【摘要】：過(guò)去一百年來(lái),為了應(yīng)對(duì)城市污水所帶來(lái)的環(huán)境與衛(wèi)生健康等問(wèn)題,污水處理廠在城市得到快速發(fā)展,而傳統(tǒng)的污水處理過(guò)程需要消耗大量的能源、藥品,并產(chǎn)生包括甲烷(CH4)、氧化亞氮(N2O)和二氧化碳(CO2)在內(nèi)的溫室氣體排放。據(jù)統(tǒng)計(jì),發(fā)達(dá)國(guó)家污水處理行業(yè)的能源消耗量已占到全社會(huì)能耗總量的3%,而溫室氣體排放占排放總量的1-2%,屬于主要的溫室氣體排放源。在全球應(yīng)對(duì)氣候變化的背景下,由于污水處理行業(yè)減排成本低、減排效益明顯,一些發(fā)達(dá)國(guó)家已將其納入到減排重點(diǎn)行業(yè)中。同時(shí),在全球范圍內(nèi),污水能源資源回收利用正成為污水處理轉(zhuǎn)型發(fā)展的驅(qū)動(dòng)力之一,如荷蘭的NEWs、新加坡的NEWater水廠,以及中國(guó)剛剛起步的新概念污水處理廠。隨著我國(guó)新型城鎮(zhèn)化建設(shè)的深入,污水處理的能源消耗、溫室氣體排放將成為重要的增長(zhǎng)來(lái)源。隨著污水處理逐漸邁向可持續(xù)發(fā)展,有必要系統(tǒng)化考慮污水處理全過(guò)程的溫室氣體排放,生命周期評(píng)價(jià)為污水處理廠的節(jié)能減排提供了系統(tǒng)化思維的研究框架。本研究通過(guò)構(gòu)建以生命周期評(píng)價(jià)為核心的溫室氣體核算方法,以污水作為研究對(duì)象,系統(tǒng)邊界從污水進(jìn)入污水處理廠為起點(diǎn),以污水排入受納水體和污泥進(jìn)行最終處置為終點(diǎn)。同時(shí),為了分析不同處理工藝的排放特征并研究其減排潛力,研究還設(shè)定了傳統(tǒng)污水處理情景、污水能源回收、污水再生回用和污水磷回收四種研究情景進(jìn)行分析。同時(shí),通過(guò)利用遙感熱紅外圖像對(duì)污水處理廠的熱島效應(yīng)進(jìn)行研究,通過(guò)熱島效應(yīng)強(qiáng)度的時(shí)空變化規(guī)律探討污水處理廠在建設(shè)施工、處理運(yùn)行等過(guò)程對(duì)周邊環(huán)境熱效應(yīng)的影響。在傳統(tǒng)污水處理情景中,本研究對(duì)五種傳統(tǒng)污水處理工藝(AAO、AO、氧化溝、SBR和CASS)在五種處理規(guī)模(1萬(wàn)噸/天,2萬(wàn)噸/天,5萬(wàn)噸/天,10萬(wàn)噸/天,20萬(wàn)噸/天)、三種排放標(biāo)準(zhǔn)(一級(jí)B,一級(jí)A,類(lèi)地表水四類(lèi)標(biāo)準(zhǔn))和兩種污泥處置路線(xiàn)(填埋,堆肥)的150種工藝流程方案的溫室氣體排放進(jìn)行了核算。結(jié)果表明,不同處理工藝的排放占比不同,因此各自的溫室氣體減排控制側(cè)重點(diǎn)也各有不同。其中,以電力消耗為主的間接排放占比較高的主要是AAO工藝(41%)和AO工藝(42%)。而以CO2和N2O為主的直接排放占比較高的則是氧化溝(57%)、SBR(54%)和CASS工藝(54%)。而污泥處置產(chǎn)生的溫室氣體排放占比相對(duì)較低。出水排放標(biāo)準(zhǔn)越嚴(yán)格,溫室氣體排放量越高。如果滿(mǎn)足最嚴(yán)格A級(jí)排放標(biāo)準(zhǔn),SBR工藝最具低碳優(yōu)勢(shì),尤其是在中等處理規(guī)模(5萬(wàn)噸/天)條件下其排放最低。AAO和AO工藝則在較大污水處理規(guī)模(20萬(wàn)噸/天)時(shí)具有低碳優(yōu)勢(shì),氧化溝和CASS工藝在中等處理規(guī)模(5萬(wàn)噸/天)具有低碳優(yōu)勢(shì)。在直接溫室氣體排放中,N_2O的排放占比最高,其中SBR和CASS工藝的N2O排放占比較高,在50%左右,這是由其間歇式的工藝特點(diǎn)所決定的。同時(shí)SBR工藝的水流狀態(tài)、污泥齡等工況條件和運(yùn)行參數(shù)也與氧化溝工藝相差較大,因此SBR工藝的N2O排放很不穩(wěn)定,且排放因子較大。而內(nèi)源呼吸產(chǎn)生的CO2排放占比在氧化溝工藝較高,占直接排放的32%。由于延時(shí)曝氣的特點(diǎn),氧化溝工藝的污泥齡通常較長(zhǎng),有助于減少剩余污泥,但是,另一方面延時(shí)曝氣使微生物處于內(nèi)源呼吸期,產(chǎn)生一定的CO2排放。污水處理間接溫室氣體排放中99%以上來(lái)自于電耗,氧化溝、SBR和CASS工藝的噸水電耗整體低于AAO和AO工藝。對(duì)于AAO工藝和AO工藝,噸水電耗隨著處理規(guī)模的提高而降低,在20萬(wàn)噸/天時(shí),其噸水電耗最低,分別為0.384kWh和0.430kWh。而氧化溝、SBR和CASS工藝的噸水電耗則在5萬(wàn)噸/天時(shí)最低,分別為0.236kWh,0.091kWh和0.175kWh,這三個(gè)處理工藝在5萬(wàn)噸/天的處理規(guī)模條件下電耗最低,具有一定低碳優(yōu)勢(shì)。在污水能源資源回收利用評(píng)價(jià)情景中,研究結(jié)果表明,實(shí)施污水能源資源回收有利于溫室氣體的減排。其中,污水再生回用的溫室氣體減排量最高(18-31%),而污水磷回收和污水能源回收的減排量較小(7-18%)。同時(shí),通過(guò)對(duì)能流、物質(zhì)流以及溫室氣體排放量的分析,明確了不同處理工藝的溫室氣體減排方向:對(duì)于污水能源回收而言,可以通過(guò)增加剩余污泥產(chǎn)量并提高污泥中有機(jī)質(zhì)含量,提升沼氣能源轉(zhuǎn)化效率,實(shí)現(xiàn)能源自給并達(dá)到碳平衡;對(duì)污水再生回用而言,根據(jù)回用用途確定水質(zhì)指標(biāo)、選擇合適的處理工藝,不可一味追求高水質(zhì)要求;而污泥磷回收則需要通過(guò)提高磷回收率、提高磷肥副產(chǎn)品含磷量。為了研究污水處理廠區(qū)域的熱島效應(yīng),本研究利用遙感熱紅外影像和大氣輻射傳輸方程算法分別對(duì)蘇州和哈爾濱兩地污水處理廠熱島效應(yīng)進(jìn)行了研究,結(jié)果發(fā)現(xiàn):WHII顯著低于同期城市地區(qū)的UHII,產(chǎn)生的熱島效應(yīng)有限。同時(shí)通過(guò)統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn),建設(shè)施工C、處理工藝P與WHII具有顯著相關(guān)性,由于建設(shè)施工改變了土地原有的利用類(lèi)型,使得地表熱屬性發(fā)生改變,因此在相同條件下污水廠在建設(shè)施工階段會(huì)有一定的熱島效應(yīng),而當(dāng)污水處理廠進(jìn)入處理運(yùn)行階段時(shí),由于污水表面增加了蒸發(fā)潛熱,因而并不利于熱島的形成,且處理規(guī)模越大,WHII越低。與此同時(shí),兩地的污水處理廠選擇氧化溝、SBR和CASS工藝的WHII都要低于選擇AAO和AO工藝,表明處理工藝的選擇會(huì)因溫室氣體排放和電耗水平間接影響WHII和污水廠的熱島效應(yīng)程度。
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類(lèi)號(hào)】：X703;X16
【圖文】：

第1章 緒 論低碳運(yùn)行為主要目標(biāo)，這對(duì)污水處理行業(yè)的溫室氣體減排具有重要的示范意義�！笆晃濉保�2006 年-2010 年）以來(lái)，我國(guó)城市污水處理在“節(jié)能減排”政策的引導(dǎo)下發(fā)展迅速，污水處理成為實(shí)現(xiàn)減排化學(xué)需氧量（Chemical Oxygen Demand,COD）的主要手段，城鎮(zhèn)污水處理廠對(duì)污染物減排的貢獻(xiàn)率不斷提高。根據(jù)住房與城鄉(xiāng)建設(shè)部發(fā)布的《中國(guó)城鎮(zhèn)排水與污水處理狀況公報(bào)：2006-2010》和《2015年城鄉(xiāng)建設(shè)統(tǒng)計(jì)公報(bào)》顯示，城鎮(zhèn)污水處理能力從 2006 年的不到 7000 萬(wàn)立方米/日到 2015 年的 1.7 億立方米/日，增幅達(dá) 143%。如圖 1-1 顯示，從 2006 年到 2015年，城鎮(zhèn)污水處理廠數(shù)量從 1000 座增加到 3542 座；城市和縣城污水處理率分別從 55.67%增加到 91.9%，以及 13.63%提高到 85.22%，城鄉(xiāng)差距逐漸縮小[14,15]。隨著以水環(huán)境質(zhì)量管控為目標(biāo)的管理制度的確立，以及對(duì)再生水回用的明確要求[16]，全國(guó)污水處理廠將實(shí)施新一輪的提標(biāo)改造，隨之而來(lái)的能耗和溫室氣體排放也將面臨進(jìn)一步增加的壓力。根據(jù)國(guó)際經(jīng)驗(yàn)，我國(guó)的污水處理廠迫切需要圍繞溫室氣體排放水平和減排潛力開(kāi)展行業(yè)溫室氣體減排工作。

污水生物脫氮主要包括氨化、硝化和反硝化三個(gè)基本步驟，如圖1-3 所示：在好氧條件下，自養(yǎng)和異氧氨氧化細(xì)菌 AOB 和氨氧化菌 AOA 將污水中的氨氮轉(zhuǎn)化為亞硝酸根離子和硝酸根離子，這一過(guò)程又稱(chēng)硝化作用，完整的硝化反應(yīng)如圖 1-3 中 1-2 的反應(yīng)過(guò)程；隨后，在缺氧條件下，在反硝化菌（異養(yǎng)型細(xì)菌）的作用下亞硝酸根離子和硝酸根離子被還原為 N2，完整的反硝化反應(yīng)如圖 1-3 中3-6 的反應(yīng)過(guò)程。污水中的氮通常以還原態(tài)的氨為主，在硝化過(guò)程中，氨被氧化為亞硝酸鹽或者硝酸鹽，之后在厭氧條件下通過(guò)反硝化反應(yīng)被還原為雙氮?dú)怏w。研究發(fā)現(xiàn)，兩個(gè)過(guò)程都會(huì)導(dǎo)致氧化亞氮的排放[30-32]。通常認(rèn)為，N2O 是在污水反硝化過(guò)程中的必然中間產(chǎn)物，主要在不完全反硝化的過(guò)程中產(chǎn)生。在反硝化過(guò)程中，碳源不足或 COD/N 過(guò)低都會(huì)導(dǎo)致 N2O 的產(chǎn)生。但也有研究發(fā)現(xiàn)

哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)博士學(xué)位論文在污水處理過(guò)程中會(huì)消耗電力、燃料和藥劑，而這些能源和藥劑在生產(chǎn)、運(yùn)輸和使用過(guò)程中也會(huì)產(chǎn)生溫室氣體排放，這些排放被劃分為污水處理過(guò)程的間接溫室氣體排放。其中，電力消耗主要來(lái)自于提升泵房、曝氣、污泥回流泵房等；藥品消耗主要來(lái)自于反硝化外加碳源、消毒劑、污泥濃縮等，如圖 1-4 所示。

本文編號(hào)：2769096