污水處理廠節(jié)能減碳路徑分析及措施探討

鄧耀棠 中國電建集團(tuán)中南勘測設(shè)計研究院有限公司佛山分公司

在污水處理的行業(yè)中，因為污水含有大量有機(jī)物、含氮化合物和有害物質(zhì)，使得污水處理過程中會產(chǎn)生大量的直接碳排放和間接碳排放。直接碳排放是指在污水處理流程中，直接產(chǎn)生CO2、CH4和N2O 并進(jìn)入大氣。間接碳排放是指電耗、能耗、藥耗所引起的碳排放，主要是CO2排放。其中污水、污泥處理單元產(chǎn)生的直接碳排放量約占35%～65%，并與進(jìn)水水質(zhì)條件、運(yùn)行工藝水平等因素息息相關(guān)。

因此本文針對污水處理廠中的處理流程從行動策略角度分析其減碳路徑，探討對應(yīng)的減碳措施，期望能在節(jié)能降耗的基礎(chǔ)上減少碳排放，既能提高污水處理廠的經(jīng)濟(jì)效益，又可以助力污水處理廠“低碳”目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，為后續(xù)污水處理廠提供依據(jù)和參考。

1 污水處理廠處理中的節(jié)能減碳路徑分析

污水進(jìn)入污水處理廠后，經(jīng)過不同的處理單元，所產(chǎn)生的直接碳排放氣體有所區(qū)別，其主要處理流程及碳排放氣體種類如圖1 所示。

圖1 污水處理廠主要處理流程及其碳排放氣體

其中，CO2主要在生物處理單元及污泥處理單元中產(chǎn)生；CH4在所有處理流程中均有產(chǎn)生N2O 主要產(chǎn)生自活性污泥單元，方式為硝化及反硝化。三種氣體所產(chǎn)生的量與進(jìn)水水質(zhì)、處理過程、處理工藝均息息相關(guān)。

1.1 源頭控制

通過降低進(jìn)入污水管渠設(shè)施和污水處理廠的污水量和污染物總量可以有效的減少污水處理所需消耗和直接碳排放量，可采取雨污分流、源分離技術(shù)、污水管渠斷面、坡度優(yōu)化降低死區(qū)厭氧環(huán)境等方式。

根據(jù)具體地區(qū)，因地制宜的制定當(dāng)?shù)氐奈鬯幚砼欧艠?biāo)準(zhǔn)，充分發(fā)揮水體的自凈能力，當(dāng)收納水體水質(zhì)好時，可適當(dāng)降低出水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)收納水體水質(zhì)較差時，則適當(dāng)提高水廠出水標(biāo)準(zhǔn)，可以在不影響水質(zhì)的條件下，避免盲目追求高標(biāo)準(zhǔn)出水水質(zhì)，從而減少電耗和藥耗，實(shí)現(xiàn)碳減排。

通過藥劑投加、斷面優(yōu)化、強(qiáng)制通風(fēng)等措施來盡量減少污水管渠中厭氧環(huán)境和死區(qū)、抑制甲烷菌活性，減少CH4的產(chǎn)生。

1.2 過程優(yōu)化

污水處理廠可更新、升級、優(yōu)化設(shè)備和控制，提升設(shè)備的使用效率，減少電量消耗，包括使用變頻水泵、高效曝氣泵、微氣泡曝氣頭，并提高曝氣前后的反饋能力，優(yōu)化控制技術(shù)，減少運(yùn)行中的損耗，實(shí)現(xiàn)碳減排。

各個污水處理單元在設(shè)計時應(yīng)充分對設(shè)計參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，減少易生成CH4和N2O 環(huán)境，可采取數(shù)學(xué)模型技術(shù)構(gòu)建運(yùn)行條件、污染物去除效率、溫室氣體生成三方關(guān)系式，反饋控制優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)資源精準(zhǔn)利用，節(jié)約能源，實(shí)現(xiàn)碳減排。

在污泥處理單元中，應(yīng)盡量減少剩余污泥在廠區(qū)內(nèi)堆放時間，及時進(jìn)行處理、處置、減少污泥處理處置量，降低處理和場外運(yùn)輸消耗。

1.3 工藝升級

采用污水處理新技術(shù)降低電力或化學(xué)藥劑消耗或降低CH4和N2O 生成環(huán)境條件和生成排放量，如緊湊型生物處理工藝和高效脫氮工藝，提高處理負(fù)荷。此方法所需周期長、投入大，在國內(nèi)應(yīng)用并不廣泛，但其約可降低50%運(yùn)行電力消耗和碳排放量。

1.4 低碳能源

污水處理廠可通過污泥厭氧消化和水源熱泵技術(shù)，充分利用污水余溫?zé)崮埽ＷC污水系統(tǒng)碳中和實(shí)現(xiàn)，并可對外輸出能量。在污泥處理單元，可提取或轉(zhuǎn)化污水與剩余污泥中蘊(yùn)含的化學(xué)能、熱能等能源，以替代化石能源消耗，如推廣或升級傳統(tǒng)厭氧消化技術(shù)至現(xiàn)金厭氧消化技術(shù)，分別回收污泥中化學(xué)能和污水中熱能，利用廠區(qū)面積收集太陽能和風(fēng)能。

2 污水處理廠中的節(jié)能減碳措施探討

2.1 源頭控制

可采取源分離技術(shù)，將排泄物與一般清潔用水性相分離，進(jìn)行單獨(dú)收集、輸送、處置，從而便于對排泄物中的氮、磷、鉀等營養(yǎng)元素進(jìn)行截留或分離，將其回收利用于農(nóng)業(yè)的持續(xù)生產(chǎn)。同時減少進(jìn)入污水處理廠中的氮、磷總量，間接提高了進(jìn)水中的C/N、C/P 比，等效于額外加碳源、降低污水處理濃度、減少處理能耗及碳排放強(qiáng)度，預(yù)計可減少碳排放量約47～95CO2-eq/（人·a）。

其次，傳統(tǒng)的污水處理本質(zhì)上是將水污染轉(zhuǎn)換為大氣污染的過程，提高出水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)雖可以減少黑臭水體和富營養(yǎng)化，但也加劇了向大氣中排放溫室氣體。因此在制定當(dāng)?shù)匚鬯幚順?biāo)準(zhǔn)時，應(yīng)當(dāng)結(jié)合各類環(huán)境影響綜合評定，確定對環(huán)境最有益的方案，同時還要設(shè)定水質(zhì)監(jiān)管監(jiān)測部門，對水質(zhì)進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測，對應(yīng)不同時期，根據(jù)不同地區(qū)所呈現(xiàn)的不同收納水體水質(zhì)特征及污水特征，對應(yīng)調(diào)整污水出水水質(zhì)要求。

此外，工業(yè)企業(yè)的生產(chǎn)廢水經(jīng)過處理達(dá)標(biāo)后，允許其排放至市政污水管渠，與生活污水一同進(jìn)行后續(xù)的處理，但部分企業(yè)責(zé)任意識淡薄，違規(guī)偷排工業(yè)廢水事件屢見不鮮。而水質(zhì)超標(biāo)的工業(yè)廢水會使得污水中污染物濃度提高，加重污水處理廠的負(fù)擔(dān)，影響污水處理效果，因此應(yīng)加強(qiáng)相關(guān)部門的長期嚴(yán)肅監(jiān)管，實(shí)施強(qiáng)有力的懲治措施。

2.2 施行污水處理自動化控制

現(xiàn)代污水處理廠可通過使用精細(xì)傳感器和控制設(shè)備對實(shí)時信息進(jìn)行精確化采集、傳輸、存儲、處理和服務(wù)，對水廠實(shí)現(xiàn)全面監(jiān)測、科學(xué)決策、自動控制、及時響應(yīng)，達(dá)成污水處理高效、穩(wěn)定運(yùn)行。

施行自動化控制的核心是模型的建立，在數(shù)字模擬工具輔助下，可指導(dǎo)污水廠的運(yùn)行管理，實(shí)現(xiàn)曝氣與回流的精準(zhǔn)控制，避免各類藥劑的過量投加，大幅度節(jié)約運(yùn)行能源和電力消耗，減少間接碳排放量。

污水處理廠中的曝氣是高耗能單元，占據(jù)污水處理廠運(yùn)行總耗能的50%以上。在曝氣過程中若曝氣不足，則會影響生化反應(yīng)，影響出水水質(zhì)，若曝氣量過高，又會導(dǎo)致高能耗和高碳排放量。應(yīng)用在線監(jiān)測儀表，輔以數(shù)字模擬技術(shù)計算，可以精準(zhǔn)調(diào)控鼓風(fēng)機(jī)的壓力、曝氣量，使氣水比達(dá)到理論最佳狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)按需供氣，精準(zhǔn)供氣，降低運(yùn)維中機(jī)械磨損及能量消耗。如前饋/控制/反饋/控制模式，在曝氣池進(jìn)水前端和末端分別安裝監(jiān)測儀表，感知污水中的DO、NH、COD、水溫等水質(zhì)參數(shù)，利用生物模型等數(shù)字工具進(jìn)行模擬計算，得出理論最佳曝氣量并自動控制調(diào)節(jié)鼓風(fēng)設(shè)備。該方法精確度較高，但較依賴監(jiān)測儀表的感知精度。若儀表發(fā)生異常，則將嚴(yán)重影響曝氣池的處理效果。

其次，在污水處理廠的長期運(yùn)行中，水泵長期運(yùn)行會導(dǎo)致部件磨損或損壞，使得水泵的效率逐漸下降與損失，其原因包括機(jī)械磨損，如被泥沙磨損、腐蝕性物質(zhì)腐蝕等；水泵長期不在額定狀態(tài)運(yùn)行，對水泵流量、壓力管理不當(dāng)?shù)?。為提高水泵運(yùn)行效率，降低其運(yùn)行能耗，可從設(shè)備維護(hù)與運(yùn)行模式兩方面入手。設(shè)備維護(hù)指對水泵的部件或整體進(jìn)行維修與更換。例如，更換磨損的葉片，清除管道與水泵內(nèi)沉積的固體。這需要加強(qiáng)污水處理廠內(nèi)部管理制度，對廠區(qū)內(nèi)設(shè)備進(jìn)行長期積極的管理，保持最佳設(shè)備狀態(tài)。運(yùn)行模式優(yōu)化則指調(diào)整、優(yōu)化水泵運(yùn)行狀態(tài)、時段等，達(dá)到充分利用水泵效率的目的。在污水處理廠中，僅少數(shù)水泵正常運(yùn)行，而大多數(shù)水泵低效或無效運(yùn)行的現(xiàn)象時有發(fā)生。由此導(dǎo)致大量能量被無效消耗，由此造成額外的溫室氣體排放。應(yīng)制定合理的泵房運(yùn)行模式，選擇恰當(dāng)規(guī)格型號的水泵，以發(fā)揮水泵的最大運(yùn)行效率，優(yōu)化運(yùn)行能耗與溫室氣體排放。其需要準(zhǔn)確掌握各泵房及水泵的效率數(shù)據(jù)，以長期歷史污水流量、水質(zhì)等指標(biāo)為基礎(chǔ)，選擇與確定最適宜的運(yùn)行模式。對水泵長期監(jiān)測可依靠安裝額外的監(jiān)測設(shè)備，感知流量、能耗、水泵效率等參數(shù)，也可進(jìn)一步安裝管理器自動控制水泵運(yùn)行狀態(tài)。相關(guān)研究表明，雖然安裝這些設(shè)備需耗費(fèi)一定的成本，但很快即可通過水泵提效節(jié)能收回。

2.3 采用緊湊型污水處理工藝

污水處理廠在運(yùn)行過程中，生物反應(yīng)器運(yùn)行需要予以攪拌、曝氣并回流，會消耗大量電能，從而產(chǎn)生的間接碳排放量，約占污水處理廠碳排放總量的18%。因此，通過提高污水處理效率與負(fù)荷，縮小反應(yīng)器體積，則可減少其規(guī)劃建設(shè)中施工及建材消耗產(chǎn)生的碳排放量，以及運(yùn)行維護(hù)中各類機(jī)械運(yùn)行消耗電能、處理消耗藥劑等產(chǎn)生的間接碳排放量。

例如，好氧顆粒污泥(AGS)工藝?yán)昧宋⑸飯F(tuán)聚形成的密實(shí)結(jié)構(gòu)，其密度及生物量較傳統(tǒng)工藝都有明顯提高。由于氧氣擴(kuò)散受限，AGS 內(nèi)部微生物形成了層狀結(jié)構(gòu)。最外層為利用氧氣降解有機(jī)污染物的異養(yǎng)細(xì)菌；中間層為利用氧氣進(jìn)行硝化作用的硝化細(xì)菌；最內(nèi)層為偏好厭/缺氧環(huán)境的反硝化細(xì)菌及聚磷菌。這種多層次的結(jié)構(gòu)使得AGS 可同時同步進(jìn)行COD、氮、磷的同步去除。其反應(yīng)器占地面積通常僅為同規(guī)模污水處理工藝的1/4，整體設(shè)計簡約緊湊。而其運(yùn)行維護(hù)中生化反應(yīng)產(chǎn)生的N2O 水平與傳統(tǒng)污水處理廠相當(dāng)。但其需要的機(jī)械設(shè)備也較少，不需污泥回流泵等設(shè)備，可節(jié)約25%～30%總能耗。工藝過程需求的曝氣量更低，可節(jié)約30%能耗。AGS 工藝總體可減少30%～50%能量消耗，且不需額外投加化學(xué)藥劑。

2.4 使用高效脫氮技術(shù)

傳統(tǒng)污水處理廠中采用的生物脫氮工藝反應(yīng)過程復(fù)雜，需要好氧及缺氧環(huán)境，因而反應(yīng)器容積大，運(yùn)行設(shè)備多，磨損及能耗高。此外，傳統(tǒng)生物脫氮過程還需消耗一定量的有機(jī)碳源。若生活污水有機(jī)物(COD)含量不足時，則可能反而需要污水處理廠額外投加有機(jī)碳源，由此產(chǎn)生額外的碳排放量。因此，采用高效脫氮工藝，縮短脫氮流程，減少反應(yīng)器容積及機(jī)械能耗，節(jié)省藥劑消耗，可以有效降低脫氮過程中產(chǎn)生的間接碳排放量。

例如，短程硝化反硝化工藝?yán)脕喯趸?xì)菌(AOB)與硝化細(xì)菌(NOB)對氧氣親和能力的不同，控制硝化反應(yīng)只進(jìn)行到NO-2 為止，隨后再進(jìn)行反硝化反應(yīng)，因此，可縮短脫氮反應(yīng)流程。由此便可增大反應(yīng)器處理負(fù)荷，縮小反應(yīng)器體積，減少碳排放量，降低對碳源和O2的需求，減少曝氣過程能耗及因電力消耗導(dǎo)致的間接碳排放量。

再如，厭氧氨氧化反應(yīng)(ANAMMOX)是利用相關(guān)微生物的活動，在厭氧環(huán)境中，以NO-2 為電子受體，將NH+4 直接氧化為N2。相比于傳統(tǒng)污水脫氮工藝中將NH+4 氧化至NO-3，再還原至N2般“舍近求遠(yuǎn)”的處理過程，ANAMMOX 反應(yīng)流程要短得多，在不需消耗有機(jī)物(COD)及O2的同時減少了脫氮過程中所需的機(jī)械耗能與磨損，尤其是曝氣過程，其節(jié)省能源可達(dá)60%之多，大幅減少了碳排放量。

2.5 污水資源回收利用

市政污水及剩余污泥中富含多種資源，如磷、大分子有機(jī)物等高附加值產(chǎn)品。經(jīng)過適當(dāng)處理對其進(jìn)行回收并循環(huán)利用，不僅可以產(chǎn)生一定的經(jīng)濟(jì)效益，也可作為相應(yīng)產(chǎn)品的替代品，因而縮短了原產(chǎn)品及其原材料的開采、生產(chǎn)過程，減少了其碳排放總量。

例如，從污水或剩余污泥中回收磷資源。磷是生命必需的重要元素，是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)可缺少的營養(yǎng)成分，但它同時也是一種不可再生資源。由于現(xiàn)代社會對磷粗放式開采與管理，使大量磷最終歸宿沉積于海底。生活污水與剩余污泥中富含豐富的磷資源，采用適當(dāng)手段進(jìn)行回收，并初步加工為低級產(chǎn)品，可替代化石肥料的開采與消耗，間接減少其生產(chǎn)所導(dǎo)致的碳排放量。目前磷回收技術(shù)主要可分為：①液體含磷，如AAO 工藝厭氧池上清液及污泥消化液中，回收率為40%～50%。②固體含磷，如消化污泥或脫水后消化污泥中。③自污泥焚燒灰分中，回收流程可達(dá)90%。

再如，從剩余污泥中回收類藻酸鹽(ALE)產(chǎn)品。目前工業(yè)上藻酸鹽主要來源于大型海藻(海帶)，其提取過程中產(chǎn)生大量工業(yè)廢水，并消耗大量煤炭、酸、堿等化學(xué)品。研究發(fā)現(xiàn)，在常規(guī)的活性污泥工藝中，微生物均可利用污水中的有機(jī)物合成并保持較高含量的類藻酸鹽，其含量可達(dá)10%～35%(污泥干重)。污水合成ALE 技術(shù)可拓寬污泥資源化渠道，促進(jìn)污水處理廠向社會輸出高品質(zhì)產(chǎn)品，間接降低了生產(chǎn)所導(dǎo)致的碳排放量。ALE 易于生物降解，亦可緩解與根治塑料制品導(dǎo)致的垃圾污染，助力社會的可持續(xù)發(fā)展。

3 結(jié)語

污水處理廠屬于高能耗行業(yè)，本文依據(jù)污水處理廠處理流程，分析了污水處理廠中的節(jié)能減碳路徑，從多個角度探討了具體節(jié)能減碳實(shí)施措施，為污水處理廠的實(shí)際運(yùn)行提供了參考，有助于推動污水處理行業(yè)碳減排的發(fā)展。