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城市污水处理厂微藻系统的整合：对能源和排放平衡的影响

摘要：在城市污水处理厂集成微藻系统(MAS)生产生物能源ff具有许多潜在的协同作用。改善的能量平衡为WWTPS整合MAS提供了很强的动力，但是WWTPS保持其屏障功能以保护水资源是至关重要的。基于物质fl对废水中碳(C)、氮(N)和磷(P)的分析，我们对综合MAS的污水处理厂的能量和排放平衡进行了前瞻性分析。这些元素是废水的主要成分，也是藻类生长的关键营养素。本文提出了一种不需外部输入水、化肥或CO的废水资源化工艺设计方案。

生物电的生产，在污水处理厂进行。结果表明，MAS可以在不需要任何外部资源的情况下，显著改善WWTPS的能量平衡。在乐观的假设下，它们可以将污水处理厂转化为净能源生产者。虽然多系统中的C循环大大改善了能源平衡，但它也对effl的质量产生了影响。讨论了非收获生物量对effluent质量的重要性，并强调了在污水处理厂收获effi科学是影响其能量和排放平衡的关键因素。

导言

微藻作为生物能源的一种来源，由于其潜在的高能量产量而引起了经济和科学界的兴趣。但由于上游的负担，微藻类的可持续性在最近的基于生命周期的研究中遭到质疑。将与废水处理相结合常常被推荐用于提高可持续性。将MAS与废水处理相结合的想法可以追溯到20世纪50年代，并且具有许多潜在的协同作用。理论上藻类生长的所需所有资源都可以在WWTPS获得。废水提供了丰富的宏观和微观的营养物质，二氧化碳可以在现场从烟气中提供。另一个协同作用是（部分）废水处理的能量抵消，因为藻类在生长过程中会从废水中除去营养物质。收获的生物量可用于生产生物燃料、或通过干生物物质直接燃烧发电。尽管有这些潜在的协同作用，但只介绍了几个主要位于美国和新西兰的MAS处理废水试点项目。确认了这一概念的可行性。

今天，随着化石资源的枯竭和气候变化，WWTPS正在寻找改善能源平衡的方法。在改善能源平衡的同时，保护水资源和水生态系统不受富营养化和人为污染物的影响，是WWTPS保持其屏障功能的关键。

我们在WWTP和带有MAS的WWTP中对元素碳(C)、氮(N)和磷(P)进行了前瞻性物质流动分析，并对能量流动进行了分析，以表明 对能源和排放平衡的影响。 氯化萘是废水的主要成分，是藻类生长的关键营养物质。 我们提出了一个完全依赖来自 水，没有外部输入的水，肥料，或二氧化碳。 整个藻类工艺链，从栽培到生产生物电，都是在现场进行的。

材料和方法

系统描述及物质流动分析(S FA)。

作为一个例子，我们选择了一个WWTP维度2万人口等价物(p.e.)。 图1显示了系统用于分析的边界。 他们进去了废水和污泥处理，包括现场沼气使用（水和污泥途径）。 为WWTP集成MAS，系统边界还包括程序 步骤收获生物量（藻类 途径)。

污水处理厂和带有MAS的污水处理厂接受相同的输入：具有典型成分的原水和一个每天负荷为36gC，11gN，2gP和250L的人均用水。在我们的分析中，我们只考虑了来自家庭的废水，没有商业或工业废水。我们通过给水、污泥和藻类途径中的每个处理步骤分配空气、水和污泥的分配因子来量化CNP的流场。在两个系统中，总产出：处理废水中的氯化萘（CNP）、稳定污泥中的CNP和空气排放中的CNP；等于总输入量：进料废水中的CNP。无MAS的污水处理厂（见图1A）适用于机械处理（沉淀），然后是生物处理减少溶解负荷的废水处理有机物和营养物（活性污泥营养素消除）。废水或溶解有机物负荷有机碳（DOC）通常用化学需氧量（COD）参数。我们用了一个因素从C到COD的3（范围2.8-3.2）。

机械污泥（初级污泥）和生物污泥（二级污泥）废水处理产生沼气（厌氧消化）。一级污泥厌氧消化率（55%）高于二级污泥（35%）产生更多的沼气和更少的稳定污泥每公斤的沼气被用来发电现场加热。AD后，稳定污泥脱水成固体30%的含量和富含营养的污泥水被回收到BWT级（背压）。背负的负荷相当于总负荷，特别是N，因此到BWT的能量强度。污泥水中的营养物质有助于产生二级污泥将AD和由此产生的污泥水再次循环到BWT等。这些背载循环在我们的模型中计算直到恢复率大于99%（输出与输入）（三个周期）。完整的库存、计算和模型结果可在支持信息中找到。图1B显示了带有集成微藻的污水处理厂系统（MAS）。在开放的赛道池塘中进行种植如先前研究所述，供应二氧化碳（高比率藻类积水）。二氧化碳被输送到栽培系统污水处理厂来源：沼气燃烧气体基于热电联产和BWT的气体排放。对于二氧化碳供应，我们区分三种情况。第一种情况（“藻类“光”）利用60%的可用二氧化碳进行藻类培养，代表白天使用的二氧化碳，只有很小的储存量能力。

其他两种情况：“藻类培养基”（80%可利用的二氧化碳）和“满藻”（100%可利用的二氧化碳）开采在夜间，当藻类没有需要二氧化碳。这些情景需要二氧化碳的储存能力除捕获和供应基础设施外。在所有情况下，污泥水都被完全转移到MAS提供营养。额外的营养由一级处理废水（PTW）。根据充分利用二氧化碳所需的营养不同的场景，不按需要量。我们假设MAS的任何额外需水量取决于沉淀、蒸发和水力滞留时间（HRT）是通过收获后的循环水来满足的。我们采用18克/平方米的面积生产率。利用污泥水的藻类试验系统的植被季节

作为生长培养基。 对于收获效率，我们假设88%。文献范围内的收获效率值沉降锥的65-83%，取决于地下连续流澄清池的20%至95%絮体。我们在我们的参数分析中包括收获效率变化。

养分吸收效率是污水处理厂的MAS：它们通过给定可利用的营养物质的数量，以及出水的质量。必须区分总养分吸收效率和收获的生物量。我们假设营养素总生物量对N22和80%的吸收效率分别为75%和80%对于P.26和88%的收获效率，收获生物量对氮的吸收效率为66%和70%的磷。未收获的生物量留在MAS的污水。C以两种方式供应：通过燃烧气体和溶解有机碳（DOC）通过生长培养基（污泥水与一级处理混合废水）。对于来自二氧化碳的碳，我们假设总生物量为75，收获生物量为66%。因此，作为二氧化碳供应的碳的9%被并入未收获的生物量和剩余物。

生长培养基中的DOC可直接用于藻类在混合营养生长期间。文档也可以转换为藻类吸收前的二氧化碳：通过光合作用期间的自由氧释放或伴随的异养微生物构建同营养群落。19异养生物量占总生物量的15%-55%，具体取决于HRT，在一个使用污泥水作为生长培养基。22我们假设生化过程：混合营养、自养和异养代谢；生物量包含50%的C作为生长介质中的DOC，43%作为二氧化碳。夜间释放的空气排放量（来自异养和自养）和白天未使用的二氧化碳。在结果，废水中含有7%的未代谢DOC 6%加入未收获的生物量中。我们假设MAS中自由DOC的消除效率与BWT相同（93%），尽管心率比要长得多。在我们的模型中，我们包括燃烧气体中二氧化碳和DOC的碳吸收但不包括环境空气对藻类生物量的影响。我们将吸收效率包括在我们对参数变化的分析。

生物量的化学计量组成（红场比例），我们在质量基础上使用36.7%C、6.1%N和0.81%P（参考文献18根据参考文献16和27报告）。组合化学计量成分和报告的吸收效率根据SFA结果，通过燃烧气体和生长介质，我们计算出在不同情况下产生的生物量。

收获的生物量与污泥共消化产生沼气。我们假设收获生物量的厌氧消化率作为70%的共基质，19%比原基质高污泥（55%）和二级污泥（32%）。含0.5g C/L沼气和典型的甲烷含量为65%，28这等于569升每公斤挥发性悬浮固体（VSS）的沼气厌氧消化或370L CH4/kg VSS。我们包括厌氧消化率在我们的参数变化分析。

沼气用于热电联产地点。燃烧气体循环至MAS作为CO2供应：100%全量，80%中量，60%轻量脚本。根据报告了吸收效率，并再次喂给AD生产沼气，然后是来自热电联产等的模拟燃烧气体，AD产生的污泥水中的营养物质循环到藻类系统中部分并入生物量并再次喂养给AD，其中营养物质被转移到污泥水（或沼气）根据报告的分区系数等，这些背载在我们的模型中计算循环，直到回收率gt;99%（输出与输入）达到（六个周期）。

能量平衡 能源平衡的需求侧包括水和污泥通道的能耗。基于基准研究，Haberkern等人编写，28考虑规模等级的污水处理厂的典型能源需求在德国是55kwhel/p·yr。水路消耗70%的能量，特别是在BWT公司。20%消耗在污泥通道中，特别是蒸煮脱水操作，10%用于其他用途。BWT的能源需求主要取决于污水处理，CNP接收负荷和C/N比率。污泥水中的反负荷对能源需求。相比之下，28 P负荷的影响要小得多能源需求除非需要进行后处理以满足限值因为P消除不需要能量密集型充气MAS的整合改变了水通道的负荷率，因为污泥水和一小部分一级处理废水。除了减少体积和负荷，富氮污泥水的分流也有利于改变B中C/N比率。

与BWT相比，N负荷的减少以不含藻类（in%）的污水处理厂为代表在我们的模型中的耗电量。而能量水路需求减少，附加负荷增加污泥通道的能量需求。在这里，我们使用C负荷至AD（与无藻类的污水处理厂相比，以百分比计）代理。对于藻类的培养和收获，我们假设能量70 kWhel/ha·d.5能源需求占二氧化碳供应、养分供应、混合、收获和供水收获后回收。我们包括了MAS的能源需求参数分析中的面生产率变化。

在供应方面，我们将SFA结果用于沼气生产计算发电量。我们假设65%的甲烷沼气含量，低热值6.5kWh/m3，和35%的电效率。28 AD运行所需的热量完全由现场热电联产提供，没有外部需求。

排放平衡 对于排放平衡，我们计算（1）COD、全氮和全磷的排放负荷和浓度以及相应的消除率；（2）总金额产生的稳定污泥；以及（3）现场二氧化碳排放。废水浓度受COD限值的限制，总氮和总磷。对于废水负荷和浓度，我们考虑游离营养素和未收获的营养素生物量。产生的稳定污泥量是污水处理厂的一个重要运行参数，作为传输而且处理会造成相当大的成本。进一步处理稳定污泥不在目前的系统范围内学习。现场排放的二氧化碳来自生物工艺（BWT）和沼气燃烧。这些现场排放被视为废水中的C类可再生物质主要来源于新陈代谢的食物，而不是化石来源。29,30我们使用现场二氧化碳排放量来计算二氧化碳利用废水资源生产生物电的强度。其他温室气体（GHG）的现场排放，如因为甲烷（CH4）或氮氧化物（NOx）不包括在由于污水处理厂和MAS。

结果和讨论

我们提出了三种在污水处理厂集成MAS的方案（表1）。“藻类灯”方案使用污水处理厂白天产生的二氧化碳（占可用二氧化碳总量的60%）。完全利用提供的二氧化碳，营养丰富的污泥水加上11%一级处理废水（PTW）需要提供充足的氮和磷，营养限制藻类的需求和吸收效率，以及通过燃烧气体和污泥水进行养分循环的速率（背负），每天收获30g生物量污水处理厂服务人员。具有18克/平方米·收获效率为88%，这需要1.7种植面积m2。收获生物量的共消化与污水处理厂相比，沼气产量增加61%没有MAS。“藻类培养基”方案使用总二氧化碳的80%可用。它需要二氧化碳的储存能力直接供给藻类系统（在没有灯光的夜晚）。二氧化碳越多生物量可以生产，需要更多的面积，以及更多N和P。32%的PTW用于加入污泥水，产生57g/p·d的生物量。与面积生产力不变，所需种植面积扩大到3.2平方米/p、 共消化使沼气产量增加一倍以上与没有MAS的污水处理厂相比。“满藻”情景充分利用现场产生的二氧化碳，因此需要大量夜间存储容量。

这里，57%的许可证加在一起污泥水供给至5.7 m2/充分利用MAS的p现场提供的二氧化碳。90 g/p·d的生物量收获和沼气产量几乎是没有MAS的污水处理厂。MAS的集成改变了BWT和AD的加载速率。由于背负负荷，BWT步骤接收110%的进水N来自污水处理厂的污泥水，不含MAS。重新路由污泥水和部分PTW至MAS大大降低了BWT的负荷。N负荷的减少大于体积减少量（26-44-64%在N负荷下，体积减少11-32-57%，作为污泥水体积小，但氮含量高。BWT步骤中的碳氮比变得更加有利，从2.4改为2.6MAS的集成（基于mass基础）。随着BWT负荷的降低，二次污泥减少产生。

二级污泥厌氧消化率较低产生的沼气和稳定的污泥比从MAS收获的生物量。二次污泥减量有助于沼气相对较高的增长产量（增长65-115-183%）相比将C加载到AD（35minus;65minus;103%）。这表示利用MAS有效利用污水处理厂的消化池容量。负荷率的变化引起能源需求的变化不同的处理步骤：减少体积和负荷当附加负荷增加时，BWT的能量需求AD的能源需求。我们用N负荷减少到BWT以及作为这些处理步骤的用电。图2显示了能量无MAS和有MAS的污水处理厂每人余额食用和生长季节。在需求方面整合后污水处理厂用电适度增长MAS：BWT结余节省增加污泥和藻类途径的消耗。

在供应方面，MAS生物量的共消化大大增加了沼气发电量。这个超过了从二级污泥。四种情况下，一级污泥的贡献都是稳定的场景，因为废水在一级处理后重新路由到MAS治疗。总的来说，污水处理厂的净能量平衡得到改善年二氧化碳开采量增加41-71-102%马斯。与其他能源系统相比，能源回收率关于投资（EROI）是一个有用的措施。对于MAS，称重共消化产生的能量和BWT（能量输出）与生物量种植、收获和加工（AD）和二级污泥产生的能量减少（能量输入），给出2.1-2.4的EROI。每度电由于MAS集成而消耗的电量超过2 kWh发电。看看整个污水处理厂是0.38，没有MAS。当厄洛伊低于1时，更多的电是消耗多于生成。MAS的集成度提高了污水处理厂的EROI为0.62（光照），0.8（介质）在整个场景中是1.01。充分利用二氧化碳在植被生长季节，污水处理厂可以保持能量中性。

每年，能量平衡取决于植被季节的长度（图3），等于最低气温高于每年的天数5°C，最高温度低于35°C。31但污水处理厂的MAS介质温度较高约为15-20°C

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