城鎮(zhèn)污水處理廠碳中和技術及案例

唐嬌嬌，謝軍祥，陳重軍，2，余成，陳德超，

（1 蘇州科技大學環(huán)境科學與工程學院，江蘇 蘇州 215009；2 江蘇省環(huán)境科學與工程重點實驗室，江蘇蘇州 215009；3 蘇州科技大學地理科學與測繪工程學院，江蘇 蘇州 215009）

城鎮(zhèn)污水處理作為一種耗能型過程，以能消能，凈化污水消耗了大量能源。據統(tǒng)計，截至2019 年，我國城鎮(zhèn)污水產生量為5.546×10m，污水處理能耗約占全社會用電量的0.73%，溫室氣體排放量達9100萬噸二氧化碳當量（2014年），占用了大量能源并產生大量溫室氣體。事實上，污水是資源與能源的載體，僅是污水所含的能量即可達處理耗能的10倍。目前能源形勢嚴峻，城鎮(zhèn)污水處理廠能耗大、運行成本高且產生大量溫室氣體，如何實現產能型污水處理至關重要。在國家碳中和大背景下，碳中和運行為城鎮(zhèn)污水處理的轉型方向。一般來說，城鎮(zhèn)污水處理廠的碳中和運行有一個特定的定義即能量平衡：回收污水中的能量，來反哺城鎮(zhèn)污水處理廠的運行能耗，以實現能源自給，同時降低污水處理廠生命周期內的溫室氣體排放，達到碳中和運行。

近年來，研究者對城鎮(zhèn)污水處理廠基于碳中和運行的工藝開發(fā)、工程化應用等方面進行了深入研究，本文綜述了污水處理廠碳中和技術的最新研究進展，以期為我國城鎮(zhèn)污水處理廠實現碳中和運行提供借鑒和參考。

1 城鎮(zhèn)污水處理廠實現碳中和運行的工藝開發(fā)

城市污水中的有機物是一種含能物質，其化學需氧量（chemical oxygen demand，COD）所含的能量最低為13～14kJ/g，在傳統(tǒng)污水處理工藝中，大部分能量被直接礦化為CO而損失，若進行捕獲和轉化，有望抵消能源投入，甚至產能外用。城鎮(zhèn)污水處理廠實現碳中和運行的關鍵在于低耗運行和能源回收，而傳統(tǒng)處理工藝（好氧曝氣、硝化-反硝化等）很難實現，需開發(fā)新工藝。研究者普遍認為，通過“碳捕捉”技術并輔以厭氧消化-熱電聯產、熱能回收等技術可回收能源；同時采用自養(yǎng)脫氮和反硝化除磷等技術可降低能耗，進而實現污水處理廠碳中和運行。

1.1 “碳捕捉”技術

基于污水處理的“碳捕捉”技術是指將進水中的COD 捕集到污泥中，通過污泥厭氧消化產生能源。一般是增加污水處理廠初級處理中的COD捕獲量，以提高能源產量?！疤疾蹲健奔夹g主要通過高負荷活性污泥工藝（high rate activated sludge process，HRAS）、化學強化一級處理工藝（chemically enhanced primary treatment process，CEPT）等工藝實現。

1.1.1 HRAS

HRAS 因具有短的水力停留時間（hydraulic retention time，HRT）、污泥停留時間（sludge retention time，SRT）和高污泥負荷，對有機物的去除以絮凝、吸附為主，可最大限度地吸附并持留進水中的有機物，成為“碳捕捉”技術的首選工藝，如圖1 所示。陳嘉亮進行實驗發(fā)現，保持較低的SRT（0.8d）和HRT（1.5h），采用HRAS 工藝可以捕集74%的COD，其中BOD捕集率達到79.5%。Ge 等也認為HRAS 具有碳捕捉優(yōu)勢，設置HRT、SRT 為0.5h 和2d，COD 的去除率保持在80%以上，同時COD 的氧化率低于20%，對比傳統(tǒng)活性污泥法（SRT>5d），在保證去除效果的同時，有機物的持留率提升了1 倍以上。Guven 等對污水處理廠的進水進行了中試研究，采用了不同的HRT 運行HRAS 工藝，發(fā)現在HRT=60min 的條件下，總COD 的去除率達到最高的59%，同時最小化SRT （0.35d），吸附COD 的礦化率最低（23%），大大提高了“碳捕捉”效率。大量研究表明，較短的HRT 和SRT 是HRAS 實現高碳源捕捉、低生物礦化率的關鍵。某一污水處理廠也進行了相關中試研究，HRAS 工藝對COD 的捕集率達到87%，COD 礦化率僅為16%，對比傳統(tǒng)活性污泥法，COD 的回收率有很大提升。在碳中和背景下，HRAS因其高效的碳捕捉效率、較低的礦化率受到關注。HRAS基于較短的HRT和SRT可實現后端能源回收的高效產能，同時運用在城鎮(zhèn)污水處理廠，可顯著降低構筑物占地面積及投資運行成本，凸顯了HRAS應用于城鎮(zhèn)污水處理廠的優(yōu)勢。

圖1 HRAS工藝[19]

1.1.2 CEPT

CEPT 通過化學混凝去除進水中的有機物，同時產生的污泥易于處理，可用于能源回收。研究發(fā)現，CEPT 對顆粒性有機物的去除超過60%。輔以不同的混凝劑、絮凝劑，CEPT對COD的捕獲效果有所差異。He等采用CEPT處理城市污水廠進水，發(fā)現投加聚合氯化鋁鐵，CEPT 的去除效果最佳，COD 出水始終低于60mg/L，去除率達到74%。在圣地亞哥污水處理廠，其投加三氯化鐵進行CEPT 處理，取得了65%的BOD捕獲率。此外，CEPT 不僅有著優(yōu)異的有機物捕獲率，在有機物持留方面同樣具有優(yōu)勢。Budych-Gorzna 等研究利用硫酸鐵進行初沉污泥的凝結和沉降并進行了現場應用。實驗表明，COD 去除率達到70%。此外，CEPT 的應用增加了污泥消化中的易降解有機物，利于能源回收。而Rahman等對采用CEPT的污水處理廠進行了長期跟蹤，發(fā)現CEPT對COD的捕獲率為55%，捕獲率并不高，但此階段的COD 氧化率為0，有機物持留達到了100%。

1.1.3 其他工藝

除了HRAS 和CEPT 外，膜分離工藝及微篩工藝也開始廣泛應用于“碳捕捉”。如高負荷膜生物反應器（membrane bio-reactor，MBR）以極短的HRT（0.7h）和SRT（0.5～1d）運行，可回收85%的COD且礦化率低于10%。又如厭氧膜生物反應器（anaerobic membrane bio-reactor，AnMBR），其COD 去除率超過90%且CH回收率超過50%。微篩工藝則是采用精細過濾裝置（孔隙100μm），截留污水中的顆粒、膠體及溶解性COD，對比空白組，總化學需氧量（total chemical oxygen demand，TCOD）去除率提升43%，達到70%；其中溶解性COD 占82%，提升27%；沼氣產量達150L/kg COD，提升13%。

HRAS、CEPT 等“碳捕捉”技術各有差異，可根據污水水質特性選取合適的工藝，也有學者針對這幾種“碳捕捉”技術進行了比較研究，發(fā)現HRAS 和CEPT 結合可獲得更高的能源回收效率，即更高的碳捕捉率和更低的氧化率。本文作者認為，不可局限于單種工藝，因地制宜采用多種“碳捕捉”工藝的組合可能實現最佳效能。

1.2 能源回收技術

能源的回收利用是實現污水處理廠碳中和運行的重要條件之一，主要以厭氧消化-熱電聯產（anaerobic digestion-combined heat and power，ADCHP）、熱能回收等能源回收技術為主。

1.2.1 厭氧消化-熱電聯產技術（AD-CHP）

厭氧消化技術以捕集污泥為對象產甲烷（CH），可以從污泥中提取化學能通過熱電聯產技術進行能源回收，是污水處理廠實現能量回收的關鍵技術之一。而HRAS 與CEPT 等技術實現“碳捕捉”，通過產生大量富碳污泥用于厭氧消化。Solon等對傳統(tǒng)活性污泥法和HRAS 捕集污泥的CH產量進行了評估，發(fā)現HRAS 的CH產量是傳統(tǒng)活性污泥法的1.5 倍之多。同時Solon 等也對CEPT 與傳統(tǒng)活性污泥法進行了評估，CEPT 的CH產量高出傳統(tǒng)活性污泥法25%。Rahman 等也發(fā)現，采用CEPT 的甲烷產量是傳統(tǒng)活性污泥法的1.8 倍。此外，能源回收效率的高低不僅取決于碳源捕集量，還取決于厭氧消化的產CH效率。對此，研究者進行了大量研究以期提高厭氧消化產CH效率。余傳戴采用熱水解（90℃）預處理優(yōu)化厭氧消化，CH平均產率（0.159m/kg VS）遠高于未處理污泥（0.034m/kg VS）。而添加堿可以降低熱處理的溫度并提高處理效果，采用低溫熱堿（60℃，pH 12.0）預處理，CH產率維持在0.55m/kg VS。將其他有機固體廢物與剩余污泥進行厭氧共消化也可提高CH產率。何美龍通過添加廚余垃圾進行共消化，最大CH產率較污泥單獨厭氧消化提高4.3 倍。Fitamo 等使用廚余垃圾進行了共消化中試，在中溫（55℃）條件下，實現了425mL/kg VS 的CH產率，對比傳統(tǒng)厭氧消化提升了48%。在提升CH產率的同時也減輕了廚余垃圾的處理困境。厭氧消化產生的沼氣通過熱電聯產技術進行產電產熱，電能可用于能源自給，熱能可用于補充消化池加熱及建筑采暖。

1.2.2 熱能回收

污水中除了化學能，熱能也是可回收的能源。Hao 等根據對城市污水中實際可回收能量的估計，認為熱能也是一股不可忽視的能源。污水溫度通常在30℃以下，污水處理廠的污水流量穩(wěn)定且全年可用，這使得這種低品位能源的冷熱回收可付諸實踐。目前主要通過水源熱泵和熱交換器組合的方式進行熱能回收。水源熱泵和熱交換器實際上是一種加熱或冷卻系統(tǒng)，它利用水與周圍大氣之間的不同溫度將熱量傳遞給水或從水傳遞出去，可以有效地從水源中提取熱能。國內外污水處理廠在熱能回收方面已有實際應用。如挪威Asker污水處理廠采用水源熱泵回收熱能維持了15.5×10m的商業(yè)建筑供暖。北京某大型市政污水處理廠（處理規(guī)模1×10m/d）采用水源熱泵進行了熱能回收評估，在僅3℃的溫差下回收熱能達175GJ，可滿足5×10m建筑物的供熱需求。青島某污水處理廠通過水源熱泵、熱交換器不僅實現自身供熱需求，還滿足周邊地區(qū)20×10m的供熱需求。工程應用表明，回收的中溫熱能不僅可用于消化池加熱、污泥脫水及冬季全廠采暖，還能為周邊地區(qū)供熱/制冷，這對于降低污水處理廠保暖能耗、區(qū)域取暖具有重要意義，間接減少了溫室氣體排放。同時需要注意對原水進行熱能回收會使熱泵極易損毀，處理出水更適合熱能回收，同時避免溫度變化對生化系統(tǒng)的影響。

1.2.3 太陽能回收

除了從污水中汲取能源，太陽能也是污水處理廠可以獲得的能源。大型城鎮(zhèn)污水處理廠一般占地面積廣，各種構筑物具有較大的表面積，這種特點為屋頂光伏發(fā)電技術的布置提供了基礎條件。某污水處理廠在生化池和二沉池上方布置了光伏發(fā)電系統(tǒng)，補償了20%的廠區(qū)總用電量。揚州市湯汪、六圩污水處理廠采用光伏發(fā)電基本實現能源自給。此外，光伏板在處理構筑物上的覆蓋可能還起到保溫的作用，進一步降低保暖能耗。

厭氧消化-熱電聯產技術、熱能回收及太陽能的組合應用可最大程度地回收能源，在減少運營消耗的同時實現能源自給。

1.3 二級處理技術

我國的城市污水COD濃度通常在200～400mg/L，因前端“碳捕捉”技術可捕獲超過60%的碳源，二級處理進水的COD 在150mg/L 以下，屬于低COD 濃度進水，難以滿足傳統(tǒng)脫氮除磷技術對碳源的需求。而自養(yǎng)脫氮和反硝化除磷等技術的發(fā)展及應用，可實現低碳源條件下污水處理廠的脫氮除磷。

1.3.1 自養(yǎng)脫氮技術

厭氧氨氧化（anaerobic ammonium oxidation，Anammox）是一種新型脫氮技術，其需氧量僅為傳統(tǒng)工藝的1/3，無須有機碳源，大幅降低曝氣電耗和運行費用。研究表明，與硝化-反硝化相比，部分硝化-厭氧氨氧化（partial nitrificationanammox，PN/A）工藝脫氮的單位需氧量可降低57.3%。Morales 等在污水處理廠側流采用Anammox 工藝后，整體曝氣需求降低25%。而樟宜回用水處理廠采用Anammox 工藝后，不但出水無機氮（NH-N、NO-N、NO-N 之和，TIN）低于4mg/L，而且工藝能耗對比之前降低30%，僅為0.12kW·h/m，曝氣池容積對比傳統(tǒng)活性污泥法減少40%。Anammox具有運行能耗低、碳源需求小及投資成本低的優(yōu)勢，為城鎮(zhèn)污水處理廠低耗運行提供了新選項。同時，謝軍祥等認為，COD濃度不高于150mg/L，Anammox 的運行不受影響。相反，低COD 濃度下Anammox 菌與反硝化菌可耦合脫氮除碳，Anammox耦合反硝化技術見圖2。碳中和背景下，以Anammox 為主體的耦合脫氮技術得到長足發(fā)展。如Deng等采用部分硝化-同時厭氧氨氧化和反硝化（PN-SAD）工藝處理生活污水，通過低溶解氧（<1mg/L）和間歇曝氣，TIN去除率達97.1%，調控曝氣策略有效地降低了充氧能耗。也有研究采用同步亞硝化-厭氧氨氧化-反硝化（simultaneous partial nitrification, anammox and denitrification,SNAD）工藝，總氮（TN）去除率為79.13%，與硝化-反硝化工藝相比，能耗降低45%。眾多研究表明，以Anammox為主體的耦合脫氮工藝易于實現城鎮(zhèn)污水的低耗脫氮。Anammox 因產NO-N 的特性，TN 去除率不會太高，結合“碳捕捉”工藝的低碳源出水，以Anammox 為主體的耦合低碳脫氮工藝不僅可以提升TN 去除率，還能消耗碳源。在低耗運行和處理效能上實現雙贏。

圖2 SNAD工藝[44]

1.3.2 反硝化除磷

反硝化除磷技術將反硝化脫氮和生物除磷合二為一，對比傳統(tǒng)生物除磷工藝不僅解決了泥齡沖突、競爭碳源等問題，還可節(jié)省50%碳源和30%充氧電耗，是一種新型可持續(xù)除磷工藝。Zaman 等在處理生活污水中采用反硝化除磷工藝，以低溶解氧（0.3mg/L ± 0.05mg/L）條件實現了96%的TP（總磷）去除，與傳統(tǒng)生物脫氮除磷工藝相比，可減少42%的碳源量和35%的曝氣量。也有學者采用細胞內碳源啟動反硝化除磷，以減少外部碳源投加。Lin 等利用細胞內碳源成功啟動反硝化除磷，磷酸鹽去除率達到91.15%，無外部碳源投加。Zhao等也在碳源供給上取得效果，其采用反硝化除磷與PN/A 聯合工藝，最終磷酸鹽去除率超過90%，出水低于0.2mg/L，無須投加外部碳源。反硝化除磷技術的應用發(fā)展為污水處理廠低耗除磷提供了思路。

污水處理廠要實現碳中和運行，前端可通過以HRAS 和CEPT 為主的“碳捕捉”技術進行碳源捕集，通過厭氧消化-熱電聯產及光伏發(fā)電技術進行能源回收，而熱能回收的應用可滿足厭氧消化池等構筑物的加熱需求；以Anammox 為主體的脫氮工藝和反硝化除磷工藝實現低耗脫氮除磷。

2 城鎮(zhèn)污水處理廠實現碳中和運行的實際應用

目前，關于城鎮(zhèn)污水處理廠碳中和運行的全規(guī)模工藝研究已在中試研究中取得穩(wěn)定效果，同時一些污水處理廠已經接近或實現碳中和運行。

2.1 中試

已有學者基于城市生活廢水，采用不同工藝、調控條件和仿真模型成功進行了碳中和運行的中試研究。在能源回收、仿真模擬和低耗脫氮除磷方面取得了穩(wěn)定效果，具體內容見表1。

表1 列舉了部分碳中和運行的中試研究實例，可以發(fā)現較多研究者采用CEPT、HRAS 等“碳捕捉”技術、Anammox 工藝以及厭氧消化-熱電聯產的組合配置，技術路線以低耗運行和能源回收為主。如Wu 等采用CEPT + Anammox 工藝，實現90%的COD去除率和80%的TN去除率；能源回收采用厭氧消化-熱電聯產技術。在此工藝過程中，“CEPT + Anammox + 后處理”工藝的能耗為0.34kW·h/m（其中“CEPT+Anammox”工藝能耗為0.25kW·h/m），比常規(guī)工藝低0.24kW·h/m。而“CEPT+Anammox”工藝的發(fā)電量達0.32kW·h/m，能源自給率達94%，接近碳中和運行。在本文作者看來，僅從工藝聯用角度，“CEPT+Anammox”工藝的能源自給率達到128%，已經實現碳中和運行，且CEPT 的碳捕捉率可通過優(yōu)化進一步提高，這也意味著能源自給率具有提升空間。近年來，關于碳中和運行的工藝研究、工藝組合及設備優(yōu)化等均為污水處理廠碳中和運行的實際應用提供理論參考和實踐基礎。

表1 碳中和運行中試實例

2.2 實際應用案例

目前已有眾多城鎮(zhèn)污水處理廠開展碳中和運行的實際應用工程，具體內容見表2。本文主要對奧地利Strass污水處理廠、芬蘭Mikkeli污水處理廠以及我國睢縣第三污水處理廠進行詳細敘述。

表2 污水處理廠碳中和運行工程應用實例

奧地利Strass 污水處理廠作為碳中和運行的國際先驅，在低耗運行和能源回收方面表現優(yōu)異。其采用了“A/B+Anammox”組合工藝，主流采用A/B 工 藝，A 段 為HRAS 工 藝，即 較 短 的HRT（0.5h）和SRT（12h），最大限度地捕獲有機碳源，碳源捕獲率超過60%；B 段為生物降解段，A/B 工藝對COD 的去除率為95.3%。對比常規(guī)處理工藝，充氧能耗明顯降低。側流采用Anammox 技術進行自養(yǎng)脫氮，最終出水TN<5mg/L，對比異養(yǎng)脫氮，能耗降低44%。采用化學除磷，最終出水TP<2mg/L，同時對耗能設備進行升級改造，降低能耗。在能源回收方面，剩余污泥通過厭氧消化-熱電聯產進行產電產熱，能源自給率達108%，完全實現碳中和運行，后續(xù)添加廚余垃圾與剩余污泥進行共消化，最終能源自給率達200%，不僅實現碳中和運行，還產能外用，成為名副其實的“能源工廠”。

芬蘭Mikkeli 污水處理廠于2020 年實現碳中和運行，不同于其他實現碳中和運行的污水處理廠，該廠除了通過厭氧消化-熱電聯產技術來回收能源，還通過余溫熱能、太陽能等方式進行能源回收。Mikkeli 污水處理廠處理規(guī)模為9×10m/d，該廠COD、TP與SS（懸浮物）去除率為99%，TN去除率為85%。在能源回收方面，該廠2020 年通過剩余污泥厭氧消化-熱電聯產技術進行產電，產能為7744MW·h；通過水源熱泵對出水進行余溫熱能回收，用于滿足區(qū)域制冷、制熱需求，回收能量為200914MW·h。統(tǒng)計數據顯示，2020年該廠總能耗為21042MW·h，而通過各種形式回收的能源總量高達211415MW·h，產能幾乎是運行能耗的10倍之多。其中，以余溫熱能回收的能量占總回收能量最大，達95%，為主要產能來源?？梢?，污水余溫熱能是一種潛能巨大的新能源，該廠通過合理利用熱能間接實現碳中和運行。

我國睢縣第三污水處理廠是我國首座建成的新概念污水處理廠，也是首座探索碳中和運行的污水處理廠，見圖3。項目包括一座處理規(guī)模4×10m/d的水質凈化中心，采用“多級A/O+反硝化濾池+臭氧消毒”的工藝，能耗比常規(guī)處理工藝低，出水執(zhí)行地表水類Ⅳ類水體水質要求，在保證水質達標的前提下低耗運行；一座100t/d 生物有機質中心，采用高溫干式厭氧發(fā)酵工藝，提高產氣效率，添加畜禽糞便、秸稈等有機廢棄物與剩余污泥共消化，并通過熱電聯產技術產電用于廠區(qū)運行、產熱用于消化池加熱，目前的能源自給率為20%～30%。

圖3 睢縣第三污水處理廠工藝流程

以上污水處理廠的成功應用，尤其是睢縣第三污水處理廠的實際探索，進一步說明我國城鎮(zhèn)污水處理廠可實現碳中和運行。

3 城鎮(zhèn)污水處理廠碳中和運行路線的建議

以能源最大化、資源回收與低耗運行為基準的碳中和技術是城鎮(zhèn)污水處理廠未來可持續(xù)運行的方向，實現碳中和運行須從以下三個方面來實施（圖4）：

圖4 城鎮(zhèn)污水處理廠碳中和運行路線[19]

①HRAS、CEPT 等“碳捕捉”工藝對有機碳源具有較高的捕獲率和較低的氧化率，可應用于前端“碳源捕集”；

②以自養(yǎng)脫氮、反硝化除磷等為代表的低耗處理工藝，可應用于城鎮(zhèn)污水處理廠主流/側流工藝；

③厭氧消化-共消化-熱電聯產、熱能回收和光伏發(fā)電等能源回收技術，可用于電能、熱能回收。

4 結語

基于“碳捕捉”技術、Anammox 自養(yǎng)脫氮工藝、反硝化除磷工藝和能源回收技術和應用成果，認為我國城鎮(zhèn)污水處理廠具有極大的潛力實現碳中和運行。城鎮(zhèn)污水處理廠實現碳中和運行，需從低耗運行和能源回收兩方面進行，重點關注碳源捕集、低耗脫氮除磷和能源回收。針對碳中和技術，在高效碳源捕集并實現污泥高效厭氧發(fā)酵產能、低溫低基質Anammox 自養(yǎng)脫氮工藝的穩(wěn)定運行、高效反硝化除磷工藝的大規(guī)模應用等方面還需進一步研究，以期為污水處理廠碳中和運行提供理論和實際支持。此外，工藝穩(wěn)定性（低溫條件下Anammox 的穩(wěn)定）、外能節(jié)約（節(jié)能型設備的應用）、回收熱能的集中化利用、厭氧消化-熱電聯產技術以及廚余垃圾共消化的推廣應用等方面，是城鎮(zhèn)污水處理廠實現碳中和運行的首要解決問題。