初沉池似乎是所有教科書(shū)里都會(huì)提到的市政污水處理廠的標(biāo)配工序之一。它可除去廢水中的可沉物和漂流物。廢水經(jīng)初沉后，約可去除50%的懸浮固體和油脂，以及25%的BOD。通過(guò)強(qiáng)化作用還能進(jìn)一步回收BOD，減輕后續(xù)處理設(shè)施的負(fù)荷。這么看來(lái)，初沉池應(yīng)該是非常經(jīng)濟(jì)可靠的處理步驟，成為“標(biāo)配"也就不奇怪了。
但是總有人認(rèn)為“紙上得來(lái)終覺(jué)淺，絕知此事要躬行”，荷蘭阿姆斯特丹水務(wù)公司W(wǎng)aternet的Hans van Fulpen, Manon Bechger和Tauw公司的 Berend Reitsma就想給自己折騰一下：他們決定還是要親自算一算，有和沒(méi)有初沉池的污水廠費(fèi)用究竟差多少。結(jié)果也確實(shí)有驚喜，他們把調(diào)研結(jié)果發(fā)表于8月7號(hào)在荷蘭皇家水協(xié)會(huì)KNW旗下的雜志H2O上。奧尼卡水處理創(chuàng)新部落本期“學(xué)術(shù)星期四”專欄小編就自告奮勇把他們的荷蘭文報(bào)告翻譯給大家參考。
AGV水委會(huì)的管轄范圍 | 圖源:agv.nl
初沉池對(duì)污水廠可持續(xù)發(fā)展的影響
建于1974年的荷蘭Weesp污水廠已顯得十分老舊，當(dāng)局計(jì)劃在2020年前用先進(jìn)的技術(shù)和工藝對(duì)其進(jìn)行翻新。他們正對(duì)不同的工藝?yán)砟?傳統(tǒng)的和創(chuàng)新的)進(jìn)行比較，其中一個(gè)討論點(diǎn)就是是否需要初沉池。如果是新建一個(gè)傳統(tǒng)的UCT系統(tǒng)，那么配置初沉池要比沒(méi)有初沉池的成本每年高10-15%。在節(jié)能和減少CO2排放上的獲益因此比使用風(fēng)能和/或太陽(yáng)能要昂貴得多。根據(jù)所屬水委會(huì)(AGV Waterboard)2016年的總體規(guī)劃，最有可能的是在2020年之際，用一座新的承載最新技術(shù)水平的污水廠代替目前的Weesp污水廠。能效和可持續(xù)性是新污水廠的基本考慮要素，而下圖的Hilversum污水廠是其中的參考模板：
圖1. 基于mUCT的Hilversum污水廠: (帶有兼性厭氧好氧池的兩條平行處理線)
AGV水委會(huì)( Amstel Gooi 和Vecht的簡(jiǎn)稱)深知?dú)夂蜃兓瘜?duì)未來(lái)水務(wù)管理的影響。污水廠的改造/新建項(xiàng)目是引入可持續(xù)發(fā)展的水管理的機(jī)會(huì)，實(shí)現(xiàn)稀缺資源的回用、提高生物多樣性和回收能源等，并最終增加營(yíng)收和降低水費(fèi)。 AGV水委會(huì)希望借此機(jī)會(huì)來(lái)為水行業(yè)梳理一個(gè)好的榜樣，在2020年實(shí)現(xiàn)污水廠能量自給的目標(biāo)。
阿姆斯特丹水務(wù)公司W(wǎng)aternet和咨詢公司Tauw的四位荷蘭人對(duì)Weesp污水廠的潛在新建項(xiàng)目的不同工藝?yán)砟钸M(jìn)行了比較，包括了傳統(tǒng)工藝和創(chuàng)新工藝、有和沒(méi)有初沉池等。結(jié)果顯示有初沉工序的系統(tǒng)持久性更好，但是造價(jià)也明顯更高。污水廠要實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，成本究竟要多少?或者說(shuō)污水廠是否可以通過(guò)其他其他更便宜的方式，例如風(fēng)能和太陽(yáng)能等，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)性?如果Weesp污水廠的替代計(jì)劃正在規(guī)劃中，現(xiàn)在是時(shí)候做出決定的了。這篇文章對(duì)這些問(wèn)題進(jìn)行了探討和闡述，并且討論這些問(wèn)題是否對(duì)荷蘭其他地區(qū)也有借鑒參考意義。
新水廠要還是不要初沉池?
新建污水廠基本選定了傳統(tǒng)的UCT工藝作為主流生物處理的工藝，接下他們想確認(rèn)的問(wèn)題是：是否需要建造初沉池?對(duì)于一些創(chuàng)新性的工藝，關(guān)于初沉池的影響的文獻(xiàn)非常有限。所以荷蘭人假設(shè)UCT系統(tǒng)的數(shù)據(jù)對(duì)其他生物處理工藝也能適用。這個(gè)污水廠的氮磷的出水標(biāo)準(zhǔn)為年平均總氮10 mg/L和總磷2mg/L。他們估計(jì)在10-15年內(nèi)污水廠的出水標(biāo)準(zhǔn)不會(huì)有新的物質(zhì)的要求。另外污水廠排除的水體也不是政府的重點(diǎn)關(guān)注對(duì)象(阿姆斯特丹-萊茵運(yùn)河并不會(huì)敏感水體)。
此處稍微拓展一下：UCT工藝取名南非的開(kāi)普敦大學(xué)(University of Cape Town)，因?yàn)榘l(fā)明團(tuán)隊(duì)來(lái)自該大學(xué)。話說(shuō)南非在70-90年代初曾經(jīng)是代表污水處理水平最高的國(guó)家之一，其中的代表人物是Gerrit van Rooyen Marais教授以及他的學(xué)生George Ekama教授。他們從事活性污泥工藝的模型研究已經(jīng)有30多年的歷史。
大家一般認(rèn)為：傳統(tǒng)A2O工藝的缺點(diǎn)是回流污泥中過(guò)多的硝酸鹽破壞厭氧環(huán)境，影響厭氧放磷效果，為此產(chǎn)生了UCT工藝。與傳統(tǒng)A2O工藝比較，UCT工藝不同之處在于污泥先回流至缺氧池，再將缺氧池部分混合液回流至厭氧池，從而減少了回流污泥中硝酸鹽對(duì)厭氧放磷的影響。但UCT工藝增加了一次回流，即多一次提升，相應(yīng)的運(yùn)行費(fèi)用將增加。
UCT工藝流程圖
他們假設(shè)初沉池的BOD回收率為25%，懸浮固體SS為50%。根據(jù)Weesp污水廠的情況，他們對(duì)初沉池有否的情況進(jìn)行了對(duì)比， 關(guān)鍵參數(shù)的對(duì)比結(jié)果如下表1：
表1. Weesp污水廠有/無(wú)初沉池的工藝運(yùn)行參數(shù)對(duì)比
初沉池能使生物反應(yīng)池的體積減少30%，曝氣量和強(qiáng)化混凝土用量也相應(yīng)減少。但是因?yàn)榻ㄔ斐醭脸匾残枰ú模跃蛷?qiáng)化混凝土的費(fèi)用而言，有無(wú)初沉池的情況沒(méi)有明顯區(qū)別。這樣算下來(lái)，有初沉池的投資和運(yùn)行成本比沒(méi)有的情況高10-15%。
濃縮的污泥會(huì)運(yùn)到阿姆斯特丹西區(qū)污水廠(見(jiàn)下圖)進(jìn)行厭氧發(fā)酵和脫水處理。產(chǎn)生的沼氣用于熱電聯(lián)產(chǎn)，產(chǎn)電效率為40%，產(chǎn)熱目前只用于發(fā)酵罐的加熱，剩下的余熱目前還沒(méi)有被利用。污泥在經(jīng)過(guò)發(fā)酵脫水后運(yùn)至一個(gè)垃圾發(fā)電廠進(jìn)行焚燒處理，產(chǎn)電效率為24%。
圖2. Amsterdam-West污水廠的污泥消化反應(yīng)器
能量平衡分析
他們對(duì)有無(wú)初沉池的情況進(jìn)行了能量平衡分析，結(jié)果顯示加設(shè)初沉池的能耗每年節(jié)省430000 kWh。但是每年的總運(yùn)行費(fèi)用卻增加了35萬(wàn)歐元(見(jiàn)表1)。
表2. 有/無(wú)初沉池的能量平衡對(duì)比
* 包括了Weesp到Amsterdam-West的污泥運(yùn)輸線能耗
**包括了在垃圾焚燒廠的回收能量
碳足跡分析
除了能量分析，他們還分析了有無(wú)初沉池的碳足跡，結(jié)果如下：
表3. 有/無(wú)初沉池的碳足跡對(duì)比
* Weesp到msterdam-West運(yùn)輸線約長(zhǎng)33km
** 運(yùn)輸量約14300m3 /年。單次運(yùn)輸量為36m3，所以需要421次
***污泥運(yùn)輸量約19500m3/年(573車(chē)的運(yùn)次)
上表結(jié)果顯示處理能耗和污泥回收能源對(duì)二氧化碳足記的影響最大，其次是污泥運(yùn)輸。強(qiáng)化混凝土和化學(xué)藥劑的影響很小。
可持續(xù)發(fā)展污水廠的成本(代價(jià))?
下面的表4是有初沉池的系統(tǒng)與無(wú)初沉池的系統(tǒng)的一個(gè)成本差對(duì)比，以及有初沉池在節(jié)能減排方面的好處。
有初沉池的話，節(jié)省每度電的成本是0.81歐 ，遠(yuǎn)高于現(xiàn)在的電價(jià) € 0.10。有沒(méi)有其他更便宜的可再生能源呢?另外減排1噸二氧化碳的成本是€1.37。二氧化碳的交易價(jià)目前是€0.50。所以這么說(shuō)來(lái)，配置初沉池其實(shí)是一個(gè)昂貴的工序。
應(yīng)用風(fēng)能、太陽(yáng)能等其他技術(shù)顯得更加吸引，當(dāng)然值得注意的是，荷蘭目前對(duì)太陽(yáng)能板還是有補(bǔ)貼資助的。
表4.初沉池產(chǎn)生的能耗和二氧化碳排放量分析
*費(fèi)用看上去很高，因?yàn)榘怂瘯?huì)的費(fèi)用(1.7倍因)
盡管如此，對(duì)于還沒(méi)有應(yīng)用風(fēng)能和太陽(yáng)能的水委會(huì)來(lái)說(shuō)，建造初沉池似乎還是確保出水達(dá)標(biāo)排放的核心保障之一。
結(jié)論和后續(xù)建議
綜上所述，對(duì)于Weesp這樣規(guī)模的污水廠，當(dāng)使用傳統(tǒng)UCT系統(tǒng)的時(shí)候，配套初沉池會(huì)是每年的費(fèi)用增加10-15%。雖然初沉池的建造雖然提高節(jié)能減排的表現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)成本遠(yuǎn)高于風(fēng)能/太陽(yáng)能等可再生能源。
但是對(duì)于還沒(méi)興建的污水廠，還有待水委會(huì)做出最終的決定。對(duì)于水委會(huì)來(lái)說(shuō)，確保出水水質(zhì)永遠(yuǎn)是第一要?jiǎng)?wù)，就這而言，建造初沉池是有好處的，所以依然要繼續(xù)納入考慮范圍。另外，使用細(xì)篩網(wǎng)(fine sieves)代替初沉也是一個(gè)可能選擇，因?yàn)橥ㄟ^(guò)篩分技術(shù)還能回收纖維素，作為其他生產(chǎn)的原材料(如生產(chǎn)透水瀝青等)。這是荷蘭的污水資源回收工廠項(xiàng)目的一個(gè)鼓勵(lì)發(fā)展方向之一，只是還沒(méi)有工程應(yīng)用案例，其商業(yè)前景依然不明朗。
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