未来污水处理厂: 能源转化与回收

文摘 2024-07-30 08:48 加拿大

污水处理行业和能源系统正在经历重大变革，以应对气候变化和环境污染。通过可再生电力电解水（Power-to-Hydrogen，PtH）获得的绿色氢气被认为是中和可再生能源波动的重要能源载体。本文提出了一种在WRRFs中实施PtX的概念，其中水的来源、氧气副产品的利用以及PtX本身可以成为可持续和多样化的策略。

图片来源：Clean TEQ Water

1.引言

目前，水资源回收设施（WRRFs）面临着多重挑战，这些挑战需要创新才能应对。这些挑战主要围绕着实现能源中和、有效去除微污染物以及确保可靠的卫生保障等。欧盟关于城市污水处理的新法规强调了WRRFs需要提升性能，以实现到2050年无污染的目标。因此，可以预见的是，WRRFs将采取措施来改善其性能。这些措施可能包括能源审计、微污染物监测、营养物回收管理、现场可再生能源生产等。必须在确保最佳投资和能源中和目标的同时，减轻气候变化、温室气体排放和新兴污染物带来的风险。

与此同时，全球能源系统正朝着更可持续的方向进行大规模转型。可再生能源和碳中性替代品逐步引入能源系统。然而，要在工业、交通和建筑等领域实现全面减碳，需要在能源系统内进行协调和整合，以确保电力供应的可用性。Power-to-X（PtX）指的是将可再生电力转化为实际应用的各种必要转换路径。

PtX中的“X”代表燃料，以气体（如氢气、甲烷）或液体（如甲醇）的形式；化学品（如氨）；能源储存（如热量、电池）等。通过可再生电力电解水生产的氢气被定义为绿色氢气。由于关注PtX，全球绿色氢气市场预计将从2023年到2032年以55%的复合年增长率（CAGR）增长，到2032年底市场价值将达到约3320亿美元。欧盟于2022年5月新设立的战略，，目标是在2030年前生产1000万吨可再生氢气，并进口1000万吨，这意味着至少需要电解180万吨水。

作为公共服务（包括基础设施、公共卫生、环境可持续性）的重要组成部分，WRRFs被认为高度依赖于可靠的电力供应，而能源系统中的巨大不确定性已成为其运营安全和成本管理的担忧。为了应对加强的标准，WRRFs采取了一些措施来增强其能源韧性。研究表明，WRRFs可以通过需求响应控制、现场可再生能源生产、高水平资源和能源回收等方式获得能源韧性。随着可再生能源转型的快速扩展，必须审视未来能源载体（如氢气）对WRRFs的影响，以促进WRRFs和不断发展的能源系统之间的潜在跨部门协调。

根据国际可再生能源机构的估计，全球氢气需求到2050年将达到614万吨/年。假设上述所有氢气都来自可再生电力和水电解的绿色氢气，那么基于2050年全球氢气需求的估算，作为副产品的氧气每年可能会产生多达50亿吨。这样额外的纯氧的一个潜在应用是改进WRRFs的性能，如通过升级曝气性能以停留时间和空间；或者通过微生物过程和可再生能源应用于过去几十年中迅速发展的好氧精密发酵技术。

从根本上说，纯氧曝气可以通过增加溶解氧浓度、提高酶效率、减少泡沫形成、改善微生物群落中的微生物生长和代谢来提供更好的微生物活性和稳定性，从而改善WRRFs中有机物的降解效率。通过应用纯氧而不是空气， COD的去除效率可以提高10%（活性污泥工艺）到38%（MBBR工艺），而氨的去除效率可以提高60%。此外，在市政污水处理中发现纯氧活性污泥硝化和反硝化过程可以消除40种微污染物，去除效率至少为80%。

2. WRRFs中的潜在PtX价值链

通常，PtX的价值链包括生产、转化、运输和最终使用。PtX的生产指的是利用可再生能源进行水电解，并结合可持续的碳捕获和利用（CCU）以生产碳中和的合成燃料或化学品。PtX的转化通常指的是从氢气合成氨和甲醇的过程。所提出的概念涵盖了WRRFs内的整个PtX价值链。

为了说明“PtX用于WRRFs”的概念，国际水协会（IWA）的基准模拟模型（BSM）被用作常规二级WRRF的标准布局。图1展示了将PtX与常规二级WRRF相结合的概念方案，包括PtX相关过程以及氢气和氧气的生产和利用。概念图中提到了两个主要的PtX应用：（1）在PtX电解槽中利用可再生电力生产氢气，作为清洁燃料或合成氨或甲醇的原料；（2）在WRRF中利用纯氧进行高效曝气，以增强生物降解过程。

水电解用于PtX

PtX的核心技术是电解水，它利用可再生电力将水分解为氢气和氧气。商业上，最常用的电解技术包括碱性电解槽（AWE）、质子交换膜（PEM）电解槽和固体氧化物电解槽（SOE）。这些电解槽具有不同的操作条件、效率和成本（如下表）。

表. 不同电解槽技术的比较

WRRFs可以利用其处理的污水作为PtX电解所需的水源，这样可以避免对淡水资源的消耗。此外，氢气和氧气的生产也可以通过使用WRRFs生产的沼气和厌氧消化污泥进一步优化，从而实现废物资源的高效利用。PtX的电解过程也可以与现有的WRRF基础设施相结合，例如通过集成可再生能源（如太阳能光伏、风能）来实现自主电力供应。

PtX氧气的利用

在WRRFs中，氧气通常用于曝气过程，以促进微生物对有机物和氨的降解。然而，传统的曝气方式使用空气（含21%的氧气），其传质效率较低。因此，使用纯氧进行曝气可以显著提高氧气的传质效率，从而提高废水处理过程的性能和效率。

使用纯氧曝气的主要优势包括：

提高有机物和氨的去除效率：
如前文所述，纯氧曝气可以显著提高化学需氧量（COD）和氨的去除效率，这对于处理高负荷污水尤为重要。
减少曝气池的体积：
由于纯氧曝气可以提供更高的氧气传质速率，因此可以减少曝气池的体积，从而节省建设和运营成本。
改善微生物群落的稳定性：
纯氧曝气可以提供更稳定的氧气供应，有助于维持微生物群落的健康和稳定，提高处理系统的整体性能。

此外，氧气还可以用于其他过程，如臭氧消毒和高级氧化过程，以进一步去除微污染物和病原体。

3. PtX与WRRFs结合的机会与挑战

机遇

将PtX与WRRFs结合有许多潜在的优势，包括：

提高能源和资源利用效率：
PtX可以利用WRRFs处理的污水和沼气作为电解过程的原料，从而实现废物资源的高效利用。
增强WRRFs的能源韧性：
通过集成可再生能源和PtX技术，WRRFs可以实现自主电力供应，降低对外部能源的依赖，提高系统的能源韧性。
提高污水处理性能和效率：
使用PtX产生的纯氧进行曝气，可以显著提高污水处理过程的性能和效率，减少建设和运营成本。
促进跨部门协作和整合：
PtX的应用可以促进水处理和能源系统之间的协作和整合，推动水-能源-纽带的实现。

挑战

尽管将PtX与WRRFs结合有许多优势，但也面临一些挑战和限制，包括：

能源效率问题：
PtX过程的电力消耗较高，如何提高能源效率是一个重要的挑战。
此外，电解过程的效率和成本也会影响PtX的经济可行性。
水框架和能源系统的整合复杂性：
将PtX与WRRFs结合需要协调多个系统和部门之间的合作和整合，这增加了系统的复杂性和管理的难度。
监管和经济挑战：
PtX的应用可能面临一些监管和政策方面的障碍，如氢气的安全性和运输问题。
此外，PtX的经济可行性也需要考虑，包括电解过程的成本、市场需求和潜在的收入来源。

4. 未来前景

随着全球能源系统向可再生能源的快速转型，PtX作为一种重要的技术解决方案，其应用前景广阔。在WRRFs中实施PtX不仅可以提高废水处理过程的性能和效率，还可以为未来能源系统的跨部门协调和整合提供新的机会。

未来，PtX与WRRFs的结合可能会带来以下几个方面的发展方向：

技术创新和优化：
进一步开发和优化PtX技术，以提高其能源效率和经济可行性，包括电解技术的改进和集成可再生能源的应用。
跨部门协作和整合：
加强水处理和能源系统之间的协作和整合，推动水-能源-纽带的实现，包括政策和监管框架的调整和优化。
商业模式和市场发展：
探索和开发PtX与WRRFs结合的新商业模式和市场机会，包括氢气和氧气的生产和利用、资源回收和再利用等。

总之，将PtX与WRRFs结合是一种有前景的解决方案，可以为未来的水资源回收和能源系统带来可持续的机会。尽管面临一些挑战，但通过技术创新、跨部门协作和商业模式的发展，PtX与WRRFs的结合将为未来的可持续发展提供新的动力和可能性。

阅读原文：

Qipeng Liu, Xavier Flores-Alsina, Elham Ramin, Krist V. Gernaey. Making waves: Power-to-X for the Water Resource Recovery Facilities of the future. Water Research 257 (2024) 121691. https://doi.org/10.1016/j.watres.2024.121691

http://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MzI4MDQyODkzNg==&mid=2247486791&idx=1&sn=23299d1f9831f99743558d3378bd280b

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