用NO3--N作為電子受體完成攝磷.取缺氧池活性污泥進(jìn)行反硝化除磷測試,結(jié)果如圖8(b).在厭氧且零碳源條件下,NO3--N和PO43--P濃度同步線性減少,表明有反硝化除磷反應(yīng)發(fā)生,污泥中富集有DNPAOs.保證缺氧池具有較高的NO3--N負(fù)荷是DNPAOs富集的關(guān)鍵[40],該廠較高的內(nèi)回流比為缺氧池提供了大量NO3--N,為反硝化除磷反應(yīng)發(fā)生創(chuàng)造了有利條件[41-42].此外,充足的缺氧段停留時(shí)間也是富集DNPAOs的重要條件,因?yàn)楫?dāng)缺氧反應(yīng)時(shí)間不足,缺氧攝磷反應(yīng)進(jìn)行不完全時(shí), PAOs將比DNPAOs更具競爭優(yōu)勢.Zhang等[43]的研究表明在AAO工藝中缺氧段和好氧段的體積比(ano/aer)在2.5:1和6:1之間時(shí)DNPAOs活性最高.在本研究中WWTP7的ano/aer約為2.11:1,因此有利于DNPAOs的富集.

圖6 WWTP7生化段沿程氮元素分布

圖7 WWTP7活性污泥硝化及反硝化性能分析

在傳統(tǒng)AAO工藝中,脫氮除磷是相互獨(dú)立的過程,發(fā)生于不同的場所并依賴于不同的功能微生物.其中反硝化菌和PAOs均為異養(yǎng)微生物,分別需要碳源維持細(xì)胞的生長繁殖并完成脫氮和除磷反應(yīng),因此AAO工藝運(yùn)行往往面臨著反硝化菌和PAOs爭奪碳源的問題.在污水低C/N條件下,這一問題更加突出.相比PAOs, DNPAOs可在缺氧環(huán)境下以NO3--N和NO2--N為電子受體,將其在厭氧條件下儲(chǔ)存的碳源分解,并將產(chǎn)生的部分能量用于超量攝磷反應(yīng).因此DNPAOs可在缺氧池內(nèi)以同一份碳源同時(shí)完成脫氮和除磷過程,實(shí)現(xiàn)”一碳兩用”[44].反硝化除磷不僅能節(jié)省碳源強(qiáng)化脫氮,還可以降低除磷所需曝氣量,削減電耗,此外,還有助于污泥減量,因此對低C/N進(jìn)水污水處理廠的減污降碳有重要作用.經(jīng)反硝化除磷,出水TP濃度進(jìn)一步降至0.1mg/L以下,穩(wěn)定達(dá)標(biāo).

圖8 WWTP7除磷分析

2.2.4 碳減排路徑分析 低C/N污水為污水處理廠脫氮除磷帶來困難,易導(dǎo)致高比碳排放.本研究中WWTP7具有顯著的低碳運(yùn)行特征,對其工藝全流程分析發(fā)現(xiàn),該廠通過工藝調(diào)控充分挖掘生物處理潛力,協(xié)同傳統(tǒng)脫氮除磷途徑與反硝化除磷、內(nèi)源反硝化途徑強(qiáng)化脫氮除磷,實(shí)現(xiàn)了出水穩(wěn)定達(dá)標(biāo).該廠的碳減排主要表現(xiàn)在對間接碳排放的有效控制,包含減少物耗和能耗兩個(gè)方面.在物耗方面,多路徑協(xié)同脫氮除磷模式可充分利用原水碳源,避免外加碳源和除磷藥耗導(dǎo)致的間接碳排放.能耗方面,好氧池曝氣能耗一般可占污水處理總能耗的50%以上[45-46],而好氧池DO主要消耗于硝化反應(yīng)、有機(jī)物氧化和好氧吸磷3個(gè)過程.低C/N污水有機(jī)物氧化所需DO相對較低,在WWTP7的運(yùn)行過程中,厭氧池GAOs和PAOs對碳源的儲(chǔ)存,生物選擇池和缺氧池中異養(yǎng)反硝化對碳源的消耗又進(jìn)一步降低了好氧池有機(jī)物負(fù)荷,最終僅有少量難降解有機(jī)物進(jìn)入好氧池消耗DO.同樣,缺氧池反硝化除磷降低了好氧池除磷負(fù)荷,減少了好氧吸磷過程所需DO.因此實(shí)際上該廠好氧池DO主要用于硝化反應(yīng).精準(zhǔn)控制DO濃度維持在2mg/L,既可滿足硝化反應(yīng)充分進(jìn)行,又有效節(jié)省了曝氣量,削減了曝氣能耗導(dǎo)致的間接碳排放.因此綜合來看,充分利用進(jìn)水碳源,多途徑協(xié)同脫氮除磷結(jié)合精準(zhǔn)控制DO濃度的運(yùn)行模式有助于實(shí)現(xiàn)低C/N進(jìn)水AAO污水處理廠的低碳運(yùn)行.

與WWTP7的低碳運(yùn)行模式類似,Zhen等[47]在AAO模式運(yùn)行的小試實(shí)驗(yàn)中成功耦合了短程硝化除磷反硝化與同步硝化內(nèi)源反硝化,質(zhì)量平衡分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)在厭氧階段91.9%的COD被儲(chǔ)存在胞內(nèi)用于后續(xù)的脫氮除磷,有效節(jié)省了碳源和曝氣能耗.宋新新等[48]強(qiáng)調(diào)了基于碳轉(zhuǎn)向概念的強(qiáng)化分離技術(shù)在構(gòu)建面向未來的污水處理廠中的關(guān)鍵作用,而WWTP7多途徑協(xié)同強(qiáng)化脫氮除磷的低碳運(yùn)行模式本質(zhì)上體現(xiàn)了另一種碳轉(zhuǎn)向方式,即通過厭氧段微生物胞內(nèi)儲(chǔ)存的方式避免有機(jī)物好氧氧化并將其用于后續(xù)的脫氮除磷.另一方面,王洪臣[49]認(rèn)為選擇新型節(jié)碳工藝降低能耗、避免外加碳源是減少生物處理過程碳排放的關(guān)鍵,但其將這一碳減排路徑歸于碳減排最大可得潛力,即通過可預(yù)見的技術(shù)經(jīng)濟(jì)進(jìn)步未來可挖掘的碳減排潛力,本研究WWTP7的低碳運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明,多途徑協(xié)同強(qiáng)化脫氮除磷結(jié)合精準(zhǔn)曝氣的節(jié)碳運(yùn)行模式同樣可作為碳減排現(xiàn)實(shí)可得潛力的一部分,適用于當(dāng)下低C/N進(jìn)水污水處理廠的減污降碳.

3 結(jié)論

3.1 低C/N進(jìn)水AAO污水處理廠中,電耗和N2O排放是主要碳排放源,分別貢獻(xiàn)49.43%和25.75%的碳排放;污泥處置過程中的CH4排放在總碳排放中的占比達(dá)20.22%,因此開發(fā)和應(yīng)用污泥資源、能源化技術(shù)具有顯著的碳減排效益;污水處理過程中的CH4排放,外加碳源氧化產(chǎn)生的CO2排放以及除磷藥耗間接碳排放對總碳排放影響較小,依次占比0.42%,1.33%和2.85%.

3.2 AAO-MBR污水處理廠以間接碳排放為主,電耗碳排放約占60%;AAO污水處理廠中,生物作用產(chǎn)生的直接碳排放占主要地位,電耗碳排放占比在40%左右.電耗碳排放占比與噸水比電耗顯著正相關(guān),與單位電耗COD和TN去除量顯著負(fù)相關(guān),與進(jìn)水C/N具有一定負(fù)相關(guān)性.

3.3 AAO污水處理廠EW,EC,EN平均水平分別為AAO-MBR污水處理廠的58.9%,78.8%和77.0%,其中EW顯著低于AAO-MBR污水處理廠,更具低碳運(yùn)行優(yōu)勢;相比工藝類型,運(yùn)行調(diào)控對低碳運(yùn)行效能影響更顯著,污水處理廠運(yùn)行方面仍有較大碳減排空間,運(yùn)行調(diào)控優(yōu)化有助于實(shí)現(xiàn)低碳運(yùn)行.

3.4 WWTP7各項(xiàng)比碳排放指標(biāo)均為最低,具有顯著的低碳運(yùn)行特征.充分利用進(jìn)水碳源,多途徑協(xié)同脫氮除磷,同時(shí)精準(zhǔn)控制DO濃度避免過曝氣可以大幅削減能耗和物耗,是其碳減排的主要途徑.

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Research on low-carbon operation mode in AAO-based wastewater treatment plants with low C/N influent.

ZHOU Zheng1, LI Huai-bo1, WANG Yan1,2, WANG Shuo1,3,4, LI Ji1,3,4*

(1.School of Environment and Civil Engineering, Jiangnan University, Wuxi 214122, China；2.Wuxi Puhui Environmental Protection Technology Co., Ltd, Wuxi 214028, China；3.Jiangsu Key Laboratory of Anaerobic Biotechnology, Wuxi 214122, China；4.Jiangsu Collaborative Innovation Center of Water Treatment Technology and Materials, Suzhou 215009, China)., 2022,42(11)：5088～5099

In order to clarify the carbon emission characteristics of wastewater treatment plants (WWTPs) with low C/N influent and to propose feasible low-carbon operation strategies, seven AAO-based WWTPs (divided into AAO-based WWTPs and AAO-MBR-based WWTPs) were operated for one year, and the carbon emissions based on the emission factor method were calculated and evaluated. In addition, according to the whole process analysis method, the carbon emission reduction pathways of WWTPs with significant low-carbon operation characteristics were subsequently analyzed. The results show that electricity consumption and nitrous oxide emissions are the main sources of carbon emissions, contributing 49.43% and 25.75% of carbon emissions on average, respectively. AAO-MBR-based WWTP is dominated by indirect carbon emissions, and electricity consumption accounts for about 60% of carbon emissions, while the direct carbon emissions caused by the microbial activity in AAO-based WWTP dominate. The average specific carbon emission of AAO-based WWTP was significantly lower than that of the AAO-MBR-based WWTP group (0.47 and 0.79kgCO2eq/m3), which presents remarkable low-carbon operation potential. Among the seven WWTPs, all the specific carbon emission evaluation indicators of WWTP7are the lowest, indicating that WWTP7has the highest potential for low-carbon operation. Furthermore, the study found that making full use of the influent carbon source, multi-path synergistic nitrogen and phosphorus removal, and precise control of dissolved oxygen to avoid over-aeration are the key points to greatly reduce energy consumption and achieve carbon emission reduction.

low-carbon-to-nitrogen ratio；AAO-based wastewater treatment plant；carbon emission characteristics；multi-path synergistic nitrogen and phosphorus removal；low-carbon operation

X703

A

1000-6923(2022)11-5088-12

周 政(1995-),男,山東青島人,江南大學(xué)博士研究生,主要從事污水資源化與碳減排研究.發(fā)表論文5篇.

2022-04-14

無錫市城鎮(zhèn)污水處理廠提標(biāo)改造深度處理技術(shù)研究和科技示范(N20191003);江蘇省政策引導(dǎo)類計(jì)劃(國際科技合作/港澳臺(tái)科技合作)專項(xiàng)資金資助項(xiàng)目(BZ2021030);江蘇水處理技術(shù)與材料協(xié)同創(chuàng)新中心預(yù)研課題(XTCXSZ2020-2);無錫市科技創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)資金資助項(xiàng)目(M20211003)

* 責(zé)任作者, 教授, liji@jiangnan.edu.cn