多管齊下提高能量自給率 - 德國Grüneck污水廠5年案例研究
能量自給是許多污水廠管理者為之奮斗的目標，曝氣升級和協同消化是提高污水處理廠能源自給率的常用策略。然而關于這方面的實踐研究，并有同行評審的文獻案例其實相當有限，對這些策略在實際污水廠的有效性的量化分析就更加少了。無論采用什么策略方法，決策者都應該先要了解這些方法對污水廠的潛在影響，并在產能最大化和工藝故障最小化之間找到平衡。特別是協同消化，要知道工藝的限制因素，例如新增氨氮的回流以及新增污泥的處理。德國慕尼黑工業大學、澳洲昆士蘭大學和德國一家污水廠合作，對該污水廠的節能降耗策略進行為期5年的評估（2013-2017），目的是對曝氣系統升級和餐廚垃圾的協同消化對的有效性以及對污水廠的影響進行量化分析。
Gruneck污水廠鳥瞰圖 | 圖源：abwasserzv.de
背景介紹
圖1.根據2016的物料平衡和能量平衡分析制作的Gruneck污水廠工藝流程圖
在這5年研究里，Grüneck 污水廠主要有三大變動：
引進餐廚垃圾協同消化
升級曝氣風機
首先是2014年5月開始協同消化，原料來自污水廠東部城市Oberding的一間集中式餐廚垃圾處理廠。每周進料52t（約0.24 kgVS/m 3 /d），每噸成本為€3，所以年成本約為€6000。
然后是2014年9月對風機系統進行升級，將原來的HT渦輪葉輪鼓風機改為Aerzen旋轉葉式鼓風機。原設備建于1987年，維護費用很高。但曝氣系統其它組成沒有進行升級，例如他們的曝氣池原來就已經采用微孔曝氣器。
2015年11月，為了降低污泥運輸成本，他們安裝了一臺太陽能的污泥干燥設備來進一步降低脫水污泥的含水率。設備由Dünser-Aigner-Kollegen設計，供應商為Thermo System。該設備的年處理能力為1887噸，將污泥含固率（TS）從23%升至50-62%。每年運行天數240天（氣溫低于10°C的時候就暫停運作）。
財務數據由污水廠運行人員提供，風機升級的節省成本是根據2016年的電價和曝氣能耗節省量來計算的。太陽能干燥器的節省成本是基于當地運輸和焚燒成本計算的。協同消化的節省成本是用節省電耗減去餐廚垃圾的運輸成本計算得到（2016年）。
結果與討論
1. 能耗概況
研究期間的結果顯示，Grüneck污水廠的單位能耗為0.64±0.08kWh/m 3 ，高于德國的平均水平（0.40–0.43kWh/m 3 ），也高于歐洲平均水平（0.40–0.53 kWh/m 3 ）。
下圖2是該污水廠各細分單元的單位能耗情況。風機升級后的曝氣單位能耗從0.20 kWh/m 3 降至0.17 kWh /m 3 （減少16%），這和供應商承諾的改善情況接近。作者認為Grüneck污水廠的高能耗來自預處理和泵，以及深度處理的沙濾和紫外消毒等工藝。
圖2. 2013-2017年間Grüneck污水廠各處理單元的運行能耗
2. 能耗改善變化
總的來說，Grüneck污水廠的能源自給率從64%升至88%，增幅24%，其中風機升級貢獻8%，協同消化貢獻16%。下圖3a是污水廠處理1噸污水的產能和能耗情況，其中彩色堆積區域是各單元耗能情況，黑色虛線是只有污泥的產能貢獻，而黑色實線是加上了餐廚垃圾的產能情況。
圖3a. Grüneck污水廠的耗能和產能的能量平衡分析
圖3b.Grüneck污水廠能源自給解析：協同消化（深綠色區域）的貢獻和曝氣升級（陰影區域）的貢獻對比
3. 協同消化的影響
此前污泥消化的有機負荷(OLR) 1.08kg vs /m³/d，HRT為32±5天。引入餐廚協同消化后的增量為0.24±0.06kg vs /m³/d。Grüneck污水廠采用協同消化后VS的平均去除率也從64%升至68%，這說明新增進料高度可降解，并可因此將HRT降至約27天。VFA揮發性有機酸濃度和pH變化不大，說明污水污泥的堿度有足夠緩沖度。
引入餐廚垃圾幫助污水廠的甲烷產量從 1431m³/d（2013）升至 1898m³/d（2016），增幅達25%，但作者也指出幾點需要注意的地方：
在規劃期間要確保有足夠的沼氣存儲空間
餐廚垃圾的成分會有季節性變化，這可能會沼氣的甲烷含量的波動。
沼渣的脫水性能略有下降（從25%降至23%），這可能跟協同消化或者剩余污泥比率增加有關。
餐廚垃圾含有無機雜質。2017年，研究團隊從消化罐里移除大量高纖維質固體，這不是該污水廠的常規操作，是近20年來的首次清理。根據他們的估算，污水廠每天累計的無機雜質約為50kg。
太陽能干燥設備是污水廠應對新增的污泥并減少污泥處置成本的措施。如下圖所示，自2014年起，污泥處置量減幅約30%，從每年4187噸降至2946噸。
圖4.Grüneck污水廠2013-2017的污泥產量和處置量
4. 運行影響
總的來說，這三大改變沒有對污水廠運行造成影響，污水廠的BOD和氨氮去除率分別維持在99%和81.3%的水平，出水的氮磷濃度也滿足當地標準。沼渣脫水后的濃縮液回流至主流處理線，回流氨氮負荷從原來的39噸/年升至42噸/年。但這增幅其實不顯著，因此不需要新增用于反硝化的外加碳源。主要原因還是因為目前餐廚垃圾的負荷率其實不高，但如果像奧地利Strass污水廠那樣，OLR的增幅超過25%的話，就需要在管理策略進行調整來應對回流氨氮。
下圖5是三個升級措施的OPEX利益分析，結果顯示，風機升級單位節省成本€0.80/PE/年；雖然餐廚垃圾每年運輸成本€6000，但自身產電可節省成本€1.55/PE/年，因而凈減量€1.47/PE/年；太陽能干燥設備節省的單位運輸成本為€0.90/PE/年。這也印證了協同消化帶來的好處完全可以抵消其對工藝的影響。
圖5.Grüneck污水廠的協同消化、風機升級和太陽能干化的優劣分析：橫坐標表示年度運營成本OPEX的單位節省量(€/PE/a)。縱坐標表示了三種策略的實際單位節能情況(kWh/PE/a)
風機升級、協同消化和太陽能干化的資本投資分別為50000、150000和2000000歐元，根據上邊的OPEX分析，前兩者的投資回報時間分別只需10和17個月。但是太陽能干化的投資回收期將長達30年。
最后他們將協同消化和太陽能干化的能耗作進一步延伸分析，結果如下圖6所示，與直接焚燒相比，厭氧消化是能耗更高效的處理食品廢物的策略。另外，太陽能干化除了節省運輸成本，也節省了污泥焚燒時候浪費的熱能。
圖6.在廣義處理系統環境中的餐廚協同消化和太陽能干化的利弊分析
小結
這篇報告通過對一個污水廠長達5年的跟蹤研究，顯示了通過多管齊下的方式，污水處理廠有顯著的潛力實現能源自給，自給率也由64%提高到了88%，更重要的是，它為其他污水廠的管理提供了很具體的參考信息，特別是在方法的選擇組合上，管理者應當考慮與每項方法相關的能源價格、運輸距離、污泥處理以及對工藝運行的影響這些因地點而異的變量因素。
圖7. Gruneck污水廠能耗優化結果
參考資料
Successful strategies for increasing energy self-sufficiency at Grüneck wastewater treatment plant in Germany by food waste co-digestion and improved aeration, Applied Energy, 242 (2019) 797–808.
https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2019.03.126
