污水處理廠碳減排現狀分析

侯秉東

摘 要：我國“十四五”規(guī)劃中提出“二氧化碳排放力爭于2030年前達到峰值，努力爭取2060年前實現碳中和”。在今年的政府工作報告中，“做好碳達峰、碳中和工作”被列為2021年重點任務之一。污水處理作為高碳排放行業(yè)受到廣泛關注，本文對污水處理廠碳減排現狀進行分析，并對污水處理廠碳減排未來展望。

關鍵詞：污水處理;碳排放

1.引言

碳排放量的增加導致的全球性氣候變暖、自然災害的頻發(fā)及生態(tài)系統(tǒng)的退化，對人類社會的可持續(xù)發(fā)展造成了巨大的影響。積極探索碳減排途徑是當今世界共同面對的挑戰(zhàn)。按照主要發(fā)達國家的統(tǒng)計，城鎮(zhèn)污水處理作為人類社會活動之一的小行業(yè)，其碳排放量卻占全社會碳排放總量的2%，位居前十大碳排放行業(yè)之列。我國城鎮(zhèn)污水處理設施經過“十一五”和“十二五”時期的高速建設[1]，已經形成規(guī)?；奶幚砟芰ΑＨ欢?，在污水處理過程中卻造成了大量的碳排放，據估算，我國污水處理過程的直接排放類溫室氣體量均呈逐年增加趨勢，據估算，2003-2009 年我國污水處理過程的直接排放類溫室氣體量均呈逐年增加趨勢，自2003 年的0.53 億噸CO2當量增加到2009 年的0.75 億噸CO2當量，年平均增加5.95%。2015年，中國人民大學在對全國3830座污水處理廠進行了數據整理與統(tǒng)計，在對26座污水處理廠實地調研的基礎上，得到了全國污水處理逸散CH4和N2O產生的直接碳排放量為2512.2萬噸CO2當量，電耗產生的間接碳排放量為1401.6萬噸CO2當量，絮凝劑消耗產生的間接碳排放量為70.9萬噸CO2當量，中國污水處理行業(yè)碳排放量合計為3984.7萬噸CO2當量，單位水量的碳排放當量（碳排放強度）為0.78 kg/m3。截至2019年底，全國共有污水處理廠 5476 座，年累計處理污水量為656.5億立方米，年污泥產生量為3923萬噸（含水率80%）。污水處理行業(yè)帶來的碳排放和碳足跡正在引起越來越多的關注。

2.污水處理行業(yè)碳減排發(fā)展現狀

污水處理過程的碳排放主要來自于二氧化碳、甲烷、一氧化二氮等溫室氣體的直接排放和所需能耗、物料在生產過程中產生的間接碳排放。污水處理消耗的電能主要發(fā)生在鼓風曝氣、水泵、攪拌電機、污泥脫水等設備，因此，傳統(tǒng)污水處理作為“高耗能”單位，正日益受到關注。歐美等國家紛紛提出未來污水處理要走“碳中和”（或能量平衡）運行之路，美國水環(huán)境研究基金提出“Carbon-free water”，制定了2030年所有污水廠都要實現碳中和的目標，即通過經濟有效的技術手段將污水中的資源能源捕獲以反哺或抵消污水處理廠必要的能量和資源消耗，達到其CO2凈排放量為零的最低目標。新加坡提出了從“棕色水廠”到“綠色水廠”的時間表和路線，日本指出本世紀末完全實現污水能源自給自足。目前，國內外針對污水處理過程減排的對策和措施也主要是從技術升級和節(jié)能減排兩個方面著手。

2.1污水處理廠主體生化工藝的升級

通過不斷改進污水處理工藝流程來實現污水處理過程中碳、氮、磷回收的目的[2]。其中針對高濃度有機物去除的工藝可選擇以低能耗的厭氧處理工藝代替高能耗的好氧處理工藝，減少曝氣過程中有機物分解產生的CO2，并回收厭氧處理工藝過程中產生的甲烷作為能源再利用;生物膜工藝具有減少污泥產量、提高好氧吸磷效果、避免硝化菌群流失、提高硝化作用的優(yōu)點，同時有效降低污泥產量，達到減少碳排放的目的。活性污泥與生物膜組合工藝可同步實現強化脫氮除磷、減量污泥和碳減排，具有較好的應用前景與意義;生物濾池法的全生命周期能耗大幅度低于普通活性污泥法，僅為普通活性污泥法的25.1～40.0%，在微孔曝氣條件下可節(jié)能37.7%，在穿孔管曝氣條件下可節(jié)能55.2%。

2.2污水處理廠節(jié)能減排和替代能源技術的發(fā)展

國際上城鎮(zhèn)污水處理系統(tǒng)節(jié)能減排的發(fā)展的核心是將成熟的節(jié)能技術和高效的機電設備在系統(tǒng)上進行集成，并且提高現有的運營管理水平。美國非常重視能源管理和高效設備的使用，具體通過使用高效的機電設備，配合控制策略和管理手段來實現，主要涉及泵、曝氣、攪拌等高能耗單元，這些新型設備的應用可以為污水處理的運行節(jié)省大量的運行成本，使得污水處理廠總體能耗下降了10%。加拿大污水處理廠強調全廠控制，對于目前我國污水處理廠處于粗放調控的現狀具有很強的指導作用。目前正在廣泛應用的CCP綜合校正技術，重點在于對污水處理廠設備的自我評估、性能短板和存在問題的識別、處理性能的改善和提高，內容涵蓋了預處理、一級處理、二級處理和某些具體單元運行過程的優(yōu)化技術與建議，重視運行優(yōu)化調試過程中指標的監(jiān)測和控制設備的使用。該技術已在北美污水處理廠運行優(yōu)化中大量采用，并已漸成技術體系。歐盟在污水處理方面也強調應用先進的控制技術，應用精確的數學模型控制化學混凝，實現了污水處理廠可以根據進水水質及水量按比例精確加藥，達到了節(jié)省絮凝劑消耗、提升自動化控制水平、提高出水水質和降低污泥管理成本的目的。歐洲已經成功的污水處理廠案例顯示，每年可節(jié)約藥劑量18%，減少污泥產量33%，在穩(wěn)定出水水質的前提下，大大減少了碳排放量，減少了藥劑購買以及污泥處理的費用。日本在應對污水處理碳減排采取了一系列綜合的措施，首先是高效設備的應用，例如在曝氣環(huán)節(jié)采用微孔曝氣器，可減少20%的曝氣能耗;在污泥處理環(huán)節(jié)采用帶渦輪增壓的流化床焚化爐，可降低85%的N2O產生量，降低4%的CO2排放量;其次是能源的回收和新型能源的利用，例如污泥厭氧消化產氣的回收、太陽能的利用、污泥生物質能的利用等等。此外，通過工藝流程優(yōu)化管理來降低因管理不善而導致的厭氧水解池、初沉池、曝氣池、沼氣系統(tǒng)泄露及不完全燃燒，以及污泥堆肥場、污泥焚燒過程中產生的一定量的甲烷。

充分利用清潔能源太陽能、可再生能源水源熱泵等技術，可減少傳統(tǒng)電能的消耗，有期望能實現能源自給。我國污水處理廠的能耗主要是電耗，平均電耗約為0.292kWh/t，87%的污水廠電耗不超過0.48kWh/t，電費約占污水處理成本的50%～70%。分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)不受地域限制，在偏遠山區(qū)、島嶼等地可以局部緩解用電緊張狀況，在污水處理廠構筑物頂端或辦公樓屋頂的空閑地區(qū)都可以建設光伏發(fā)電系統(tǒng)，荷蘭Rivierenland水委在污水廠旁邊建設了光伏太陽能公園。除了清潔能源的利用，可再生能源主要有通過熱泵和污泥厭氧消化和熱電聯(lián)產回收能量。研究表明，水源熱泵能有效地將污水中的熱能轉化為污水處理廠和鄰近建筑物的熱能，當1m3的出水冷卻1℃時，可提供0.26kWh/m3℃的凈電當量。能量衡算表明，假設進水COD為400mg/L，在完成脫氮除磷碳源使用后產生的剩余污泥，經厭氧消化+熱電聯(lián)產能產生0.20kW·h/m3電當量，多種清潔能源和替代能源的使用，可實現污水處理廠的低碳路線，精細化管理后有望達到碳中和目標。

3.展望

目前，我國現階段正在進行污水處理廠的提標改造、增容和新建工作，污水處理能耗將進一步增大，由國外污水處理行業(yè)發(fā)展現狀來看，“以高能耗高物耗為基礎的優(yōu)質出水”以及由此帶來的“減排水污染物、增排溫室氣體”局面不利于我國污水處理行業(yè)的健康發(fā)展，污水處理領域的碳減排工作已迫在眉睫。

參考文獻：

[1]王洪臣. 我國城鎮(zhèn)污水處理行業(yè)碳減排路徑及潛力[J]. 給水排水， 2017， 000（003）：1-3，73.

[2]楊順生， 陳鈺， 曹洲榕. 德國污水處理考慮減排的工程實例及思考[J]. 四川環(huán)境， 2012（02）：69-74.