碳中和愿景下污水處理碳排放減排模式研究

張 杰，李 珍，張榮兵，曹芳菲

（1.北京城市排水集團(tuán)有限責(zé)任公司，北京 100044；2.國網(wǎng)北京市電力公司，北京 100031；3.清華大學(xué)，北京 100084）

0 引言

碳中和（Carbon neutrality）是指組織或個(gè)人在一定時(shí)間內(nèi)直接或間接產(chǎn)生的二氧化碳通過植樹造林、節(jié)能減排等方式全部抵消，實(shí)現(xiàn)碳的凈“零排放”。污水從能量層面上講實(shí)際上是一種資源與能源的載體，污水中含有大量的有機(jī)物，有機(jī)物本身是一種含能物質(zhì)，且污水中還含有大量的植物營養(yǎng)素（氮、磷、鉀）。污水處理的實(shí)質(zhì)就是通過人工的各種復(fù)雜技術(shù)手段，用消耗資源和能量的代價(jià)來分離、降解、轉(zhuǎn)化污水中有機(jī)污染物的復(fù)雜過程。換言之，污水處理是一種消耗能源的碳排放過程，一種從水污染向大氣污染的轉(zhuǎn)變過程。因此，污水處理廠中排放的碳要中和，首先要搞清楚“處理污水所消耗的能量”（A）與“污水中含有的可回收能量”（B）之間的等式關(guān)系。然后想辦法讓B 盡可能的多，A 盡可能的少，就可以實(shí)現(xiàn)碳中和甚至盈余。

1 污水處理主流技術(shù)碳中和可用能量來源分析

1.1 改善管網(wǎng)輸送體系

提到污水中的能量，往往首先想到的就是污水中的有機(jī)物（COD），要做到的就是盡量多的回收污水中的這部分有機(jī)物。從理論上講，生活污水中所含的有機(jī)物能量可達(dá)污水處理消耗能量的9～10 倍，污泥厭氧消化回收污水中有機(jī)物能量的多少完全取決于進(jìn)水中的有機(jī)物濃度，即進(jìn)水COD 濃度越高，可回收的有機(jī)物能量潛力便越大。在城市污水處理系統(tǒng)中，污水的收集和輸送涉及大規(guī)模管網(wǎng)鋪設(shè)和長距離輸送，管網(wǎng)漏損、堵塞、覆蓋率不高是造成我國污水進(jìn)水碳源不高的主要原因。北京市目前已建成中心城區(qū)1 萬多公里的地下排水管網(wǎng)，雨污水泵站109 座，充分發(fā)揮廠網(wǎng)一體化運(yùn)營管理優(yōu)勢，實(shí)現(xiàn)了污水平均進(jìn)水COD 濃度水平（483 mg/L），逐步接近歐洲平均水平（600 mg/L）。通過大力提高排水管網(wǎng)輸水性能和覆蓋率，實(shí)現(xiàn)污水100%收集，同時(shí)進(jìn)行雨污分流改造，提高污水處理廠進(jìn)水碳氮比，如此就能解決污水進(jìn)水碳源不足問題。

1.2 優(yōu)化藥劑投加環(huán)節(jié)

污水處理工藝多種多樣，究其本質(zhì)是通過生化反應(yīng)來去除污水中的污染物。因此，在生化處理環(huán)節(jié)需要投加碳源和多種化學(xué)藥劑。這些原材料在其生產(chǎn)和運(yùn)輸過程中消耗能源，在投加過程中也消耗一定能源。因此，優(yōu)化藥劑投加環(huán)節(jié)，有助于節(jié)能降耗減少碳排放。目前，解決措施主要是對加藥系統(tǒng)進(jìn)行配置升級。例如在曝氣池末端出水投加的PAC 除磷藥劑，由常用的變頻計(jì)量泵升級為數(shù)字泵，通過監(jiān)測曝氣池出水正磷酸鹽濃度對PAC 藥劑進(jìn)行精確投加，加藥量有不同程度的降低。該技術(shù)可以同時(shí)應(yīng)用到污水處理廠的其他藥劑投加段，一段時(shí)間后對于藥耗成本的降低較為可觀。北京市東壩再生水廠采用超磁工藝實(shí)現(xiàn)磷回收和碳源回用，基本省去了巨額的藥劑費(fèi)用。另外，還可以引入運(yùn)用AI 技術(shù)對污水水量、水質(zhì)等參數(shù)和加藥系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù)等進(jìn)行大數(shù)據(jù)分析，形成最優(yōu)算法模型在現(xiàn)場予以實(shí)施，從而實(shí)現(xiàn)加藥系統(tǒng)精細(xì)化控制，也能有效降低藥品消耗以及設(shè)備運(yùn)行能耗。

1.3 升級改造曝氣系統(tǒng)

污水處理工藝中的曝氣系統(tǒng)主要是通過大功率單級離心式鼓風(fēng)機(jī)為污泥中的微生物提供所需的溶解氧，保持微生物的生命活力以消耗污泥中更多的有機(jī)物含量。有數(shù)據(jù)表明，我國污水處理廠單噸水電耗一般在0.15～0.28 kW·h。其中，曝氣鼓風(fēng)機(jī)的電耗所占比例為56.2%。雖然不同的處理工藝能耗有所不同，但曝氣系統(tǒng)總體能耗占比最大。因此，污水處理廠節(jié)能降耗的關(guān)鍵點(diǎn)在于升級改造曝氣系統(tǒng)降低單噸水電耗。要達(dá)到節(jié)能目的的核心是精準(zhǔn)掌控微生物的活動過程，防止過度曝氣增加電耗和設(shè)備損耗，也要防止曝氣不足導(dǎo)致微生物死亡的情況，這就對曝氣系統(tǒng)的智能化、數(shù)字化控制提出了很高的要求。目前國內(nèi)一些再生水廠已經(jīng)圍繞該思路進(jìn)行了部分升級改造，例如通過計(jì)算每日處理水量所需要消耗的溶解氧對應(yīng)的曝氣總管壓力值，在自控系統(tǒng)內(nèi)進(jìn)行設(shè)定并實(shí)時(shí)監(jiān)測實(shí)際壓力值，鼓風(fēng)機(jī)的啟停與負(fù)荷就會在曝氣總管壓力值的控制下進(jìn)行自動調(diào)節(jié)。同時(shí)在進(jìn)入曝氣池的各曝氣支管出口前加裝可精確控制開度的奧碼頭，根據(jù)現(xiàn)場溶解氧儀表的實(shí)際監(jiān)測示數(shù)進(jìn)行開度調(diào)節(jié)，從而達(dá)到精確曝氣實(shí)現(xiàn)降低電耗的目的。國外也有類似的技術(shù)嘗試，捷克的VFL 工藝正是通過ORP 控制實(shí)施間歇式精準(zhǔn)曝氣，使單噸水電耗較傳統(tǒng)工藝得到大幅降低。另外，曝氣的方式也在很大程度上影響電耗。丹麥哥本哈根的BIOFOS 水務(wù)將其管理的污水處理廠由表面曝氣升級為微孔曝氣，使曝氣電耗降低約57%。

1.4 采用能耗更低的處理工藝

目前，污水處理行業(yè)中采用的低能耗生物工藝主要集中在污泥處理階段，主要包括厭氧氨氧化工藝、好氧顆粒污泥工藝等。厭氧氨氧化工藝主要建設(shè)在具有板框壓縮脫水能力的污水處理廠，主要作用是處理板框機(jī)壓榨泥餅后產(chǎn)生的濾液。厭氧氨氧化（Anammox）是厭氧氨氧化菌（An AOB）在缺氧或厭氧環(huán)境下，以HCO3-（IC）為碳源，以NH4+（-N）為電子供體，以NO2-（-N）為電子受體生成N2，從而完成脫氮過程。為保證厭氧氨氧化（Anammox）反應(yīng)的順利進(jìn)行，往往將厭氧氨氧化（Anammox）工藝與短程硝化工藝組合為短程硝化-厭氧氨氧化（Sharon-Anammox）工藝，與傳統(tǒng)脫氮工藝相比，該工藝僅需將部分NH4+（-N）氧化為NO2-（-N），節(jié)省了剩余NH4+（-N）的進(jìn)一步氧化需氧量以及NO2-（-N）轉(zhuǎn)化為NO3-（-N）的深度氧化需氧量，從而可節(jié)約大量因曝氣產(chǎn)生的電耗。同時(shí)該工藝以IC 為碳源，無需額外投加有機(jī)碳源，可以大幅度降低脫氮成本。此外，該工藝流程的出水會進(jìn)入廠前區(qū)總進(jìn)水，對于后續(xù)污水處理區(qū)域的生產(chǎn)壓力有大幅降低，一定意義上也降低了單噸水處理成本。

前端污水處理技術(shù)——反硝化除磷，一種具有兼性的厭氧反硝化除磷細(xì)菌，能夠在厭氧的條件下對磷進(jìn)行吸收。反硝化除磷菌以硝酸鹽作為電子受體，在反硝化的同時(shí)完成吸磷的作用，反硝化除磷工藝就是運(yùn)用這一原理來實(shí)現(xiàn)的，將反硝化與除磷合二為一，同時(shí)實(shí)現(xiàn)脫氮除磷的目的。從除磷的過程來看，是將反硝化與除磷這兩個(gè)不同的生物過程利用同一個(gè)細(xì)菌在同一過程中完成。其中聚羥基脂肪酸酯不僅是反硝化除磷菌的碳源，也是能量儲存物質(zhì)，具有雙重的效果。可以說該種除磷原理既可以達(dá)到除磷的目的，還能夠節(jié)省碳源，屬于一種可持續(xù)的生活污水除磷技術(shù)。

1.5 提高熱電聯(lián)產(chǎn)回收能力

要提高污泥中的能量回收率就必須極力改善污泥消化處理工藝，在進(jìn)水有機(jī)物充足的情況下，最大程度的開發(fā)污泥中有機(jī)物能量。國外的一些城市在污水處理碳中和上做出了各種嘗試，采用了柵渣沖洗壓榨機(jī)（Screening washing press），為了更徹底地將格柵截留的這部分碳源導(dǎo)流到消化池，還將鐵鹽（FeCl3）添加至污泥脫水工藝中并對其效果進(jìn)行測試，目的是為了減少殘留污泥量和鳥糞石的沉淀。此外，他們也在探索在初沉池對新聚合物的添加進(jìn)行測試?？傊氡M各種辦法將進(jìn)水中的碳源盡可能多的送入消化池。在國內(nèi)的污泥處置領(lǐng)域，北京小紅門和高碑店污泥處理中心采用熱水解+厭氧消化工藝的成功運(yùn)行，通過污泥熱壓水解技術(shù)（THP）在高溫高壓下裂解污泥中有機(jī)物的細(xì)胞結(jié)構(gòu)從而提高污泥產(chǎn)氣率，除滿足熱水解能量平衡的需要外還有余量，這部分余量經(jīng)過干式脫硫后可以通過沼氣發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)化為電能或通過沼氣拖動鼓風(fēng)機(jī)直接為污水處理生化反應(yīng)段提供曝氣，減少大功率電力拖動單級離心式鼓風(fēng)機(jī)的運(yùn)行時(shí)間，降低電耗和設(shè)備損耗。在具備單獨(dú)供暖條件的水廠冬季時(shí)還可以通過熱水鍋爐為廠區(qū)提供供暖，減少辦公區(qū)域和生產(chǎn)車間的空調(diào)使用，熱電聯(lián)產(chǎn)余熱最大限度的被回收。這充分表明，污泥高級厭氧消化技術(shù)已經(jīng)比較可靠、穩(wěn)定，既為國內(nèi)污泥處理探索出了新思路，同時(shí)也為實(shí)現(xiàn)碳中和提供了有力支撐。

1.6 加大自產(chǎn)清潔能源力度

對于污水處理廠來說，得天獨(dú)厚的廠區(qū)面積是大力建設(shè)光伏項(xiàng)目的有利因素，獨(dú)特的工藝建筑結(jié)構(gòu)使得各處理單元的頂部均可用于光伏板的安裝，生物處理池及初沉池、二沉池等單元具有龐大的表面面積，可以為太陽能光伏發(fā)電創(chuàng)造必要的場地條件。安裝光伏組件后不僅可以實(shí)現(xiàn)太陽能發(fā)電并入電網(wǎng)供水廠使用，還能在冬季利用光伏板來覆蓋這些處理單元，實(shí)現(xiàn)對生物處理的保溫作用和臭氣收集。

污水處理廠所處理的污水中存在著一直以來被人們忽視的能量，即熱能。有關(guān)數(shù)據(jù)表明，污水中的熱能儲量遠(yuǎn)高于污水中的化學(xué)能（有機(jī)物能量），實(shí)際可回收的熱能為化學(xué)能的9 倍。為更直觀的體現(xiàn)污水中熱能回收的巨大潛力，在此也基于某污水處理廠對可回收的熱能進(jìn)行了計(jì)算。北京地區(qū)污水處理廠二級出水在6～9 月的平均水溫為23.4～26.5 ℃，比同時(shí)期平均氣溫低約4～5 ℃；二級出水水溫在供暖季（11 月至次年3 月）平均在12.9～20.7 ℃，比同時(shí)期平均氣溫高10～20 ℃；這一條件均能滿足GB/T 19409—2003《水源熱泵機(jī)組》要求。因此，通過污水源熱泵所產(chǎn)生的冷、熱源可以直接為廠區(qū)提供制冷和供暖，余量可以輸出廠外供其他商業(yè)或民用用戶使用，以“碳交易”的方式實(shí)現(xiàn)“碳中和”。

2 碳中和愿景下的發(fā)展方向

污水處理廠未來的發(fā)展方向是聚焦建設(shè)智慧化、無害化、資源化的未來水廠，其中包括一個(gè)中心（可持續(xù)）兩個(gè)基本點(diǎn)（碳回收與磷回收）。從之前的探索經(jīng)驗(yàn)來看，實(shí)現(xiàn)碳中和甚至能量盈余均非某個(gè)單點(diǎn)的突破，甚至不是依靠前沿的工藝技術(shù)，而是需要全流程的系統(tǒng)優(yōu)化；也不是僅僅通過一系列的升級改造，而是需要從工藝和設(shè)備等各方面挖掘潛能，提高能量回收效率，降低能耗，這并不是哪個(gè)單項(xiàng)的技術(shù)突破所能帶來的成果。未來要做的不是將污水處理廠改造為單一的營養(yǎng)物、能源或再生水廠，而是要盡可能多的發(fā)掘污水資源潛力，在同一污水處理廠內(nèi)實(shí)現(xiàn)營養(yǎng)物、能源和再生水三位一體的生產(chǎn)廠。

3 結(jié)語

實(shí)現(xiàn)碳中和是一項(xiàng)長期持續(xù)的系統(tǒng)性工程，不能只等待前沿技術(shù)的出現(xiàn)，也不能單靠科技研發(fā)的突破，需要共同努力、持續(xù)探索節(jié)能降耗的途徑，制造與供應(yīng)鏈更貼合、性能更優(yōu)異的設(shè)備，總結(jié)成功的技術(shù)經(jīng)驗(yàn)，創(chuàng)新高效的生產(chǎn)模式。2021 年3 月召開的中央財(cái)經(jīng)委員會第九次會議上，將碳達(dá)峰、碳中和工作在國家經(jīng)濟(jì)社會中的定位進(jìn)行了說明，明確把碳達(dá)峰、碳中和納入生態(tài)文明建設(shè)整體布局中。因此，實(shí)現(xiàn)污水處理的碳中和要跳出行業(yè)圈子，站在生態(tài)文明建設(shè)、城鄉(xiāng)融合發(fā)展、污水資源化、能量自給、環(huán)境友好等更多層面去綜合考量。碳中和下的水環(huán)境治理是一個(gè)多層面整體規(guī)劃、綜合考量、系統(tǒng)性解決問題的過程，這不單是行業(yè)技術(shù)和理念的更新，更是整個(gè)社會思想和認(rèn)知的革命，要有堅(jiān)定的信心和決心為我國污水處理行業(yè)的碳中和戰(zhàn)略做出積極貢獻(xiàn)。