“雙碳”背景下污水廠的低碳設(shè)計分析

李慶桂

[上海市政工程設(shè)計研究總院（集團(tuán)）有限公司，上海市200092]

0 引言

2020 年9 月22日，習(xí)近平總書記在第七十五屆聯(lián)合國大會一般性辯論上鄭重宣布：“中國將提高國家自主貢獻(xiàn)力度，采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力爭于2030 年前達(dá)到峰值，努力爭取2060 年前實現(xiàn)碳中和[1]?！边@是中國應(yīng)對全球氣候問題作出的莊嚴(yán)承諾。

目前，歐盟、美國和日本均已實現(xiàn)碳達(dá)峰，其實現(xiàn)碳中和的時間均為2050 年。從碳達(dá)峰到碳中和，歐盟間隔約70 a，美國和日本間隔約40 a，但我國僅有30 a 時間，任務(wù)艱巨?！半p碳”目標(biāo)的提出，為各行業(yè)未來的發(fā)展指明了新的方向。城鎮(zhèn)污水處理廠是污染減排的主要承擔(dān)者，同時也是碳排放大戶?？傮w上，污水處理行業(yè)碳排放量占全社會總排放量的1%～2%[2]。因此在“雙碳”背景下，如何進(jìn)一步降低城鎮(zhèn)污水處理廠碳排放量是全體排水工作者孜孜以求的目標(biāo)。

目前，我國城鎮(zhèn)污水處理廠的低碳化之路剛剛起步，國家各部門也陸續(xù)出臺了一系列引導(dǎo)政策。2021 年2月，《國務(wù)院關(guān)于加快建立健全綠色低碳循環(huán)發(fā)展經(jīng)濟(jì)體系的指導(dǎo)意見》（國發(fā)〔2021〕4 號）發(fā)布，要求加快建設(shè)污泥無害化資源化處置設(shè)施，因地制宜地布局污水資源化利用設(shè)施[3]。2021 年6月，國家發(fā)展改革委、住房城鄉(xiāng)建設(shè)部聯(lián)合印發(fā)《“十四五”城鎮(zhèn)污水處理及資源化利用發(fā)展規(guī)劃》（發(fā)改環(huán)資〔2021〕827 號），要求加快形成布局合理、系統(tǒng)協(xié)調(diào)、安全高效、節(jié)能低碳的城鎮(zhèn)污水收集處理及資源化利用新格局[4]。

污水處理廠碳排放包含直接排放和間接排放[2]，其中間接排放主要是生產(chǎn)過程中的電力、藥劑等消耗。優(yōu)化工藝和清潔生產(chǎn)是低碳的首要控制因素，通過選擇先進(jìn)的處理工藝和設(shè)備，可從源頭控制能量的消耗，加強(qiáng)資源的回收和綜合利用，減少碳排放，實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的目標(biāo)。本文將從清潔能源的利用、工藝設(shè)計、設(shè)備選型、智能控制等方面對城鎮(zhèn)污水處理廠低碳設(shè)計展開詳細(xì)論述。

1 清潔能源的利用

采用綠色可再生能源替代傳統(tǒng)能源是促進(jìn)碳減排的有效手段，綜合利用太陽能、污水中的熱能等清潔能源，作為對電能的補(bǔ)充，減少對傳統(tǒng)能源的依賴是減少人類對環(huán)境負(fù)面影響，是實現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)的重要舉措。

1.1 太陽能的利用

我國太陽能資源較為豐富，城鎮(zhèn)污水處理廠占地面積較大，空間開闊，為太陽能的利用提供了有利條件。隨著除臭要求的逐步提高，目前大多數(shù)城鎮(zhèn)污水處理廠內(nèi)構(gòu)筑物如沉砂池、初沉沉、生物反應(yīng)池等，池上均進(jìn)行了加蓋，池上有大量空間可利用，適合布置光伏發(fā)電設(shè)施；對于無除臭要求的構(gòu)筑物，如二沉池、高效沉淀池、氣水反沖洗濾池等，也可在頂部布置太陽能板，既能實現(xiàn)能源利用，又可起到遮光作用，防止池內(nèi)藻類滋生。目前，該技術(shù)在安徽王小郢污水處理廠、武漢北湖污水處理廠等工程中得到了應(yīng)用，節(jié)能減排效果顯著。

目前，技術(shù)成熟且應(yīng)用較多的光伏組件包括薄膜、單晶硅和多晶硅。薄膜光伏組件多附著于建筑物表面，其柔性好，但光電效率比晶體硅低，因此城鎮(zhèn)污水處理廠內(nèi)光伏發(fā)電不推薦薄膜組件。晶體硅光伏組件以絕對優(yōu)勢占據(jù)著光伏組件市場，主要是由于地球上硅原材料貯量豐富，晶體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，硅半導(dǎo)體器件工藝成熟，對環(huán)境的影響很小，而且有希望進(jìn)一步提高光電效率以降低生產(chǎn)成本。晶體硅光伏組件中多晶硅組件以其成熟度較高，效率穩(wěn)定，價格相對較低等優(yōu)點在國內(nèi)外相關(guān)工程得到了較大規(guī)模的應(yīng)用。

1.2 污水源熱泵

污水源熱泵的主要工作原理是借助污水源熱泵壓縮機(jī)系統(tǒng)，在冬季把存于水中的低位熱能“提取”出來為用戶供熱，夏季則把室內(nèi)的熱量“提取”出來，釋放到水中，從而降低室溫，達(dá)到制冷的效果[5]。水源熱泵系統(tǒng)負(fù)責(zé)為廠區(qū)綜合樓、鼓風(fēng)機(jī)房、變電所等建筑物提供冷風(fēng)或熱風(fēng)，保持人體的舒適感和部分設(shè)備設(shè)施的正常運行溫度。

系統(tǒng)采用閉式污水源熱泵系統(tǒng)，分為污水側(cè)開式子系統(tǒng)、中介水閉式循環(huán)子系統(tǒng)和末端循環(huán)水子系統(tǒng)三個子系統(tǒng)，水源取自處理后的廠區(qū)尾水，尾水先將熱量或冷量傳遞給中介水，中介水再進(jìn)入熱泵機(jī)組進(jìn)行冷熱量轉(zhuǎn)換。設(shè)計時先根據(jù)建筑面積進(jìn)行冷熱負(fù)荷的計算，然后根據(jù)負(fù)荷分別計算得到冬季和夏季的最大小時取水量，最后根據(jù)計算結(jié)果選取對應(yīng)的設(shè)備。目前，該技術(shù)在上海嘉定南翔污水處理廠、北京高碑店再生水廠等工程中得到了應(yīng)用。

上海嘉定南翔污水處理廠水源熱泵系統(tǒng)為廠區(qū)綜合樓和科普館等建筑物提供冷風(fēng)或熱風(fēng)，服務(wù)總建筑面積約9 975 m2，熱負(fù)荷總計637.5 kW，冬季最大小時取水流量為66 m3/h；冷負(fù)荷總計1 167.1 kW，夏季最大小時取水流量為360 m3/h。通過水源熱泵技術(shù)，年可回收熱量9 355 GJ，年標(biāo)煤減少254.13 t，可達(dá)到年碳減排量約666 t 的CO2。

2 工藝設(shè)計

（1）選擇低碳處理工藝

隨著國家對環(huán)保事業(yè)的重視程度不斷提升，污水處理廠的出水標(biāo)準(zhǔn)也在逐步提高。傳統(tǒng)工藝在將污水處理達(dá)標(biāo)的同時，碳排放量也隨之增加，因此要實現(xiàn)低碳處理，需要重新梳理和評估處理工藝。在“雙碳”背景下，污水處理工藝未來發(fā)展方向需從“以能消能”轉(zhuǎn)變?yōu)槟茉蠢?、資源回收和低碳和諧。未來低碳處理工藝方向是碳氮兩段法，即首先對污水中的有機(jī)物進(jìn)行分離，分離出的污泥通過厭氧消化產(chǎn)生沼氣，或?qū)ξ鬯苯舆M(jìn)行厭氧處理產(chǎn)能，分離后含有氨氮的污水通過主流厭氧氨氧化進(jìn)行脫氮。

目前，高效沉淀池在市政污水深度處理中得到廣泛應(yīng)用，但其存在加藥量較大等問題。隨著出水TP 要求逐步提高，需要投加的混凝劑量將會大幅增加。在“雙碳”背景下，未來具有加藥量少，除磷效果優(yōu)的氣浮工藝將會得到進(jìn)一步推廣應(yīng)用。

選用先進(jìn)成熟的除臭工藝，根據(jù)各工序不同的臭氣性質(zhì)和處理目標(biāo)要求優(yōu)化除臭工藝組合方案，在滿足除臭效果的前提下盡可能采用低凈空加罩方式，減少除臭風(fēng)量。

（2）減少提升能耗

構(gòu)筑物非對稱布置時，存在為滿足流程最長的處理線而使流程短的處理線大量跌水的問題，不利于節(jié)能。因此，構(gòu)筑物布置時建議采用同程布置法，利用超高通過堰板調(diào)節(jié)構(gòu)筑物的水位，從而使不同處理線上構(gòu)筑物間總水頭損失相同，節(jié)省提升水頭達(dá)到節(jié)能目的。大型城鎮(zhèn)污水處理廠設(shè)計盡量采用大型渠道配水，優(yōu)化水力計算，節(jié)省配水及管道水頭損失，節(jié)省提升能耗。

（3）提高污水回用率

污水再生利用對每個城市而言都是巨大的穩(wěn)定水源，在確保安全的前提下，污水的再生利用，意味著降低了能耗、節(jié)省了藥耗，既可減少污染物的排放，又可減少碳的排放。在“雙碳”背景下，建議提高污水回用率，減少碳排放。針對除臭用水、建構(gòu)筑物沖洗用水、廠區(qū)道路綠化澆灑、車輛沖洗等對水質(zhì)要求不高的用水點，可采用廠區(qū)尾水直接回用。針對混凝劑溶解稀釋用水等對水質(zhì)要求稍高的溶藥用水，可將尾水進(jìn)一步處理后回用。為促進(jìn)城市資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會的建設(shè)，根據(jù)區(qū)域的用水情況，處理后的再生水可作為周邊小區(qū)生活雜用水。

3 設(shè)備選型

高效低耗設(shè)備的選用是節(jié)能的重要措施，通過優(yōu)選先進(jìn)設(shè)備淘汰替換落后低效設(shè)備，可以大幅降低單位工程的能耗指標(biāo)，相比設(shè)備增加的投資，節(jié)能效益顯著。

（1）機(jī)械設(shè)備

目前，絕大多數(shù)污水處理廠采用鼓風(fēng)曝氣工藝，而鼓風(fēng)機(jī)是此工藝中最為關(guān)鍵的設(shè)備，鼓風(fēng)機(jī)的能耗有時可占城鎮(zhèn)污水處理廠的總能耗的60%左右，風(fēng)機(jī)選擇正確與否與投資大小和運行管理費用密切相關(guān)。建議選用國內(nèi)外效率高、能耗低的鼓風(fēng)機(jī)，電動機(jī)選擇時應(yīng)避免“大馬拉小車”現(xiàn)象。當(dāng)流量在90%～100%范圍內(nèi)變化時，可以通過風(fēng)門、閥門、閥門開度等調(diào)節(jié)，超出該范圍時可采用調(diào)速裝置進(jìn)行節(jié)能。曝氣器建議選用低阻力的剛玉曝氣器，減少曝氣能耗。水泵選型時確保經(jīng)常工作點位于高效區(qū)，采用“變頻水泵和普通水泵”組合的方案，水泵可根據(jù)集水井內(nèi)液位高度自動調(diào)整變頻水泵運轉(zhuǎn)頻率，避免小流量頻繁啟動，達(dá)到節(jié)能的目的。

（2）除臭設(shè)備

藥劑洗滌裝置建議選用高效填料塔，并設(shè)置進(jìn)氣量和噴淋藥劑的連鎖調(diào)節(jié)，減少藥劑投加量；生物濾池進(jìn)氣加濕和噴淋采用一體化設(shè)計，縮短管道線路，減少動力消耗，噴淋水進(jìn)行循環(huán)利用；土壤濾池噴淋水采用高效噴淋器，并自動控制。

（3）電氣設(shè)備

合理選擇變電所的位置，使其深入負(fù)荷中心，合理選擇電纜截面，減少配電干線電纜長度，減少損耗。合理選用變壓器，在保證供電可靠性的同時，使其長期負(fù)載運行在高效區(qū)，降低損耗[6]。采用新型無功補(bǔ)償裝置，提高功率因數(shù)，減少電力網(wǎng)無功損耗。廠區(qū)路燈采用綠色能源-光伏發(fā)電供電，各建筑物室內(nèi)照明選用高效節(jié)能燈具，采用感光控制及智能控制照明時間，以節(jié)約電耗。地下廠建議采用智能照明系統(tǒng)，根據(jù)不同運維模式自動控制。

（4）暖通設(shè)備

選用空調(diào)機(jī)組時，選擇其額定工況下性能系數(shù)滿足節(jié)能規(guī)范的產(chǎn)品，并考慮在實際運行工況和部分負(fù)荷時段內(nèi)的綜合性能系數(shù)?？照{(diào)通風(fēng)系統(tǒng)中的各類設(shè)備建議選用效率高、能耗小的產(chǎn)品，空調(diào)機(jī)組的風(fēng)機(jī)單位風(fēng)量耗功率≤0.48 W/（m3·h），普通機(jī)械通風(fēng)系統(tǒng)的單位風(fēng)量耗功率≤0.27 W/（m3·h）。

4 智能控制

（1）采用智能生物控制系統(tǒng)對內(nèi)外回流比進(jìn)行優(yōu)化

普通城鎮(zhèn)污水處理廠內(nèi)外回流比相對恒定且按最不利條件設(shè)計，當(dāng)污泥沉降性能良好，回流濃度高或反硝化速率高，出水NO3-N 很低的情況下，大回流比不僅沒有必要且耗能浪費。采用智能生物控制系統(tǒng)可根據(jù)實際水質(zhì)條件和運行情況，自動給出最佳工況點的各項控制參數(shù)，配合變頻回流泵可實現(xiàn)能耗和運行狀態(tài)的最優(yōu)化，節(jié)電效益顯著。

（2）采用智能加藥系統(tǒng)對加藥量進(jìn)行優(yōu)化

污水處理工藝多樣，在處理環(huán)節(jié)需要投加碳源和多種化學(xué)藥劑，不可避免會產(chǎn)生碳排放。優(yōu)化加藥環(huán)節(jié)，有助于減少碳排放。智能加藥系統(tǒng)是一套獨立的應(yīng)對城鎮(zhèn)污水處理廠出水總磷達(dá)標(biāo)優(yōu)化的控制系統(tǒng)，其目的就是將城鎮(zhèn)污水處理廠化學(xué)除磷工藝段做到“按需加藥”，該系統(tǒng)自動根據(jù)進(jìn)水總磷的負(fù)荷對于城鎮(zhèn)污水處理廠所采用的前端/ 中端/ 后端化學(xué)加藥除磷工藝中投加的PAC 進(jìn)行全自動的計算與控制，確保出水總磷的達(dá)標(biāo)率以及優(yōu)化加藥量，以降低藥劑的用量，從而減少碳排放。

（3）采用智能曝氣控制系統(tǒng)對曝氣量進(jìn)行優(yōu)化

智能曝氣控制系統(tǒng)是一個集成軟件和硬件的智能化系統(tǒng)，其主旨功能是針對城鎮(zhèn)污水處理廠的污染負(fù)荷和工藝運行狀況的變化，實時跟蹤和評估各個曝氣控制區(qū)的曝氣量需求，自動控制鼓風(fēng)機(jī)和空氣調(diào)節(jié)閥，按需調(diào)節(jié)和分配曝氣量，穩(wěn)定精確控制好氧區(qū)的溶解氧的同時，實現(xiàn)活性污泥系統(tǒng)的高效穩(wěn)定運行，從而降低鼓風(fēng)機(jī)的電耗以及藥劑的投加量，實現(xiàn)污水處理廠的運行管理的精細(xì)化，從高效邁向卓越。

為響應(yīng)國家“碳中和、碳達(dá)峰”要求，建設(shè)低碳型現(xiàn)代化污水處理廠，可在生物反應(yīng)池應(yīng)用智能曝氣控制系統(tǒng)。應(yīng)用智能曝氣控制系統(tǒng)后，在單臺風(fēng)機(jī)穩(wěn)定運行在60%以上風(fēng)量時，系統(tǒng)可實現(xiàn)以下效果：

（1）生物池好氧區(qū)溶解氧的實際測量值，其90%以上的波動范圍可穩(wěn)定控制在目標(biāo)設(shè)定值±0.5 mg/L以內(nèi)。

（2）應(yīng)對污水處理廠的實際運行和新型污水處理技術(shù)的對生物池好氧區(qū)的溶解氧控制值需求，當(dāng)生物池溶解氧的低至設(shè)定值0.3～0.5 mg/L時，仍能實現(xiàn)穩(wěn)定精確控制。

（3）通過曝氣就地控制系統(tǒng)和鼓風(fēng)機(jī)優(yōu)化控制系統(tǒng)，根據(jù)進(jìn)水負(fù)荷變化自動調(diào)整和分配風(fēng)量，可降低生物池鼓風(fēng)曝氣系統(tǒng)能耗15%以上。

5 結(jié)語

（1）采用綠色可再生能源替代傳統(tǒng)能源是促進(jìn)節(jié)能減排的有效手段，綜合利用太陽能、污水中的熱能等清潔能源，作為對電能的補(bǔ)充。

（2）選擇低碳處理工藝，廠內(nèi)構(gòu)筑物采用同程布置，節(jié)省提升能耗；提高污水回用率，廠內(nèi)生產(chǎn)用水盡可能利用回用水，減少自來水的消耗。

（3）高效低耗設(shè)備的選用是節(jié)能的重要措施，通過優(yōu)選先進(jìn)設(shè)備淘汰替換落后低效設(shè)備，可以大幅降低單位工程的能耗指標(biāo)，相比設(shè)備增加的投資，節(jié)能效益顯著。

（4）通過智能控制系統(tǒng)對內(nèi)外回流比、加藥量和曝氣量進(jìn)行優(yōu)化，節(jié)約運行能耗。

城鎮(zhèn)污水處理廠是污染減排的主要承擔(dān)者，同時也是主要的碳排放大戶，因此在“雙碳”背景下城鎮(zhèn)污水處理廠的低碳設(shè)計顯得尤為重要。本文從清潔能源的利用、工藝設(shè)計、設(shè)備選型、智能控制等方面對城鎮(zhèn)污水處理廠低碳設(shè)計要點進(jìn)行總結(jié)，以期為城鎮(zhèn)污水處理廠低碳設(shè)計提供可參考借鑒的解決方案。