【摘要】：過去一百年來,為了應(yīng)對城市污水所帶來的環(huán)境與衛(wèi)生健康等問題,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,發(fā)達國家污水處理行業(yè)的能源消耗量已占到全社會能耗總量的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)達國家已將其納入到減排重點行業(yè)中。同時,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)動力之一,如荷蘭的NEWs、新加坡的NEWater水廠,以及中國剛剛起步的新概念污水處理廠。隨著我國新型城鎮(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來源。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程的溫室氣體排放,生命周期評價為污水處理廠的節(jié)能減排提供了系統(tǒng)化思維的研究框架。本研究通過構(gòu)建以生命周期評價為核心的溫室氣體核算方法,以污水作為研究對象,系統(tǒng)邊界從污水進入污水處理廠為起點,以污水排入受納水體和污泥進行最終處置為終點。同時,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行分析。同時,通過利用遙感熱紅外圖像對污水處理廠的熱島效應(yīng)進行研究,通過熱島效應(yīng)強度的時空變化規(guī)律探討污水處理廠在建設(shè)施工、處理運行等過程對周邊環(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(1萬噸/天,2萬噸/天,5萬噸/天,10萬噸/天,20萬噸/天)、三種排放標(biāo)準(zhǔn)(一級B,一級A,類地表水四類標(biāo)準(zhǔn))和兩種污泥處置路線(填埋,堆肥)的150種工藝流程方案的溫室氣體排放進行了核算。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。如果滿足最嚴(yán)格A級排放標(biāo)準(zhǔn),SBR工藝最具低碳優(yōu)勢,尤其是在中等處理規(guī)模(5萬噸/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(20萬噸/天)時具有低碳優(yōu)勢,氧化溝和CASS工藝在中等處理規(guī)模(5萬噸/天)具有低碳優(yōu)勢。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所決定的。同時SBR工藝的水流狀態(tài)、污泥齡等工況條件和運行參數(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%。由于延時曝氣的特點,氧化溝工藝的污泥齡通常較長,有助于減少剩余污泥,但是,另一方面延時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20萬噸/天時,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5萬噸/天時最低,分別為0.236kWh,0.091kWh和0.175kWh,這三個處理工藝在5萬噸/天的處理規(guī)模條件下電耗最低,具有一定低碳優(yōu)勢。在污水能源資源回收利用評價情景中,研究結(jié)果表明,實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,通過對能流、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:對于污水能源回收而言,可以通過增加剩余污泥產(chǎn)量并提高污泥中有機質(zhì)含量,提升沼氣能源轉(zhuǎn)化效率,實現(xiàn)能源自給并達到碳平衡;對污水再生回用而言,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蘇州和哈爾濱兩地污水處理廠熱島效應(yīng)進行了研究,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。同時通過統(tǒng)計分析發(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)施工階段會有一定的熱島效應(yīng),而當(dāng)污水處理廠進入處理運行階段時,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,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)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號】：X703;X16
【圖文】：

第1章 緒 論低碳運行為主要目標(biāo)，這對污水處理行業(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，我國城市污水處理在“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)污水處理廠對污染物減排的貢獻率不斷提高。根據(jù)住房與城鄉(xiāng)建設(shè)部發(fā)布的《中國城鎮(zhèn)排水與污水處理狀況公報：2006-2010》和《2015年城鄉(xiāng)建設(shè)統(tǒng)計公報》顯示，城鎮(zhèn)污水處理能力從 2006 年的不到 7000 萬立方米/日到 2015 年的 1.7 億立方米/日，增幅達 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，以及對再生水回用的明確要求[16]，全國污水處理廠將實施新一輪的提標(biāo)改造，隨之而來的能耗和溫室氣體排放也將面臨進一步增加的壓力。根據(jù)國際經(jīng)驗，我國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，這一過程又稱硝化作用，完整的硝化反應(yīng)如圖 1-3 中 1-2 的反應(yīng)過程；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)過程。污水中的氮通常以還原態(tài)的氨為主，在硝化過程中，氨被氧化為亞硝酸鹽或者硝酸鹽，之后在厭氧條件下通過反硝化反應(yīng)被還原為雙氮氣體。研究發(fā)現(xiàn)，兩個過程都會導(dǎo)致氧化亞氮的排放[30-32]。通常認(rèn)為，N2O 是在污水反硝化過程中的必然中間產(chǎn)物，主要在不完全反硝化的過程中產(chǎn)生。在反硝化過程中，碳源不足或 COD/N 過低都會導(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程中會消耗電力、燃料和藥劑，而這些能源和藥劑在生產(chǎn)、運輸和使用過程中也會產(chǎn)生溫室氣體排放，這些排放被劃分為污水處理過程的間接溫室氣體排放。其中，電力消耗主要來自于提升泵房、曝氣、污泥回流泵房等；藥品消耗主要來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：2769096