啤酒废液成优质碳源

  走进青岛水务团岛污水处理厂,一派绿意盎然,闻不到一丝臭气,颠覆了人们对污水处理厂的刻板印象。

  “其实,这里不仅环境美,内核也美。”青岛水务集团环境能源有限公司总经理刘浩风趣地说。多年来,为了拧紧污水处理行业的减碳“阀门”,青岛通过不停地改进革新,逐渐摸索出了一套“青岛方案”。

  “老魏,今天的啤酒废液到了!”话音刚落,青岛水务首创瑞海水务有限公司运行车间值班长魏昆熟练地帮对方将管道接到满载啤酒生产废水的罐车上。

  啤酒生产废水为啥不入管网,还得用车辆拉到废水厂?说起这事儿,魏昆就乐,“这可是好东西,是我们专门找来给微生物‘加餐’的”。

  原来,污水处理厂的核心工艺,是利用微生物“吃掉”污染物。在微生物去除污染物过程中,需要摄入的含碳有机物被统称为“碳源”。如果进水有机物浓度太低,微生物就会吃不“饱”,连带影响氮、磷的去除效果。为维持微生物的活性,污水处理厂需要外购工业乙酸钠等有机物作为碳源,保障脱氮除磷效果。

  “过去我们都是外购碳源,费用比较高,而啤酒生产的废水富含有机物,对微生物来讲就是食品级的优质碳源。”青岛水务首创瑞海水务有限公司副总经理黄青打了个生动的比方,“微生物吃工业乙酸类传统碳源,就像生吃面粉,而啤酒热凝固物里富有丰富的易发酵无毒的食品级有机质,就像大蛋糕。这伙食一改善,微生物干起活来自然更卖力,脱氮速率相比传统碳源提高了30%以上。重要的是,这‘大蛋糕’还是免费的。”

  虽然“蛋糕”免费,但怎么让微生物吃上,还颇费了一番功夫。“啤酒热凝固物温度高、杂质多、黏稠、易沉降,特别容易堵泵。”黄青说,为解决这一个问题,他们专门研发了耐高温防沉淀啤酒热凝固物高效分离收集专利技术及装备、反硝化生物碳源投加量的计算模型和自动投加装备。“有了技术和装备,不仅解决了难题,还使污水处理脱氮成本下降了73.26%。”

  按照《啤酒工业污染物排放标准》,啤酒生产废水一定要通过预处理才能排入城市污水处理厂,而酒厂生产废水每年进行预处理需要投入大量资金。在和污水处理厂签署协议后,他们只需将啤酒废液的热凝固物分离出来,便可将剩余污水直排污水管网。这样一来,不仅省了人工费、电费、药剂费、设备维护费,连污水处理的场地也省了。

  目前,青岛这套啤酒废液变“碳源”的做法已在全国27家啤酒厂和市政污水处理厂进行了推广。从2020年至2022年,共计节省本金6236.3万元,减排二氧化碳4.2万吨。

  “与‘换粮’不同,我们是给微生物‘断粮’。”青岛水务双元水务有限公司安生部部长曲勇说,2019年他们在进行工艺调整时偶然发现在少碳源、微碳源投加状态下,也能保证出水氮、磷含量达标。这一发现让他们兴奋的同时也陷入了沉思,“怎么样才可以让偶然性变常规性呢”?

  为了能够人为“断粮”,他们把污泥浓度、溶解氧、活性发酵初沉系统、外回流、剩余污泥回流集中起来测试。为了不影响污水处理,曲勇和同事们凌晨3点就对水样数据来进行化验。在实验中,他们发现在低溶氧高污泥浓度的情况下,存在微生物硝化反应与反硝化反应同步进行的状态,但条件是必须维持外部环境。

  对此,双元水务联合青岛大学对工艺参数进行了百余次调整,对比了近4000个水样,分析近9000个工艺数据,最后将初沉系统设计成发酵系统,才使微生物有了相对来说比较稳定的局部微氧环境。

  “这一改变直接提高了微生物菌群的丰度与活性,彻底实现了不外加碳源也能使出水水质达标。”曲勇自豪地说,自2022年起,他们将5个生物池全部使用无碳源投加水质达标技术后,每年可节约碳源费用1000余万元,减排二氧化碳5076吨,平均每吨水的处理成本达到了全国同类型污水厂领先水平。

  要想使污水里微生物和有机物达到最高程度接触,就要一直向污水中供氧,其中曝气供氧过程中,鼓风机的能耗占比很大,约占整个污水处理厂能耗的一半。“传统的曝气方式主要是工人凭经验手动控制,如果曝气量不足,就会导致工艺运行恶化,出水水质排放超标;若曝气量过多,则会导致高能耗,造成运行成本增加,进而增加碳排放量。”青岛水务集团环境能源有限公司运维管理中心刘珍明说。

  如何才能在满足微生物增长及分解有机污染物所必需氧气的前提下,最大限度降低曝气量呢?

  为解决这一问题,青岛水务决定为污水处理厂安上“智慧大脑”。2021年青岛水务集团张村河水质净化厂率先通过自主改造,建立起一套信号反馈控制模型,优化了鼓风机的控制,在满足硝化反应完成和剩余碳有机物去除的情况下,实现了按需供气。

  “鼓风机是大型设备,风量忽高忽低会影响正常使用寿命。实现智慧化后,它可以在安全区内智能调整风量,在使用电量达到最小的同时保障微生物的需氧量。”青岛水务集团环境能源有限公司安生部部长荆玉姝说,2021年仅在曝气鼓风机电量一项上,张村河厂的用电量就降低了49.1万千瓦时,碳排放减少了462吨。

  除了“智慧”曝气,“智慧大脑”还让污水处理厂实现了“智慧”加药、“智慧”巡检、“智慧”消防。

  李村河污水处理厂运行值班长韩永良主要负责污水处理运行调试工作。自从厂里安装上“智慧大脑”后,他的工作一下子变得轻松起来。“以前每巡检到一个工艺段,我都需要拿纸记录,现在只要将巡检手机在巡视牌那‘贴一贴’,就能够实现重要数据、设备故障的上传,巡检系统覆盖面和信息量比之前提高了30%。”

  “现在,我们根据生物池里的总氮、总磷、水量、水质等数据,通过算法建立了一套自动决策系统,实现了‘智慧’加药,不仅降低了人工干预度,减轻了工作量,还提高了工艺调控保障率和准确性。”刘珍明说,自从李村河污水处理厂实现“智慧”加药后,节约药剂达3933吨,碳排放减少了3753吨。

  减少碳排放,除了从源头拧紧节能降耗阀门外,还要从回收再利用下手,通过产业体系调整和技术创新激活节能降碳内生动力。

  “这4个是消化池,那个像啤酒桶一样的是沼气罐。”青岛水务团岛污水处理厂副厂长吴涛指着眼前几个敦实高耸的大罐子介绍道,团岛污水大部分是生活垃圾污水,里面有机物含量在60%-65%左右,很适合沼气发电,而这几个大罐子正是负责将初沉污泥和剩余污泥浓缩后进行中温厌氧消化获取沼气的有力工具。

  “从1996年建厂起,我们就采用了污泥稳定减量的同时获取高热值沼气技术。”吴涛说,现在他们厂的沼气产量已达到了173.37万立方米,碳减排量达到了19515吨/年。

  另外,团岛污水处理厂在2012年还启动了沼气发电项目。通过技改,在获取沼气的同时,将发电余热通过余热锅炉引入污泥热交换系统,为消化污泥加热,减少了沼气锅炉运行时间。每年5月至11月,沼气发电的余热基本能满足污泥消化需要。截至2022年,该项目年均发电275.84万千瓦时,相当于节约标煤388吨,节约电费180余万元,减少碳排放170吨。

  采访中,见记者好奇于消化池一端连接着的粗管子,吴涛连忙解释,“这是个‘哈酒口’。啤酒热凝固物不仅能做碳源,还能增加沼气量,自从污泥‘哈’上了啤酒废液,沼气产量比年度预算提高了11.69%,碳排放量减少了11960吨”。

  青岛还通过技术创新和实践应用,推动了污水再生利用。从2002年起,陆续将再生水应用于河道补水、工业冷却、道路冲洗等城市非饮用水领域,截至2022年年底,中水回用量累计超过5亿吨。

  受益于再生水生态补水举措,昔日臭气熏天的李村河完成了华丽逆转,水质由原来的劣V类水提高到了地表Ⅲ类水标准。

  为拓展再生水的应用限制范围,进一步挖掘再生水潜能,青岛水务又将目光投向了水源热泵领域。青岛水务海湾中水有限公司副总经理刘莉和记者说,目前中水公司管理使用85.5公里中水管道,为水源热泵用户累计供水1.05亿吨,供热面积达到了156万平方米,与燃煤供暖相比,利用中水回用的水源热泵供暖可节省标煤5.3万吨,节约电量约4.31亿千瓦时,减少碳排放14.1万吨。

  炎炎夏日,走进金茂湾购物中心,一抹抹清凉让人倍感舒爽。“这里是利用了从水源热泵提取的再生水中的潜在能量实现制冷的。”青岛蓝海恒元新能源有限公司项目经理闫瑞超介绍,在夏天时,他们采用风机盘管方式,将室内的热量“提取”出来,释放到污水当中,以此来降低室温,达到制冷的效果;在冬天时,又把存于中水中的低位热能“榨取”出来,为用户供热。

  “相比燃气、电,采用中水回用的水源热泵来制冷制热要便宜很多。”刘莉说,下一步,他们将不再单纯为水源热泵用户供水,而是以建立能源站的方式,直接为其供能,并逐渐实现产业化。

  对于未来的规划,刘浩则表示,他们制定了3年达标行动,以3年后下降电耗8%-10%、下降药单耗10%-15%等低碳运行的方式,来提高污水处理厂的能量自持比例,逐步从资源消耗型向资源供给型转变。(经济日报记者 刘 成)