更嚴格排放標準下的市政污水處理廠工程設計與碳排放分析
——以寧波某污水處理廠為例

章智勇

(上海市政工程設計研究總院<集團>有限公司,上海 200092)

我國提出“碳排放力爭于2030年前達到峰值,努力爭取2060年前實現(xiàn)碳中和”的“雙碳”目標。污水處理行業(yè)碳排放量占全社會總排放量的1%～2%[1],污水處理減少碳排放量有助于我國“雙碳”目標的實現(xiàn)。污水處理碳排放主要來源于污水處理過程產生的溫室氣體直接排放,以及電能消耗和藥劑消耗產生的間接排放[2]。歐洲各國在碳減排及能源資源回收利用方面做出了有益的嘗試,調查[3]顯示,約40%的意大利污水處理廠進行了能源或資源回收,對降低碳排放有促進作用;德國Bochum-?lbachtal污水處理廠通過優(yōu)化進水模式、降低設備能耗從而降低碳排放量;德國K?hlbrandh?ft/Dradenau污水處理廠通過污泥消化沼氣發(fā)電與污泥焚燒熱能回收、使用清潔能源的方式實現(xiàn)碳減排;希臘Chania污水處理廠通過污泥消化熱電聯(lián)產、使用清潔能源、植樹造林等方式進行碳減排;芬蘭Kakolanm?ki污水處理廠通過出水余熱回收及厭氧消化回收熱、電實現(xiàn)碳減排[4-5]。目前,我國已開展污水處理廠碳排放情況初步分析[6-8],城鎮(zhèn)污水處理行業(yè)溫室氣體排放的核算及減排已成為節(jié)能減排領域關注的重點之一[9],進行污水處理廠污染物去除過程碳排放分析,在此基礎上提出針對性減排措施對污水處理廠碳減排目標實現(xiàn)更具應用價值。

本文以寧波某新建污水處理廠為研究對象,對“類Ⅳ類”(除TN外,其余主要污水排放指標均達到地表水Ⅳ類標準)排放標準下污水處理廠設計進行介紹,并進行污水處理廠污染物去除過程碳排放核算,提出溫室氣體減排方案,為本工程和同類工程提供參考。

1 項目背景

寧波某地現(xiàn)狀污水處理廠已滿負荷運行,隨著區(qū)域經濟發(fā)展,污水排放量日益增加,根據(jù)用地性質規(guī)劃,原污水廠用地不能滿足新建污水處理廠用地需求,需在異地新建污水處理廠,滿足片區(qū)市政污水處理需要。市政污水中工業(yè)廢水占比約為25%,工業(yè)廢水以印染園區(qū)廢水為主。新建污水處理廠近期設計規(guī)模為10萬m3/d,尾水排放管及廠前區(qū)按遠期規(guī)模(45萬m3/d)一次建成。此外,新建污水處理廠接收150 m3/d老城區(qū)化糞池糞便污水。出水水質達到“類Ⅳ類”水排放標準。新建污水廠污泥處理包括本廠污水處理產生的污泥及運至新建廠15 t Ds/d(脫水至含水率為80%)的市政污泥,污泥處理總規(guī)模為42 t Ds/d,污泥處理至含水率≤40%后外運處置。新建污水處理廠協(xié)同處理本廠污水、污泥及接收的糞便污水、污泥。

2 處理目標及工藝流程

污水廠進水含工業(yè)廢水,不宜按照生活污水水質的預測方法進行分析,工程采用類比法對同一排水系統(tǒng)內現(xiàn)狀污水廠進水水質進行分析預測,并考慮糞便處理、污泥處理水質影響,綜合確定設計進水水質。污水處理廠出水水質pH、化學需氧量(COD)、5日生化需氧量(BOD5)、氨氮、總磷(TP)、石油類、陰離子表面活性劑達到地表水Ⅳ類要求,TN小于10 mg/L、懸浮物(SS)小于5 mg/L、色度小于15倍,動植物油、糞大腸桿菌群數(shù)達到現(xiàn)行城鎮(zhèn)城鎮(zhèn)污水處理廠一級A排放標準。污泥在廠內處理至含水率≤40%后外運處置。新建污水處理廠主要進出水水質指標如表1所示。

表1 設計進出水水質Tab.1 Designed Water Quality of Influent and Effluent

污水處理廠出水排放標準高且進水含工業(yè)廢水,污水處理難度大,根據(jù)進水水質特性在預處理工藝段設置水解酸化池,污水處理主體工藝采用多模式AAO+高效沉淀池+反硝化深床濾池+臭氧接觸池,深度處理區(qū)設置活性炭池,根據(jù)進水水質情況與臭氧接觸池聯(lián)用。糞便污水采用固液分離工藝,處理后污水進入進水泵房與市政污水一同處理。

新建污水廠產生的污泥經過機械預濃縮后進入生物淋濾池處理,外運污泥采用二沉池剩余污泥稀釋后進入生物淋濾池,污泥經生物淋濾預處理后進入板框脫水系統(tǒng),板框脫水污泥通過低溫干化工藝使含水率降至40%以下。本工程工藝流程如圖1所示。

圖1 工藝處理流程Fig.1 Process Flow of Project

3 污水處理廠工程設計

3.1 預處理區(qū)

污水廠服務范圍內存在較高比例的工業(yè)廢水,BOD5與CODCr波動幅度較大,對區(qū)域現(xiàn)狀污水處理廠不同時段的進水水質數(shù)據(jù)進行分析,結果表明,部分時段兩者比例明顯失調(BOD5/CODCr<0.3),本工程在預處理階段設置2座推流式水解酸化池,改善污水的可生化性。

3.2 二級處理

生反池采用多模式AAO處理工藝,可以根據(jù)進水水量、水質特性和環(huán)境條件的變化,實現(xiàn)常規(guī)AAO工藝、改良AAO工藝、倒置AAO工藝等多種模式的切換,有效提高生物處理效率和容積利用率,充分利用進水中碳源,最大限度利用污水自身碳源進行生物脫氮除磷保證出水水質穩(wěn)定達標,節(jié)省能耗。

3.3 深度處理

污水廠設計出水要求TP質量濃度小于0.3 mg/L,工程設置1座高效沉淀池,分2組,每組處理流量為5萬m3/d,絮凝區(qū)采用機械絮凝和水力絮凝相結合方式提高絮凝效果,機械絮凝出水后,采用隔板水力絮凝,然后進入斜管沉淀池沉淀。本工程設置1座反硝化深床濾池,對高效沉淀池出水進行進一步處理。

本工程設置一座臭氧接觸池,去除難降解CODCr、降低出水色度,臭氧接觸池停留時間為45 min,臭氧投加質量濃度為10 mg/L。臭氧接觸池采用壓力蓋板,頂板設置2套尾氣破壞器裝置。為進一步去除難降解CODCr、降低出水色度,本工程設置1座活性炭池與臭氧接觸池聯(lián)用。

3.4 污泥處理

工程采用“稀釋+生物淋濾池”工藝對運送至本廠含水率為80%的污泥進行預處理,利用新建污水處理廠剩余污泥稀釋現(xiàn)狀脫水至含水率為80%的污泥,稀釋后的污泥通過2臺污泥泵(1用1備)提升進入生物淋濾池。工程采用“機械濃縮+生物淋濾池”工藝對新建污水廠污泥進行預處理,污泥經2臺疊螺濃縮機濃縮后進入生物淋濾池。

污泥經生物淋濾池處理后,通過柱塞泵提升進入板框脫水機處理,設置5臺高壓板框脫水機,板框脫水后污泥經皮帶輸送機,輸送至低溫干化機干化處理,設置2臺低溫干化機,污泥含水率降至40%后外運焚燒處置。

4 污水處理廠污染物去除碳排放分析

污水處理廠采用生物、物理化學等技術措施削減排入環(huán)境的污染物總量,污染物去除過程同時產生溫室氣體排放。污水處理廠溫室氣體排量主要與甲烷(CH4)回收量、污水處理及污泥處理過程中的CH4排放量、去除TN過程中氧化亞氮(N2O)的排放量、電力消耗量等因素有關[10]。目前,應用較為廣泛的污水處理碳排放核算研究方法主要有直接實測法、排放因子法、質量平衡法、碳足跡法、模型法5類,實測法在國內應用不多,現(xiàn)有碳排放計算方法中排放因子法應用廣泛[11]。

本文以《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物去除協(xié)同控制溫室氣體 核算技術指南(試行)》核算方法為基礎,并考慮污水處理過程藥劑投加產生的溫室氣體排放量,進行污水處理廠污染物去除過程碳排放分析。聯(lián)合國政府間氣候變化專門委員會(IPCC)協(xié)議,由生物代謝產生的CO2不計入溫室氣體排放。本工程未涉及回收CH4,污水處理產生污泥最終焚燒處置產生的CO2為生物代謝產生,溫室氣體排放分析中不進行回收CH4及處理污泥處置產生的溫室氣體排量計算。對污水處理廠污染治理設施運行所產生的污染物去除量和溫室氣體減排量進行核算,本工程污染物去除過程中溫室氣體排放量計算如式(1)～式(5)[10-12]。

E1=[(RCOD-S×PS)·ECH4-WCH4] ×GCH4

(1)

其中:E1——去除CODCr所產生的CH4折算為CO2當量的年排放量,t CO2-eq/a;

RCOD——CODCr年去除量,t CODCr/a;

S——污泥干物質年產生量,t/a;

PS——污泥干物質中有機物質含量,本工程取值為0.5,t CODCr/t;

ECH4——CH4排放因子,t CH4/(t CODCr);

WCH4——CH4年回收量,t CH4/a;

GCH4——CH4全球增溫潛勢值,取值為28[12]。

ECH4=B0×M

(2)

其中:B0——最大CH4產生潛勢,取值為0.25,t CH4/(t CODCr);

M——CH4修正因子,本工程取0.165[13]。

E2=RTN×EN2O×CN2O/N2×GN2O

(3)

其中:E2——去除TN產生的N2O折算為CO2當量的年排放量,t CO2-eq/a;

RTN——TN年去除量,t N/a;

EN2O——單位質量的氮能夠轉化為N2O的氮量,本工程取值為0.005,t N2O-N/(t N);

CN2O/N2——N2O/N2分子量之比,44/28;

GN2O——N2O全球增溫潛勢值,取值為265[12]。

E3=EH×ECO2×GCO2

(4)

其中:E3——設備運行年耗電力產生的CO2排放當量,t CO2-eq/a;

EH——設備運行年耗電量,經核算本工程取值為25 071,MW·h/a;

ECO2——電力CO2排放因子,本工程取值為0.792 1,t CO2/(MW·h)[12];

GCO2——CO2全球增溫潛勢值,取值為1。

(5)

其中:E4——藥劑產生的CO2排放當量,t CO2-eq/a;

fc,i——第i種化學藥劑的CO2排放因子,聚合氯化鋁(PAC)為1.62 t CO2/t,聚丙烯酰胺(PAM)為1.50 t CO2/t,次氯酸鈉為0.92 t CO2/t,其他藥劑為1.6 t CO2/t[12],t CO2/t;

Mc,i——第i種化學藥劑的用量,本工程PAC投加量為10.4 t/d,PAM為0.21 t/d,次氯酸鈉為10 t/d,其他藥劑為0.6 t/d,t/d;

m——藥劑的種類數(shù)量。

由表2可知,本工程污染物去除過程中溫室氣體排放量為42 018.5 t CO2-eq/a,其中電力消耗產生溫室氣體排放源最強,占溫室氣體總排量47.3%。本工程需對外運污泥進行脫水干化協(xié)同處理,污泥處理規(guī)模已達到16萬m3/d污水處理廠產生的污泥量,污泥處理電耗占污水處理廠總電耗24.48%。進水中含工業(yè)廢水,需利用臭氧對污水進行深度處理,氧氣分離及臭氧制備設施運行產生電耗占污水處理廠總電耗23.04%。污水處理鼓風曝氣電耗占總電耗16.05%,污水提升電耗占總電耗13.76%。

表2 污染物去除量及溫室氣體排放量核算Tab.2 Accounting of Pollutant Removal and Greenhouse Gas Emission

本工程藥劑消耗產生的溫室氣體排放占比為23.7%,去除CODCr及TN產生的溫室氣體排放占比為29.0%。污染物去除量中TN與CODCr質量比約0.08∶1,但去除TN與CODCr產生溫室氣體排量比值約0.23∶1,N2O全球增溫潛勢值約為CH4全球增溫潛勢值的9.46倍,污水廠污染物去除過程中控制CH4產生的同時,也應注重對N2O氣體產生的控制。

工程設計階段采用低碳技術,降低污水處理過程溫室氣體排放。污泥處理電耗占污水廠運行總電耗比重最大,污泥脫水干化工藝采用運行能耗低的板框脫水+低溫干化工藝,污泥干化采用熱泵循環(huán)系統(tǒng),節(jié)省污泥脫水干化過程電耗。此外,污泥調理采用生物淋濾工藝,減少污泥調理過程化學藥劑投加,從而降低碳排量。污水深度處理采用臭氧、活性炭聯(lián)用工藝,利用活性炭與臭氧催化氧化反應,促進臭氧產生自由基[14],更有利于有機物的氧化降解,提高臭氧的氧化效率,節(jié)省臭氧投加量,從而減少臭氧設施運行能耗,降低溫室氣體排放量。預處理區(qū)采用旋流沉砂池,節(jié)省運行能耗,同等條件下相比曝氣沉砂池每年可以減少184.88 t CO2-eq電力消耗導致的溫室氣體排放。此外,污水處理廠設置精確曝氣系統(tǒng),根據(jù)生反池曝氣情況對鼓風機曝氣量進行實時反饋調控,在滿足污水處理要求的同時,最大限度降低運行能耗,減少溫室氣體排放量。

污水處理溫室氣體排放與污水處理工藝選擇、進水水質、出水標準等因素直接相關。北京通州某再生水廠采用AAO+生物膜反應器(MBR)工藝,出水執(zhí)行北京市地方標準一級限值B標準,單位污水處理溫室氣體排放量約為2.26 kg CO2-eq/t[15];浙江某污水處理廠采用移動床生物膜反應器(MBBR)對循環(huán)式活性污泥(CAST)工藝進行改造,出水達到“類Ⅳ類”水要求,單位污水處理溫室氣體排放量由改造前1.04 kg CO2-eq/t降至0.79 kg CO2-eq/t[16]。污水處理廠所在地區(qū)環(huán)境溫度,影響運行電耗及藥劑投加量,進而影響污水處理溫室氣體排放量。呼和浩特市兩座污水處理廠分別采用CASS和AAO工藝,單位污水處理溫室氣體排放量分別為1.94 kg CO2-eq/t和1.84 kg CO2-eq/t[17]。本工程單位污水處理溫室氣體排放量為1.15 kg CO2-eq/t,由于本工程進水水質中含工業(yè)廢水,且需進行糞便污水及外運15 t Ds/d污泥脫水干化的協(xié)同處理,相對同等處理要求污水處理廠單位污水處理溫室氣體排量較少,具有溫室氣體減排優(yōu)勢。

在“碳中和”“碳達峰”戰(zhàn)略背景下,污水處理廠響應“雙碳”需求,運行過程也需考慮降低溫室氣體排放措施,本工程可利用多模式AAO工藝的靈活性,調整處理模式應對進水條件變化,充分利用進水中碳源進行脫氮除磷,減少深度處理段藥劑的投加,降低藥劑導致的溫室氣體排放,另一方面可優(yōu)化能源結構,如廠區(qū)生物反應池頂及建筑屋頂設置光伏發(fā)電裝置,降低外購電能消耗,設置水源熱泵系統(tǒng),利用尾水廢熱作為廠區(qū)空調系統(tǒng)熱源,降低電力消耗導致的溫室氣體排放。

5 結論與建議

寧波某新建污水廠通過工程措施實現(xiàn)外運糞便廢水、外運80%含水率污泥、污水廠服務范圍內污水、污水處理過程中產生的污泥協(xié)同處理。工程針對進水水質設置水解酸化池提高進水可生化性,生反池采用可根據(jù)進水情況靈活調整運行模式的多模式AAO工藝,深度處理區(qū)采用“高效沉淀池+深床反硝化濾池+臭氧接觸池(旁路活性炭池)”工藝,尾水經次氯酸鈉消毒,主要出水水質達到“類Ⅳ類”標準后排放。污泥處理采用“生物淋濾+高壓板框+低溫干化”工藝,出泥含水率≤40%后外運處置。本工程工藝路線和設計參數(shù)可為同類排放標準下新建污水處理廠及現(xiàn)狀污水處理廠提標工程提供參考。

污水處理廠污染物去除過程中溫室氣體排放量為42 018.5 t CO2-eq/a,最大溫室氣體排放源為電力消耗產生。污水處理廠采用熱泵循環(huán)系統(tǒng)、臭氧活性炭聯(lián)用等低碳處理工藝,單位污水處理溫室氣體排放量為1.15 kg CO2-eq/t。建議運行中優(yōu)化能耗管理,利用多模式AAO的可調性靈活應對進水水質變化,充分利用進水中碳源進行脫氮除磷,采用光伏發(fā)電、水源熱泵系統(tǒng)等再生能源措施,減少污水處理中的溫室氣體排放。