低碳綠色措施在污水處理技術(shù)中的應(yīng)用

劉 昊

(中國電建集團(tuán)成都勘測設(shè)計研究院有限公司，四川 成都 610072)

0 前 言

自工業(yè)革命以來，隨著城市化進(jìn)程不斷加快，同時帶來了城市人口的迅速增加，城市水環(huán)境問題日益突出，污水處理廠的重要性也日漸增加。為滿足人民對于美好生活環(huán)境的憧憬，對污水廠的出水指標(biāo)要求也越來越嚴(yán)格，隨之帶來了污水處理單元數(shù)量的增加和技術(shù)方法的升級，導(dǎo)致污水處理廠的能耗投入日益攀升。由此，污水處理行業(yè)已成為了事實上的能源消耗大戶，既不能滿足我國的污染防治攻堅戰(zhàn)略，也不能滿足低碳綠色、可持續(xù)發(fā)展的建設(shè)要求。

通過實際案例分析，結(jié)合國內(nèi)外的研究成果，全面分析了污水處理技術(shù)中碳排放的形式，指出目前污水處理技術(shù)存在的問題，并結(jié)合實際工作經(jīng)驗和社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，提出了污水處理技術(shù)低碳綠色化的具體措施和發(fā)展方向。

1 污水處理技術(shù)的碳排放形式

在傳統(tǒng)污水處理技術(shù)理念下，以提高處理效率、強(qiáng)化處理效果、優(yōu)化運行維護(hù)為出發(fā)點，往往忽略了能源綠色化、節(jié)能減碳、資源回收利用的技術(shù)升級，導(dǎo)致污水處理技術(shù)中存在著能耗、物耗持續(xù)增加，能源資源利用不足，溫室氣體自由排放等問題，使得污水處理廠成為事實上的耗能和碳排放大戶。

以雅安某污水處理廠為例，設(shè)計規(guī)模為50 000 m3/d，出水標(biāo)準(zhǔn)為DB51 2311—2016《四川省岷江、沱江流域水污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》中主要水污染物排放要求。處理主體工藝為:提升泵站+曝氣沉砂池+改良AAO生化池+二沉池+高效沉淀池+反硝化深床濾池+接觸消毒池，污水廠主要設(shè)備能耗占比見圖1，具體工藝流程及能耗、物耗見圖2。

圖1 污水廠主要設(shè)備能耗占比

圖2 工藝流程及主要能耗、物耗分布

雅安某污水處理廠主要的能耗單元為提升泵房、曝氣沉砂池、AAO處理池，主要的物耗單元為高效沉淀池、消毒池、污泥處理單元。其中鼓風(fēng)機(jī)運行電耗占污水廠總電耗的49.79%，污水提升泵運行電耗占污水廠總電耗的17.43%，兩者的運行電耗占污水廠總電耗的67.22%，為污水處理廠電耗最大的耗電單元。經(jīng)測算，本工程新增年耗電量825.63萬kW·h，折合標(biāo)準(zhǔn)煤1 014.70 t，單位污水耗電量0.45 kW·h/m3。年用水總量為2 555 t，折合標(biāo)準(zhǔn)煤0.22 t。

由此可見，污水處理廠在消減污水污染物的同時，也存在著大量能源消耗和碳排放的問題。污水處理中碳排放的形式主要有以下2種。

1.1 能耗型碳排放

能耗型碳排放主要指運行過程中的能源及藥劑消耗等。據(jù)住建部2021年最新統(tǒng)計，截至2020年1月底，全國范圍內(nèi)有排污許可證的污水處理廠共計10 113座，其中城市和縣城污水處理廠共4 140座(見圖3)。

圖3 污水處理廠數(shù)量及規(guī)模分布

截至2020年初，全國日污水處理能力已超過1.78億m3，污水處理廠的能耗占全國總能耗的 0.3%～1%(如果涵蓋工業(yè)廢水的處理能耗，則占比超過2%)，年化學(xué)品消耗量為10萬t左右[1]。同時隨著我國城市化的進(jìn)程發(fā)展和越來越嚴(yán)格的排放標(biāo)準(zhǔn)，污水處理廠占全國能耗的比重將越來越大[2]。根據(jù)Averfalk H的研究表明，污水處理廠每消減1 kg耗氧，總污染物的電耗為1.924 kW·h/kg，理論噸水電耗為0.26～0.325 kW·h/m3[3]。根據(jù)2018年國家城市污水處理信息管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)顯示，我國31個城市污水處理廠的年均噸水耗電量為 0.48 kW·h/m3，而其他國家，如日本污水處理廠的噸水耗電量保守估計為0.39 kW·h/m3，荷蘭噸水耗電量平均為 0.36 kW·h/m3[4]，我國城市污水處理廠的噸水電耗明顯高于他國，具體情況見表1。

表1 部分國家污水廠單位污水耗電量

目前，我國污水處理技術(shù)中廣泛采用的生物處理工藝往往很難滿足嚴(yán)格的排放要求。因此污水處理廠多采用了改良生物處理工藝和三級處理工藝，導(dǎo)致了除磷劑、外加碳源、脫水劑、消毒劑等化學(xué)品的廣泛使用[5]。根據(jù)張維等人的研究表明，我國采用了外加碳源的城鎮(zhèn)污水處理廠占比約為6%，其中最廣泛使用的外加碳源為乙酸、葡萄糖、甲醇、乙酸鈉4種，占到了外加碳源使用的80%；采用了化學(xué)除磷的城鎮(zhèn)污水處理廠占比約為35%；最廣泛使用的除磷藥劑為聚合硫酸鐵、聚合氯化鋁、三氯化鐵、硫酸鋁、聚合氯化鋁鐵5種，占到了除磷藥劑使用的92%；采用了脫水藥劑的城鎮(zhèn)污水處理廠占比約為76%，其中PAM是最廣泛使用的脫水藥劑，占比約為 95%[6]。

1.2 直接碳排放

直接碳排放主要指污水處理過程中直接或間接產(chǎn)生的溫室氣體。

目前的污水處理技術(shù)通常是通過打破有機(jī)物實現(xiàn)“礦化”，伴隨著大量能量的消耗，不僅造成能源資源的浪費，也不可避免地導(dǎo)致次生污染物(CO2、CH4、N2O等)的產(chǎn)生。在曝氣池、生化反應(yīng)池、深度處理工藝中均可產(chǎn)生CO2、N2O，在污泥處理系統(tǒng)中可產(chǎn)生CO2、CH4。同時污水處理過程中所需的能耗物耗(如曝氣供氧、泵站提升、混合攪拌、供熱以及化學(xué)藥品的使用等)亦可間接導(dǎo)致溫室氣體的排放，具體產(chǎn)生途徑見表2。

表2 污水廠溫室氣體產(chǎn)生途徑

通過陸家緣等人的研究表明，目前我國城市污水處理的碳排放強(qiáng)度穩(wěn)定在0.92kgCO2e/m3左右，按此強(qiáng)度進(jìn)行，則污水處理碳排放量將在2030年達(dá)到8 316萬t CO2e，占全國同期的碳排放總量的2.95%左右[7]，具體排放因子見表3[8]。

表3 污水廠溫室氣體排放因子

綜上所述，為確保我國“雙碳”目標(biāo)的順利實現(xiàn)，污水處理過程中的能耗性碳排放、直接碳排放問題不容忽視。

2 減碳措施

為了實現(xiàn)污水處理技術(shù)的資源回收、能源開發(fā)利用和碳平衡的目標(biāo)，已有多個國家針對污水處理廠制定了能耗自給或碳中和的技術(shù)路線。如美國提出至2030年所有污水處理廠均實現(xiàn)碳中和運行的目標(biāo)，新加坡提出了從棕色水廠(Brownfield)到綠色水廠(Greenfield)的時間表與路線圖，日本發(fā)布的“Sewerage Vision 2100”要求到本世紀(jì)末完全實現(xiàn)污水處理能源自給自足等[9-11]。我國也提出了2030年碳達(dá)峰、2060年碳中和的宏偉目標(biāo)。

為實現(xiàn)污水處理廠低碳綠色的目標(biāo)，以NEWs(N:物質(zhì)資源生產(chǎn)、E:能源生產(chǎn)、W:凈化水質(zhì))理念作為指導(dǎo)，從實際運行角度結(jié)合國內(nèi)外的相關(guān)研究，主要有以下3個方面可以進(jìn)行控制。

2.1 減少能耗性碳排放

(1)進(jìn)行精細(xì)化設(shè)計。在污水廠設(shè)計時，通過充分利用工藝仿真軟件系統(tǒng)(BioWin、WEST、EFOR、GPS-X、STOAT等)，對污水廠的真實運行狀況進(jìn)行模擬，獲取出水水質(zhì)、能耗狀況、工藝核心參數(shù)、實際運行工況等結(jié)果。這不僅可以有效保障污水廠的運行質(zhì)量，更可以實現(xiàn)工藝優(yōu)化、節(jié)能降耗。例如，優(yōu)化生化池的停留時間、曝氣量，可以大幅降低設(shè)備能耗；對泵的精準(zhǔn)選型，保證超過其工作效率的80%，可以有效降低能量損失；優(yōu)化總體布局，減少電纜長度，可以有效降低電能的不必要損失；準(zhǔn)確控制全廠的水力、高程設(shè)計，盡可能地減少水頭的損失，有效降低全廠的電能消耗[12]。

(2)污水廠的精細(xì)化運營。根據(jù)污水廠水質(zhì)、水量的變化，采用精確曝氣系統(tǒng)，可以確保每組生化池溶解的穩(wěn)定性，實現(xiàn)保證工藝需求的前提下，達(dá)到降低電耗的目的。

(3)調(diào)整能源結(jié)構(gòu)，采用清潔能源。在條件允許的地方，采用光伏、風(fēng)能等新能源作為污水廠的用電來源，實現(xiàn)自發(fā)自用，余電上網(wǎng)的目的。

2.2 增加碳補(bǔ)償量

碳補(bǔ)償量的增加，主要包括污泥的資源化利用、污水余熱的利用、污水內(nèi)部能量的利用。

2.2.1 污泥資源化利用

污水廠的污泥處理過程會消耗大量的能量、藥劑并產(chǎn)生溫室氣體，是污水廠高碳問題的主要因素。因此，采用高效科學(xué)的污泥處理技術(shù)，是實現(xiàn)污水處理廠的節(jié)能減排與低碳運行的關(guān)鍵。

針對此問題，污泥分離技術(shù)具有較好的處理效果[13]?？梢詫⑽勰嗟挠袡C(jī)物和無機(jī)物分離，然后對分離后的產(chǎn)物進(jìn)行精準(zhǔn)資源化利用。有機(jī)物污泥部分作生物質(zhì)燃料，無機(jī)物污泥部分作建材原料，余下鐵鋁鹽可作為絮凝劑回至污水廠進(jìn)行二次利用，可減少PAC投加量50%～70%。該技術(shù)可以將污泥中大量無機(jī)物和水預(yù)先分離出去，減少了需要在干化段蒸發(fā)的水分。按照孟加拉污水廠每日處理400 t污泥(含水率80%)計算，分離后只有160 t污泥需后續(xù)干化，其蒸發(fā)水量由原先每天的285.7 t減量為80 t。同時污泥中含有豐富的磷資源，可以通過化學(xué)沉淀法、離子交換法、吸附法等方法實現(xiàn)回收利用。目前主要采用化學(xué)沉淀法，比較常用Ca2+和Mg2+鹽作為沉淀藥劑。

2.2.2 污水余熱利用

由于城市污水具有全年溫差變化不大、流量穩(wěn)定、冬季溫度較高等特點，通過水源熱泵技術(shù)可以作為居家、樓宇空調(diào)的熱源。國外對此早已有廣泛的研究和應(yīng)用。例如，20世紀(jì)80年代，瑞士和瑞典對污水處理廠余溫?zé)崮芾玫墓こ瘫阋殉^50個。事實證明，余溫利用工程不僅滿足廠內(nèi)利用，還可以兼顧周邊民宅供熱、制冷需要[14]。

我國在污水余溫利用方面目前仍處于起步階段，但也取得了一些研究成果。郝曉地等人研究提出了污水余溫用于“污泥干化后直接焚燒”的技術(shù)設(shè)想。利用出水中的熱量對脫水污泥進(jìn)行熱干化處理，將污泥含水率從80%降至40%～70%，熱干化處理后的污泥便可用于直接焚燒發(fā)電，灰分提磷后可用作建筑材料[15]。同時郝曉地等人的研究表明，城市污水余溫廢熱約占城市總廢熱排放量的40%，且具有極大的經(jīng)濟(jì)價值。以北京市政污水處理廠(處理規(guī)模100×104m3/d)為例，計算得出:理論上污水廠出水通過熱泵集中利用，一次熱量交換的碳額交易利潤約為6 000萬元/a；通過二次甚至三次碳額交易，最高利潤可達(dá)1.56～1.95億元/a[16]。

2.2.3 污水內(nèi)部能量利用

目前，污水處理技術(shù)升級對能耗物耗的需求越來越高，往往忽略了污水中本就含有高濃度COD等物質(zhì)，蘊含著較高的化學(xué)能和熱能。Luo L等人的研究表明，以COD濃度為500 mg/L的污水為例，其所含化學(xué)能約為17.7～28.7 kJ/g COD，通過測算，其“理論最大有機(jī)化學(xué)能”為22.55 kW·h/m3[17]。

綜上所述，若能在污水處理技術(shù)中采用合理的工藝優(yōu)化和能源利用技術(shù)，理論上可以大大降低污水處理廠的能耗、物耗，在實現(xiàn)污水處理廠節(jié)能減排，低碳綠色的同時，也可以帶來可觀的經(jīng)濟(jì)收益。

3 結(jié) 論

為實現(xiàn)我國2030年碳達(dá)峰、2060年碳中和的目標(biāo)，本文分析了目前污水高碳處理的普遍現(xiàn)象，并結(jié)合實際經(jīng)驗和國內(nèi)外的研究成果，提出了污水處理技術(shù)低碳綠色化的一些措施。

污水處理技術(shù)低碳綠色化，是貫穿于污水處理廠設(shè)計與運營管理的全過程。為實現(xiàn)低碳綠色的目標(biāo)，首先應(yīng)通過工藝創(chuàng)新和精準(zhǔn)化管理，減少能耗性碳排放；其次根據(jù)實際情況，因地制宜地對海外技術(shù)進(jìn)行二次研發(fā)，通過污泥的資源化利用、污水余溫利用、污水內(nèi)部能量利用等措施，實現(xiàn)增加污水處理技術(shù)中碳補(bǔ)償量的目標(biāo)。