污水處理廠溫室氣體減排研究

摘 要：溫室氣體排放增加導(dǎo)致的全球變暖對人類社會的影響日益明顯，減少溫室氣體排放、控制氣候變化已達(dá)成全球共識，但目前我國污水處理廠并未充分重視溫室氣體減排問題。本文首先分析了污水處理廠的溫室氣體來源，然后從污水處理工藝的選擇、污泥處理處置工藝的選擇、污水處理廠的總體設(shè)計(jì)這三個(gè)方面來探討溫室氣體減排策略，為污水處理行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展提供一定科學(xué)依據(jù)。

關(guān)鍵詞：污水處理廠；溫室氣體；減排

中圖分類號：X511 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

1 污水處理廠的溫室氣體來源

污水處理廠在運(yùn)行過程中會直接或間接排放溫室氣體。污水收集輸送、污水處理、污泥處理處置過程以及處理水中殘留物降解過程中都會存在溫室氣體的直接排放；污水污泥收集處理過程中消耗的電能、熱能和藥劑造成溫室氣體的間接排放。另外，如果回收利用污水污泥處理處置產(chǎn)生的沼氣，直接排放可以得到部分抵消。污水處理廠排放的溫室氣體主要有CO2、CH4和N2O。其中直接排放的CO2是生物成因，不會導(dǎo)致大氣中CO2含量的凈增長，所以不應(yīng)計(jì)入溫室氣體排放總量。因此本文認(rèn)為污水處理廠的溫室氣體主要是污水污泥收集輸送、處理處置過程中直接排放的CH4、N2O及能源消耗所帶來的CO2的間接排放。

2 污水處理廠溫室氣體減排策略

2.1 污水處理工藝的選擇

不同地方的環(huán)境條件、經(jīng)濟(jì)水平和居民生活習(xí)慣不同，污水水質(zhì)水量、處理要求也會差異較大，因此在選擇污水處理工藝時(shí)必須遵循的原則就是因地制宜。在經(jīng)濟(jì)落后的地區(qū)，可以先采用強(qiáng)化一級污水處理工藝待條件相對成熟后再過渡到二級處理；土地資源豐富時(shí)可選擇利用當(dāng)?shù)氐淖匀坏匦?，如塘溝、洼地等作為污水處理的場地，?yōu)先考慮采用人工濕地、穩(wěn)定塘等生態(tài)處理工藝。

厭氧工藝不需供氧因而消耗的能量少，并可將進(jìn)水有機(jī)物轉(zhuǎn)化為CH4，若回收利用這一能源既能降

低CH4排放量，還可減少化石化石燃料的消耗。當(dāng)進(jìn)水BODu濃度大于300 mg/L時(shí)（見圖1），厭氧生物處理工藝排放的溫室氣體更少，并且減排效果隨著進(jìn)水BODu濃度的增大而越發(fā)顯著。另外，一般厭氧工藝產(chǎn)生的污泥量較少，使其經(jīng)濟(jì)性和環(huán)保性更好。因此，條件適宜時(shí)選用厭氧工藝有利于減少溫室氣體的排放量。

下面以某污水處理廠為例分析污水處理工藝確定的過程。該污水廠進(jìn)水為生活污水和工業(yè)廢水的混合污水，其中工業(yè)廢水所占比例較大。進(jìn)水幾乎不含有重金屬和有毒有害物質(zhì)，但生化可行性較差，氮磷濃度較大，所要求的污水處理程度較高，水量水質(zhì)不夠穩(wěn)定，與大城市相比水量較小。從處理效果來看，A2/O、SBR、氧化溝三個(gè)系列工藝均可滿足要求，但每種工藝均具有一定的優(yōu)點(diǎn)和局限性。進(jìn)行工藝選擇時(shí)，應(yīng)充分考慮技術(shù)的可靠性、先進(jìn)性，同時(shí)要與工程項(xiàng)目污水廠進(jìn)出水水質(zhì)及當(dāng)?shù)刈匀?、?jīng)濟(jì)條件等方面相適應(yīng)。根據(jù)該規(guī)劃污水處理廠進(jìn)水水質(zhì)特點(diǎn)和出水水質(zhì)要求，選擇具有脫氮除磷功能，且經(jīng)濟(jì)、高效、節(jié)能、環(huán)保、科學(xué)的工藝。

氧化溝多為分建式，回流量大，且通常采用機(jī)械曝氣，電耗較大；還會因動態(tài)沉淀影響出水水質(zhì)。而A2/O工藝和SBR系列中的CASS工藝的脫氮除磷效果都比較穩(wěn)定，其次，A2/O工藝成熟可靠、脫氮除磷效果更好、運(yùn)行成本較低，不易發(fā)生污泥膨脹；CASS工藝具有處理流程簡單、節(jié)省投資及占地、抗沖擊負(fù)荷能力強(qiáng)、運(yùn)行穩(wěn)定、技術(shù)先進(jìn)且成熟等特點(diǎn)。因此，根據(jù)本項(xiàng)目的特點(diǎn)，暫排除氧化溝法，而將A2/O工藝和CASS工藝作為備選方案再進(jìn)行比較（見表1）。

兩工藝方案技術(shù)成熟可靠，對水質(zhì)水量有較強(qiáng)的適應(yīng)性，不易發(fā)生污泥膨脹，都能保證出水水質(zhì)穩(wěn)定且能達(dá)到設(shè)計(jì)要求。A2/O工藝方案構(gòu)筑物數(shù)量多，占地多，投資大；CASS工藝流程簡單，無二沉池及污泥回流泵房，布置緊湊，節(jié)省投資、占地及能耗，更適應(yīng)當(dāng)?shù)氐淖匀粭l件。CASS方案自動化控制要求較高，需提高污水廠員工的素質(zhì)，這與社會人類的發(fā)展方向相適應(yīng)。CASS工藝一般產(chǎn)生的污泥較少，更凸顯其在經(jīng)濟(jì)上和溫室氣體減排方面的優(yōu)越性。

綜上所述，并充分考慮到 CASS 工藝的先進(jìn)性、成熟性，且占地少、投資省、易實(shí)現(xiàn)設(shè)備的集成化和自動化，因而更適應(yīng)當(dāng)?shù)刈匀粭l件和未來的發(fā)展，推薦采用水解酸化+CASS法作為本工程的處理工藝。在該工藝的設(shè)計(jì)中，可通過選取最佳工藝運(yùn)行參數(shù)、采用節(jié)能技術(shù)與設(shè)備，最大限度地降低工程造價(jià)、運(yùn)行費(fèi)用及溫室氣體排放量，實(shí)現(xiàn)污水廠工藝方案的整體優(yōu)化。

2.2 污泥處理處置工藝的選擇

不同污泥處理處置工藝的溫室氣體排放量和減排程度比較見表2。由表2可以看出，在各種污泥處理處置工藝中填埋的溫室氣體排放量最大；污泥厭氧消化+沼氣發(fā)電的減排程度最高，其次是污泥余熱干化+焚燒、余熱干化后混燒、好氧堆肥等。

在確定污泥處理處置工藝時(shí)，應(yīng)綜合考慮安全、經(jīng)濟(jì)、高效、環(huán)保等因素。污泥量較大時(shí)，建議選擇厭氧消化+沼氣發(fā)電的方式，其溫室氣體排放量較少，所產(chǎn)沼氣純度高、穩(wěn)定，便于回收利用，且污泥經(jīng)消化后脫水性能好。例如巴姆堡污水廠（9萬m3/d污水）將污泥厭氧消化產(chǎn)生的沼氣凈化處理后用于發(fā)電發(fā)熱，2011年電力熱力已完全實(shí)現(xiàn)自給。如果厭氧消化設(shè)施的建設(shè)受到限制時(shí)，污泥經(jīng)余熱干化后可在當(dāng)?shù)氐墓I(yè)窯爐混燒或焚燒發(fā)電，這既可以降低投資和運(yùn)行費(fèi)用又可節(jié)省化石燃料而減少溫室氣體的排放。污泥量很少時(shí)，濕污泥可不經(jīng)干化而直接混燒。經(jīng)濟(jì)相對落后的地區(qū)，適宜采用好氧堆肥的方式，污泥經(jīng)堆肥后可代替化肥并增加碳匯，抵消污泥處理過程中的大部分的溫室氣體排放量。若受條件限制只能選擇填埋時(shí)，可將污泥與生活垃圾混合經(jīng)好氧預(yù)處理后再填埋，改善填埋作業(yè)條件，減少填埋過程中的溫室氣體排放。

為減少溫室氣體排放還改善現(xiàn)有工藝。當(dāng)污泥消化設(shè)施容積有剩余時(shí)，可通過投加過期食品、廢油脂、廚房垃圾、屠宰場廢棄物等增加產(chǎn)沼原料，從而增加沼氣產(chǎn)量。例如德國的阿倫斯堡污水處理廠投加了大約3%體積的廢油脂等，電力自給率由30%提高到100%。污泥厭氧消化過程中的水解階段比較緩慢，若通過堿處理、熱處理、超聲波、射線、臭氧氧化等方法進(jìn)行預(yù)處理，污泥中的顆粒成分被破壞，釋放出厭氧微生物所需的有機(jī)質(zhì)，從而提高水解效率，增加沼氣產(chǎn)量。

2.3 優(yōu)化污水廠的總體設(shè)計(jì)及管理體系

污水處理廠的平面布置時(shí)應(yīng)結(jié)合污水廠中各構(gòu)筑物的功能和特征進(jìn)行。為便于管理、減少溫室氣體排放、節(jié)約占地、減少連接管渠的長度，布置要緊湊，生產(chǎn)關(guān)系密切的應(yīng)互相靠近，甚至組合在一起。連接各構(gòu)筑物的管渠要簡短，避免不必要的拐彎和立體交叉。立面布置時(shí)，要充分利用地形，減少挖填方量，盡量做到重力自流。若實(shí)現(xiàn)不了重力自流時(shí)應(yīng)盡量實(shí)現(xiàn)污水污泥的一次提升，避免多次提升。合理確定各構(gòu)筑物的標(biāo)高、進(jìn)出水口形式、管渠的尺寸及構(gòu)筑物和管渠之間的連接方式等，盡量減少水頭損失。

目前我國污水處理廠大多采用政府建設(shè)、政府運(yùn)營的管理模式，這樣浪費(fèi)了很多資源，運(yùn)行效率也不是很高，對此，可以實(shí)行污水處理廠建設(shè)與運(yùn)營的市場化和產(chǎn)業(yè)化。國家和污水處理行業(yè)應(yīng)制定相應(yīng)規(guī)范指導(dǎo)溫室氣體排放評價(jià)的進(jìn)行，建立減排管理評價(jià)體系，以檢驗(yàn)低碳運(yùn)行成果，并采取相關(guān)經(jīng)濟(jì)措施鼓勵低碳運(yùn)行。行業(yè)協(xié)會或環(huán)保部門等非盈利組織可實(shí)時(shí)監(jiān)控全國污水處理系統(tǒng)的運(yùn)行狀況并進(jìn)行匯總分析，提出相應(yīng)各處理環(huán)節(jié)的溫室氣體排放平均值和優(yōu)化指導(dǎo)值，方便運(yùn)行管理人員參考。此外，也可在條件允許的地區(qū)開展示范項(xiàng)目，向社會公開其運(yùn)行結(jié)果，以便于其他污水處理系統(tǒng)進(jìn)行各方面運(yùn)行狀態(tài)的比較，由此了解溫室氣體減排潛力和方向進(jìn)而開展相應(yīng)減排工作。

3 結(jié)論與建議

為響應(yīng)低碳城市的號召，在規(guī)劃、建設(shè)和運(yùn)行污水處理廠時(shí)必須要考慮溫室氣體減排問題。本文從污水處理工藝的選擇、污泥處理處置工藝的選擇、污水處理廠的總體設(shè)計(jì)這三個(gè)方面來探討了溫室氣體減排策略，認(rèn)為污水處理廠需要綜合考慮當(dāng)?shù)氐淖匀画h(huán)境、經(jīng)濟(jì)狀況、環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)、居民生活習(xí)慣、污水水質(zhì)水量、處理要求及各種污水處理工藝類型及運(yùn)行條件等因素，確立合理可行的減排策略。

由于污水處理廠系統(tǒng)復(fù)雜，涉及環(huán)節(jié)較多，不同處理單元、處理工藝的參數(shù)和指標(biāo)各異，而污水處理廠的溫室氣體排放研究在我國相對較少，很多資料的獲取存在困難。因此，為減少溫室氣體排放，必須要加強(qiáng)在這方面檢測和研究。

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（本文審稿 戴定蘭）