厭氧氨氧化處理煤氣化廢水技術

煤氣化廢水水質取決于氣化爐和煤的種類，其普遍具有高COD、高氨氮、難降解有機物含量高、含有毒物質等特點，過量氮排放到天然水中，會導致水體酸化、富營養化等多種水環境問題。煤氣化廢水常用的主要生化處理工藝有序批式間歇反應器（SBR）、循環活性污泥技術（CAST）、厭氧/好氧（AO）、厭氧/缺氧/好氧（A2O）、膜生物反應器（MBR）和生物膜接觸氧化。傳統硝化-反硝化工藝一般可以滿足廢水脫氮要求，但由于該工藝耗電量大、外部有機碳投加多導致經濟和環境效益低。有研究表明，傳統的SBR和CAST工藝COD去除率低于80%，新型組合工藝COD去除率高于90%，但工藝過程較長且工藝復雜。隨著技術的發展，煤氣化廢水生化處理工藝變得更加，如中煤鄂爾多斯能源化工有限公司使用的外循環厭氧-生物強化-缺氧/好氧工藝（EBA）是一種經濟的工藝，廢水處理成本為0.5美元/t；采用厭氧水解酸化-好氧氧化-臭氧+好氧流化床三級工藝處理煤氣化廢水，成本為0.135美元/m3，污泥產生量低，易于管理和維護。值得關注的是，相較于傳統硝化-反硝化技術，厭氧氨氧化技術憑借可以減少約60%曝氣量、100%有機碳、90%污泥產量等優點，在近20a得到快速發展。目前厭氧氨氧化處理高氨氮廢水的工程化設施有數百座，我國不少企業也已先后應用該技術。通常由于廢水NO2-濃度很低，厭氧氨氧化需要與短程硝化聯用。短程硝化-厭氧氨氧化（CANON）工藝雖然被廣泛用在廢水處理中，但其在全規模工業廢水處理廠應用的環境影響尚未被了解，在煤氣化廢水處理中相關的應用研究則更少。考慮經濟-社會-環境綜合效益的煤氣化廢水處理方式有很大的價值，其要求不僅關注出水水質，還應關注資源、能源的利用及溫室氣體、固廢的排放等環境綜合效應。因此，對處理工藝的環境影響進行評估至關重要。全生命周期評價（Lifecycleassessment，LCA）是評估產品、服務或過程在整個生命周期內對環境的影響的一種方法，已被用于評價污水處理的環境影響，評價結果客觀具體。M.HAUCK等根據Do-kaven污水處理廠的監測數據，用LCA評估了在側流中采用兩級厭氧氨氧化對環境狀況的影響。郝曉地等通過全生命周期環境影響評價（LCIA）、成本（LCC）評價及生態效益（LCEE）評價3種方法對地下式污水處理廠進行影響評價。現有對污水處理廠進行LCA分析的研究并不少，但多數研究僅進行了環境影響評價，沒有考慮實際工程中的經濟效益，是不完整的。本研究采用LCA方法，基于內蒙古某煤化工污水處理廠改造前后的數據，運用SimaPro軟件、Eco-invent數據庫建立模型，對改造前多級AO工藝和改造后一體式CANON工藝的碳足跡和環境影響進行評價，量化CANON的環境經濟效益，以期為煤氣化廢水處理工藝的選擇和優化提供參考。1、研究對象與方法1.1 研究對象以內蒙古某煤化工污水處理廠為研究對象，該廠設計規模為4000m3/d，實際處理水量為2650m3/d，處理污水類型為乙二醇、草酸與乙醇酸等產品的生產廢水。主體污水處理工藝包括預處理、生物脫氮、深度處理、污泥處理4個單元，其中生物脫氮為核心處理單元，且歷經了技術改造。改造前后工藝流程見圖1。如圖1所示，預處理單元包括斜板沉淀池、缺氧池、高曝池及二沉池，主要去除廢水中的懸浮顆粒（SS）、難降解有機物和有毒有害物質，此階段大部分COD被去除，廢水可生化性被提高，以保障后續處理中微生物更好地發揮作用。生物脫氮單元主要用于去除TN和NH4+-N，在改造前采用傳統多級AO工藝，改造后采用CANON工藝。后續SBR用于深度脫氮，處理水需滿足《城鎮污水處理廠污染物排放標準》（GB18918—2002）中三級標準后進入市政污水管網。主要構筑物運行參數見表1，系統進出水水質及排放標準見表2。系統產生的剩余污泥經過濃縮脫水后，送至煤廠以一定比例摻入原煤燃燒，實現廢物利用。1.2 研究方法LCA發源于20世紀60年代，到20世紀90年代后期，國際標準化組織（ISO）14000系列中LCA標準得到發展，其共有兩項標準，即《環境管理生命周期評價原則與框架》（ISO14040：2006）與《環境管理生命周期評價要求與指南》（ISO14044：2006）。LCA分為4個步驟：目標和范圍界定、清單分析、影響評價、結果解釋。目標和范圍界定是關鍵的一步，決定LCA的廣度和深度；清單分析是量化系統中物質的輸入與輸出；影響評價將上一步量化的結果轉化為具體的影響類型指標；結果解釋為項目提出改進建議，包括完整性檢查、敏感性分析和一致性檢查等，確保評價全面可靠。1.2.1 數據庫國內外LCA數據庫眾多，包括德國GaBi擴展數據庫、瑞士Ecoinvent數據庫、歐洲生命周期文獻數據庫ELCD、美國USLCI數據庫、韓國LCI數據庫以及中國生命周期基礎數據庫CLCD等，數據庫的選擇應與研究需求相匹配。Ecoinvent數據庫在環境影響評估模型的選取和結果解釋上有著較詳盡的方和文獻引證，數據透明度高，因此本研究選擇使用Ecoinvent數據庫。1.2.2 評價軟件LCA常用評價軟件較多，包括荷蘭SimaPro軟件、德國Gabi軟件、中國eBlance軟件等。對于相同的數據樣本，不同的軟件工具分析得出的結果可能相同，也可能存在顯著差異甚至還有得到不同結論的情況。因此，軟件選擇應謹慎比較后作出決定。SimaPro軟件提供了大量標準影響評價方法，可根據不同生命周期階段進行分析，操作簡單，為目前多數研究所采用。基于此，本研究選用SimaPro9.0軟件進行環境影響評價。1.3 目標與范圍界定本研究目的是分析該煤化工污水處理廠廢水處理工藝的環境影響。系統工藝包括預處理單元、生物脫氮單元、深度脫氮單元、污泥處理單元。廢水進入污水處理廠為邊界的起點，排出污水處理廠為邊界的終點，處理工藝系統邊界在圖1中進行了標識。1.4 清單分析以處理1m3煤氣化廢水為功能單位（FU）進行清單分析，改造前后單元生命周期清單見表3。輸入清單包括能耗、物耗與運輸，輸出清單包括溫室氣體與剩余污泥。基礎數據均為該污水處理廠的實際運行數據。如表3所示，工藝能耗為電能的消耗，包括單元各類泵及其他用電設備的電耗；物耗為藥劑消耗，包括AO和CANON單元投加30%NaOH調節pH與AO單元投加甲醇作為碳源的消耗；運輸主要指卡車運輸藥劑（路程約1000km）和脫水污泥（路程約10km）；溫室氣體主要為產生的N2O的排放；剩余污泥為單元外排污泥經過壓縮脫水將含水率降至45%后的污泥。2、結果與討論2.1 碳足跡分析對比碳足跡是指整個工藝流程中直接或間接造成的溫室氣體排放對變暖的貢獻，以CO2當量表示，用來量化人類活動對自然資源的占有。污水處理廠碳足跡包括直接碳排放與間接碳排放。直接碳排放指工藝處理過程中產生的溫室氣體量；間接碳排放指能源消耗和物質消耗導致的流程中碳排放的增加。根據系統運行情況，將日均碳足跡（CF，以CO2eq表示）分為3部分：CF1為工藝流程中直接產生的溫室氣體（主要為N2O）和運輸過程帶來的碳排放；CF2為電量消耗造成的間接碳排放；CF3為藥劑消耗造成的間接碳排放。CF1、CF2和CF3計算見式（1）~式（3）。式中：MN2O——N2O日均排放量，kg；GWPN2O——N2O氣體溫室效應指數，取值265；TL——貨物日均周轉量，t·km；EFrf——公路貨運的碳排放因子，取0.0976kg/（t·km）。式中：QE——日均耗電量，kW·h；EFE——電力碳（以CO2計）排放因子，取0.5839kg/（kW·h）。式中：MNaOH、M甲醇——NaOH、甲醇的日均消耗質量，kg；EFNaOH、EF甲醇——NaOH、甲醇的碳（以CO2計）排放因子，取值分別為1.59、1.54kg/kg。對于AO單元，CF1=（0.002×265+3.890×0.0976）×2650=2410.61kg，CF2=2.046×0.5839×2650=3165.85kg，CF3=1.402×1.59×2650+1.413×1.54×2650=11673.78kg。對于CANON單元，CF1=（0.004×265+0.448×0.0976）×2650=2924.87kg，CF2=0.995×0.5839×2650=1539.60kg，CF3=0.579×1.59×2650=2439.62kg。因此AO單元CF的計算量為17250.24kg，CANON單元CF的計算量為6904.09kg，可見改造后CF為改造前的40.02%，極大減少了工藝碳排放。改造前后系統碳足跡組成情況見圖2。由圖2可知，與AO單元相比，CANON單元CF1較大，這是由于CANON脫氮效果更好，溫室氣體N2O的排放增多。分析CANON單元CF組成情況可知，整個工藝中直接排放導致的碳排量占比，為42%，主要是由溫室氣體N2O排放造成的；其次是藥劑消耗碳排量，占比為35%；電量消耗碳排量占比最小，為22%。整體分析可知，改造后CANON單元碳排放量減少約60%。2.2 LCIA評價LCIA為整個LCA的關鍵內容，根據清單分析得到的數據，可對系統資源和環境影響定量評價。本研究采用SimaPro軟件、Ecoinvent3數據庫。LCIA需要根據環境影響評價指標分類后，計算出特征化結果與標準化結果以分析環境綜合影響。2.2.1 分類分類是對不同環境影響進行分類，把清單數據分為不同環境影響類型。在污水處理LCA分析中，多采用CML作為工具進行評價分析。本研究采用CML2001評價體系進行分類評價，將影響類別分為環境危害、資源消耗、人類健康3大類。如表4所示，環境危害包括變暖潛勢、臭氧層破壞潛勢（ODP）、淡水水生生態毒性潛勢（FAETP）、海洋水生生態毒性潛勢（MAETP）、陸地生態毒性潛勢（TETP）、光化學氧化潛勢（POCP）、酸化潛勢（AP）、富營養化潛勢（EP）共8個指標；資源消耗包括非生物耗竭潛勢（ADP）、非生物耗竭潛勢（化石燃料）（ADPF）共2個指標；人類健康指人體毒性潛勢（HTP）1個指標。2.2.2 特征化結果與分析特征化指的是將各類污染物轉化為一定的環境影響值，以便于直觀解釋對環境的影響。其值由各類污染物質量乘以對應的特征化因子可得。特征化因子表示1kg物質造成的環境影響值。計算并統計改造前后系統各影響類別的特征化結果，如表5所示，可以看出改造前后系統對各類別的貢獻占比情況類似。2.2.3 標準化結果與分析對比由于特征化后不同指標的單位不同，無法對比其環境影響程度，因此需要進行標準化。標準化是一種去量綱方式，通過特征化值乘以對應的標準化因子實現。標準化后便可實現各指標間環境影響程度的比較。AO與CANON單元各類別的標準化結果見圖3。由圖3可以看出，系統改造前后，運行期所產生的環境影響占比在5%以上的分別為MAETP（87.35%~88.55%）、FAETP（5.69%~6.89%），說明系統對水生生態毒性的影響。改造后工藝對各類環境影響類別的標準化值均有下降。AO單元的環境總影響標準化值為6.71×10-11，CANON單元的環境總影響標準化值為2.83×10-11。CANON單元環境影響是AO單元的42.2%。2.3 敏感性分析對比敏感性分析是用來確定一些工藝參數的變化對評價結果的影響程度，有助于找出關鍵影響參數，評估節能減排的潛力，因此進行敏感性分析是必要的。根據本研究數據以及XiaoqiZHANG等的研究，選擇能源類型、電量消耗與藥劑消耗作為敏感度分析的關鍵變量。能源類型選擇煤炭、風能、太陽能3種，而電量消耗與藥劑消耗則選擇上下浮動10%進行敏感性分析。輸入變量的敏感度（Sij）計算見式（4）。式中：ΔPj——第j個參數的變化幅度，本研究取±10.00%；ΔIi——在第j個參數變化時，第i個環境影響類別的變化。一般將敏感度分為4類以劃分變量的敏感程度。當|Sij|≥1時，為Ⅳ類，表示非常敏感；1>|Sij|≥0.2時，為Ⅲ類，表示敏感；0.2>|Sij|≥0.05時，為Ⅱ類，表示低敏感；0.05>|Sij|≥0時，為Ⅰ類，表示不敏感。以電能類型作為變量進行敏感性分析。計算改造前后各發電類型供電時的GWP值，結果見圖4。如圖4所示，與AO系統相比，CANON系統煤炭燃燒可減少53.81%的GWP貢獻，風能發電可減少48.80%的GWP貢獻，太陽能發電可減少49.02%的GWP貢獻。CANON系統中，煤炭、風能與太陽能三者對比，采用風能發電對GWP的貢獻最小，占煤炭燃燒發電的80.88%，可減少約20%的GWP貢獻，在節能減排方面有很大的空間。分析改造前后電量消耗對環境影響類別的影響，所得結果均是AP所受影響明顯，其次是MAETP，標準化結果見圖5（a）。對于AO系統，當電能使用量減少10%時，整體環境影響降低3.84%，AP降低4.58%，MAETP降低4.23%；對于CANON系統，當電能使用量減少10%時，整體環境影響降低5.46%，AP降低6.52%，MAETP降低5.89%。分析改造前后藥劑消耗對環境影響類別的影響，所得結果均是ODP所受影響明顯，AO系統中的FAETP和CANON系統中的ADP受影響程度次之，標準化結果見圖5（b）。對于AO系統，當藥劑使用量減少10%時，整體環境影響降低4.87%，ODP降低8.49%，FAETP降低6.60%；對于CANON系統，當藥劑使用量減少10%時，整體環境影響降低3.68%，ODP降低9.16%，ADP降低6.14%。改造前后電能使用量的改變對系統全生命周期各環境影響類別標準化值的變化率分別見圖6（a）與圖6（b），藥劑使用量的改變對各環境影響類別標準化值的變化率分別見圖6（c）與圖6（d）。根據式（4）計算各環境影響類別對系統電耗、藥耗變化的敏感度，結果見表6。2.4 經濟分析2.4.1 節約費用現工藝系統采用的CANON生物脫氮工藝具有不需要外加碳源、剩余污泥量少、耗電量少等優勢，關于其在經濟上的優勢需要進行量化分析才能更好地說明。本研究根據污水處理廠所給數據，用無節約措施時理論藥耗量與采用CANON工藝時實際藥耗量的差值計算節約藥耗量，獲取節約的加堿量費用與節約的外加碳源費用，再加上節約的電費，構成改造后系統節約的總費用。處理1m3廢水節約的加堿量費用（Jc）、節約的外加碳源費用（C）及節約的電費（W）分別依照式（5）、式（6）、式（7）計算。式中：m1——AO單元加堿量，依據表3，取1.402×10-3t；m2——CANON單元加堿量，依據表3，取5.79×10-4t；Jp——堿溶液市場價格，取1278元/t。式中：m3——AO單元外加碳源量，依據表3，取1.413×10-3t；Cp——外加碳源的價格，取3280元/t。式中：q1——AO單元能耗，依據表3，取2.046kW·h；q2——CANON單元能耗，依據表3，取0.995kW·h；Wp——電的單價，取0.75元（/kW·h）。由式（5）~式（7）計算出堿液、外加碳源、電費節約費用分別為1.05、4.63、0.79元/m3，共計6.47元/m3，說明采用CANON工藝在處理成本上具有極大優勢。2.4.2 碳減排效益分析根據碳交易市場，通過碳減排可將富余的碳排放額轉讓給需求方獲得一定收益。通過碳足跡分析，生物脫氮單元日碳減排量（CF減）為AO單元CF與CANON單元CF的差值，CF減=17250.24-6904.09=10346.15kg。參考碳市場網站地方碳市場（北京）價格行情，在碳價為47.09元/t時，污水處理廠碳減排效益P1=10346.15×47.09×10-3≈487.20元/d。2.4.3 潛在效益分析經過長期運行，系統中厭氧氨氧化單元菌泥生長穩定且長勢良好，可考慮不定期向外出售菌泥，其市場價格為40000~60000元/t，取均值50000元/t，根據清單分析，理論上每日可出售的厭氧氨氧化菌泥量M=0.070×2650/1000=0.186t，其收益P2=0.186×50000=9300元/d。3、結論本研究采用LCA分析對比了某煤氣化污水處理廠工藝改造前后的碳足跡和環境影響，量化了厭氧氨氧化工藝在節能減排上的優勢。主要結論如下：1）相較于改造前的多級AO工藝，改造后采用的CANON工藝極大減少了碳排放。改造后直接排放導致的碳排放占比，約為42%；其次是藥劑消耗，占比為35%；電量消耗導致的碳排放占比最小。2）改造后采用的CANON工藝對各類環境影響類別的影響標準化值均有下降。生物脫氮單元是對環境影響的單元，CANON單元的環境影響是改造前AO單元的40.02%。3）煤炭、風能與太陽能三者對比，采用風能發電對GWP的貢獻最小，電耗變化對AP類別影響，MAETP受影響次之，藥耗變化對ODP類別影響。4）改造后系統對廢水的處理成本平均可節約6.47元/m3，碳減排效益為487.20元/d，且可通過厭氧氨氧化菌泥出售獲得9300元/d的潛在經濟效益，表明CANON單元在處理成本上具有極大優勢。