推進(jìn)污水處理廠減污降碳協(xié)同增效的措施和建議

摘要：污水處理廠對(duì)保護(hù)水環(huán)境、維持生態(tài)平衡、促進(jìn)國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展作出了積極貢獻(xiàn)。傳統(tǒng)污水處理多采用“以能耗能”模式，忽視了污水作為能源和資源的潛質(zhì)，與當(dāng)下“雙碳”目標(biāo)和綠色發(fā)展理念相悖。目前，隨著污水處理要求的不斷變化，污水處理廠管理目標(biāo)已逐步從減少污染物向資源回收、低碳運(yùn)行的方向轉(zhuǎn)變。因此，污水處理廠碳減排需多處著力，應(yīng)以開(kāi)展多層面減污降碳協(xié)同創(chuàng)新為突破口，并在具體實(shí)踐中解決當(dāng)前存在的問(wèn)題，多維度制定減污降碳方案，開(kāi)發(fā)利用新能源新資源，鼓勵(lì)減污降碳科技創(chuàng)新，多舉并措?yún)f(xié)同推進(jìn)污水處理廠高效穩(wěn)定運(yùn)行，助力我國(guó)污水處理廠低碳化發(fā)展。

關(guān)鍵詞：污水處理廠；減污降碳；協(xié)同增效；問(wèn)題；措施建議

引言

隨著工業(yè)生產(chǎn)規(guī)模的不斷擴(kuò)大和城市人口數(shù)量的持續(xù)上升，我國(guó)污水處理廠面臨巨大壓力，污水處理行業(yè)能耗高、碳排放高的問(wèn)題日益凸顯[1]。據(jù)調(diào)查，污水處理行業(yè)碳排放約占全社會(huì)總排放量的1%～2%。可見(jiàn)，開(kāi)展污水處理廠碳減排迫在眉睫。實(shí)現(xiàn)減污降碳協(xié)同增效是推動(dòng)我國(guó)生態(tài)環(huán)境綠色、可持續(xù)發(fā)展的重要途徑之一，因此系統(tǒng)梳理污水處理廠碳排放現(xiàn)狀，整體分析污水處理廠碳減排當(dāng)下要面臨的問(wèn)題，并針對(duì)當(dāng)下面臨的挑戰(zhàn)提出有效措施和建議，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義和戰(zhàn)略價(jià)值。

1污水處理廠碳排放現(xiàn)狀

1.1直接碳排放現(xiàn)狀

直接碳排放是指污水處理過(guò)程現(xiàn)場(chǎng)直接向大氣排放的CO2、CH4 和 N2O等溫室氣體，直接排放占總排放總量的60%以上。通常而言，工藝選型是影響直接碳排放的重要因素之一，在污水處理過(guò)程中，CO2的直接排放主要通過(guò)以下3個(gè)途徑產(chǎn)生。

1.1.1有機(jī)物的好氧降解

污水中的有機(jī)物在好氧條件下經(jīng)過(guò)微生物降解的過(guò)程中會(huì)釋放CO2，在污水處理廠的生物處理單元中，通過(guò)向水中注入氧氣，促使微生物降解有機(jī)物，產(chǎn)生CO2作為代謝產(chǎn)物。

1.1.2微生物的內(nèi)源呼吸作用

污水中的微生物在生長(zhǎng)和代謝過(guò)程中進(jìn)行呼吸作用，從有機(jī)物中釋放出能量，并產(chǎn)生CO2。

1.1.3反硝化過(guò)程

硝酸鹽被還原成氮?dú)?，同時(shí)會(huì)產(chǎn)生CO2。CH4 排放主要發(fā)生在化糞池、管道淤積、污水直接排放等，幾乎在所有的厭氧環(huán)境下有可能產(chǎn)生CH4。N2O的大氣升溫效應(yīng)較CO2高出約165倍，在污水好氧處理過(guò)程中，N2O排放量較高[2]。

1.2間接碳排放現(xiàn)狀

污水處理廠的間接碳排放通常是指處理過(guò)程中使用能源或化學(xué)物質(zhì)所導(dǎo)致的碳排放。間接碳排放是污水處理廠運(yùn)行過(guò)程中需要重點(diǎn)控制的內(nèi)容。長(zhǎng)期實(shí)踐分析，曝氣系統(tǒng)的電能消耗量最高，占總電能消耗的50%～60%；污泥處理系統(tǒng)的電能消耗主要為用生物處理的供氧及污泥的處理處置等步驟；提升系統(tǒng)和回流系統(tǒng)中，污水提升泵的電耗通常占總耗電量的15%～25%。因此，這3個(gè)系統(tǒng)是污水處理廠實(shí)現(xiàn)碳減排的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

1.3不同處理技術(shù)對(duì)碳排放影響現(xiàn)狀

1.3.1污水處理工藝

不同的污水處理工藝對(duì)碳排放的影響有所不同。本文比較分析了當(dāng)下污水處理廠應(yīng)用較多的7種污水生化處理工藝去除單位 COD 的 CO2 排放量，具體數(shù)據(jù)如表1所示。由表1可知， MBR工藝去除單位COD 的 CO2 排放量最高，為 4.45 kg/kg；物理化學(xué)法工藝次之，為4.32 kg/kg ；A2/O 工藝去除單位COD 的 CO2 排放量最低，為4.12 kg/kg。因此，在選擇污水處理工藝時(shí)，應(yīng)該綜合考慮其對(duì)碳排放的影響及其它環(huán)境和經(jīng)濟(jì)因素，以實(shí)現(xiàn)良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

1.3.2污泥處置方式

2022年9月，我國(guó)印發(fā)《污泥無(wú)害化處理和資源化利用實(shí)施方案》，明確提出“污泥無(wú)害化處理和資源化利用的原則、目標(biāo)和措施”，為污水處理廠減污降碳提供了有力支撐。為此，越來(lái)越多的研究人員開(kāi)展了污泥處理處置技術(shù)方面的研究工作。本文結(jié)合相關(guān)研究報(bào)道，對(duì)5種不同污泥處理處置方式的碳排放量進(jìn)行了對(duì)比分析，具體數(shù)據(jù)如表2所示。

由表2可知，污泥填埋處置方式的溫室氣體排放量最大，為0.792 kg/kg；而污泥厭氧消化+沼氣發(fā)電的減排程度最高，為0.133 kg/kg。因此，在選擇污泥處理處置技術(shù)方案時(shí)，應(yīng)堅(jiān)持因地制宜、多樣并存等處理與處置原則，綜合考慮安全、經(jīng)濟(jì)、高效、綠色等因素， 穩(wěn)步推進(jìn)污泥穩(wěn)定化、無(wú)害化和資源化處理與處置。

2污水處理廠碳減排面臨的問(wèn)題

2.1缺乏頂層設(shè)計(jì)監(jiān)管水平有待提升

碳減排是污水處理廠一項(xiàng)重要的工程，具有周期長(zhǎng)、任務(wù)重等特點(diǎn)，應(yīng)突出協(xié)同增效，并強(qiáng)化目標(biāo)協(xié)同、監(jiān)管協(xié)同。美國(guó)、日本等發(fā)達(dá)國(guó)家已將溫室氣體納入污染物范疇，實(shí)施統(tǒng)一環(huán)境監(jiān)管。但我國(guó)目前還未制定統(tǒng)一、完善的溫室氣體排放監(jiān)測(cè)和碳減排控制策略，因而污水處理廠減污降碳、節(jié)能減排等方面缺少頂層設(shè)計(jì)和規(guī)劃。另外，在污水處理廠電耗、藥耗等碳排放的監(jiān)管方面也略顯不足，監(jiān)管政策的不健全、監(jiān)測(cè)與評(píng)估手段的不完善、監(jiān)督管理不到位等問(wèn)題依舊存在；同時(shí)，政府方面更是缺少補(bǔ)貼和激勵(lì)政策，導(dǎo)致我國(guó)污水處理行業(yè)碳減排協(xié)同增效發(fā)力難度大，實(shí)施效果不佳[3]。

2.2減污降碳技術(shù)與設(shè)備方面尚存不足

近些年，盡管我國(guó)污水處理廠減污降碳協(xié)同增效工作一直在有條不紊地推進(jìn)，但從行業(yè)現(xiàn)狀來(lái)看，污水處理廠在協(xié)同治理方面采用的技術(shù)路線不夠成熟，在“高、精、尖”設(shè)備設(shè)施的投入方面也有所不足。美國(guó)、日本等一些發(fā)達(dá)國(guó)家在污水處理廠碳減排技術(shù)研發(fā)方面起步較早，已積累了一定的經(jīng)驗(yàn)，如采用污泥外源協(xié)同消化產(chǎn)生CH4用于發(fā)電，從而實(shí)現(xiàn)污泥資源化利用；回收污水中的有機(jī)能，以減少有機(jī)物的浪費(fèi)和減少對(duì)外部能源的依賴；利用污水中的余溫?zé)崮?，替代化石燃料的使用，從而減少碳排放。雖然近幾年我國(guó)污水處理政策密集出臺(tái)，領(lǐng)域不斷細(xì)化，污水處理廠也逐步向著規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化方向發(fā)展，但是減污降碳技術(shù)、設(shè)備方面仍存在不足，依然沿用老思路、老辦法，對(duì)碳減排的重視度不夠，新技術(shù)應(yīng)用不足，污泥處置設(shè)施固定資產(chǎn)投資占比偏低。

3污水處理廠減污降碳協(xié)同增效措施與建議

3.1多維度制定減污降碳方案

目前，國(guó)外一些發(fā)達(dá)國(guó)家基本已有成熟的污水處理廠碳中和技術(shù)路線圖。而對(duì)于我國(guó)污水處理廠而言，還亟需完善污水處理廠技術(shù)路線圖來(lái)規(guī)范各項(xiàng)工作有序進(jìn)行。因此，在這一關(guān)鍵時(shí)期，政府層面需要發(fā)揮引領(lǐng)作用，為污水處理廠減污降碳提供政策上的支持和保障，建立健全污水處理廠減污降碳監(jiān)管機(jī)制，并配套相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，提高行業(yè)減污降碳責(zé)任意識(shí)，通過(guò)監(jiān)管來(lái)保障方案的落地、施行。另外，還應(yīng)在重點(diǎn)區(qū)域開(kāi)展污水處理廠減污降碳項(xiàng)目示范，并鼓勵(lì)越來(lái)越多的污水處理廠積極、主動(dòng)參與進(jìn)來(lái)，共同研究制定污水處理行業(yè)碳減排技術(shù)文件和發(fā)展路徑，共同支持我國(guó)碳減排目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。

3.2加強(qiáng)新技術(shù)的研發(fā)與應(yīng)用

3.2.1加強(qiáng)節(jié)能降耗和減碳技術(shù)的研發(fā)與應(yīng)用

間接碳排放是污水處理廠減排的重點(diǎn)和難點(diǎn)，需要引起高度關(guān)注。短程硝化反硝化技術(shù)、好氧顆粒污泥技術(shù)、厭氧氨氧化技術(shù)等是目前主流的低碳處理技術(shù)手段。其中，短程硝化反硝化技術(shù)能夠大大降低需氧量、降低碳源，相比傳統(tǒng)工藝可節(jié)約50%的污泥量；好氧顆粒污泥技術(shù)經(jīng)濟(jì)性較高，可節(jié)約35%左右的成本；厭氧氨氧化技術(shù)不需要額外加入碳源，大大降低了CO2的排放量[4]。

3.2.2加強(qiáng)替碳技術(shù)的研發(fā)與應(yīng)用

污水處理廠在運(yùn)行過(guò)程中會(huì)有大量的剩余能源，如果能夠?qū)⑦@些能源（熱能、冷能、化學(xué)能等）進(jìn)行回收利用，不僅可實(shí)現(xiàn)污水處理廠能源的自給自足，還能為其他地區(qū)提供能源或資源。如，將污水中豐富的熱能進(jìn)行回收，實(shí)現(xiàn)熱能集中利用或原位利用，不僅能為污水處理廠自身或者周邊其他區(qū)域進(jìn)行供熱，還有著良好的節(jié)能和減排效果。國(guó)外在這方面已積累了大量經(jīng)驗(yàn)，挪威Asker污水處理廠，通過(guò)熱能回收再利用為空調(diào)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了為28個(gè)商業(yè)建筑供熱；荷蘭Rijnlanden污水處理廠熱能利用實(shí)現(xiàn)了為10000個(gè)家庭供熱。而我國(guó)，只有山東省濰坊市污水處理廠，通過(guò)熱能回收和利用實(shí)現(xiàn)了為辦公區(qū)和住宅樓供暖。

3.2.3加強(qiáng)固碳技術(shù)的研發(fā)與應(yīng)用

由于實(shí)現(xiàn)污水處理過(guò)程CO2 直接排放為零幾乎是不可能的，因此應(yīng)加強(qiáng)固碳技術(shù)的研發(fā)與應(yīng)用。生物法利用了微生物的生物催化能力，通過(guò)生物體內(nèi)的代謝途徑將CO2轉(zhuǎn)化為有機(jī)物質(zhì)或其他有用的化合物，相比傳統(tǒng)的化學(xué)法，生物法具有環(huán)境友好、綠色無(wú)污染、反應(yīng)條件溫和等優(yōu)勢(shì)，目前已經(jīng)在一些領(lǐng)域得到了應(yīng)用。近幾年，相繼開(kāi)發(fā)的微生物電化學(xué)裝置，不僅能將CO2轉(zhuǎn)化為CH3COOH、HCHOH等化學(xué)材料，減少污水處理廠的碳排放，還提升了企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益，具有良好的市場(chǎng)應(yīng)用前景。

3.3加強(qiáng)智慧化建設(shè)助力運(yùn)行管理

建設(shè)智慧污水處理廠，不僅可以實(shí)現(xiàn)污水處理廠的全流程自動(dòng)化控制、運(yùn)維數(shù)字化管理，還能改善環(huán)境質(zhì)量、促進(jìn)科技創(chuàng)新，為環(huán)境保護(hù)做出重要貢獻(xiàn)。目前，越來(lái)越多的污水處理廠開(kāi)始建立全廠閉環(huán)運(yùn)行和系統(tǒng)的自診斷能力，進(jìn)而達(dá)到改進(jìn)操作水平、改善出水水質(zhì)并提高操作效率的目標(biāo)。如，通過(guò)實(shí)現(xiàn)混凝劑投加環(huán)節(jié)的智能化運(yùn)行，智慧污水處理廠可提高混凝劑投加的精準(zhǔn)度和效率，降低運(yùn)行成本，同時(shí)減少人為操作帶來(lái)的錯(cuò)誤風(fēng)險(xiǎn)，提高處理效率，保證污水處理系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。智慧污水處理廠，既能對(duì)廠內(nèi)設(shè)備設(shè)施信息、設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)、等信息的集中采集，又能對(duì)污水處理廠周邊數(shù)據(jù)進(jìn)行按需采集，從而全面了解和感知污水處理廠的運(yùn)行狀態(tài)和環(huán)境情況[5]。同時(shí)，基于大數(shù)據(jù)分析技術(shù)，建立智慧污水處理廠數(shù)學(xué)模型，通過(guò)監(jiān)測(cè)進(jìn)水水質(zhì)、水量，智能調(diào)節(jié)加藥量、曝氣量、污泥回流量等，以提升污水處理廠的整體信息化水平，實(shí)現(xiàn)管理協(xié)同的目標(biāo)，進(jìn)而促進(jìn)污水處理廠開(kāi)展減污降碳協(xié)同增效工作，使污水處理廠節(jié)能降耗、出水水質(zhì)穩(wěn)定達(dá)標(biāo)。

3.4開(kāi)發(fā)利用新能源

推動(dòng)太陽(yáng)能、風(fēng)能、氫能等綠色能源的高效利用，對(duì)降低污水處理廠的能源需求及減少由化石能源消耗帶來(lái)的CO2排放具有重要作用。污水處理廠通常需要大量的能源來(lái)運(yùn)行攪拌、曝氣、泵送等設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)等，而利用光伏發(fā)電系統(tǒng)，不僅可將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為電能滿足污水處理廠污水處理過(guò)程的用能，還可減少由化石能源消耗帶來(lái)的CO2排放。據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)調(diào)查，采用太陽(yáng)能發(fā)電技術(shù)，1年能夠減少大概 10 萬(wàn) t的 CO2排放。但在污水處理廠內(nèi)進(jìn)行太陽(yáng)能發(fā)電技術(shù)的利用時(shí)，需進(jìn)行合理規(guī)劃和布局。因此，可選擇廠區(qū)內(nèi)的綠化地帶、停車場(chǎng)、辦公建筑屋頂?shù)冗m合安裝光伏電池組件的位置，最大限度地利用空間，實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽(yáng)能的開(kāi)發(fā)利用，降低對(duì)化石能源的消耗及減少CO2排放。

結(jié)語(yǔ)

隨著“雙碳”目標(biāo)的提出，污水處理廠亟需轉(zhuǎn)變經(jīng)營(yíng)與發(fā)展理念，應(yīng)逐步向著全流程減碳設(shè)計(jì)、資源化利用的模式方向轉(zhuǎn)變。污水處理廠可立足實(shí)際，將污染排放治理與碳排放治理實(shí)施統(tǒng)一規(guī)劃，強(qiáng)化污水廠減污降碳技術(shù)布局。同時(shí)，針對(duì)污水處理廠當(dāng)下面臨的問(wèn)題，推進(jìn)新技術(shù)的研發(fā)與應(yīng)用，并多維度制定減污降碳方案，開(kāi)發(fā)利用新能源，加強(qiáng)智慧化建設(shè)助力運(yùn)行管理，逐步建立以政策支持為推動(dòng)力和技術(shù)創(chuàng)新為行動(dòng)力的碳減排新路徑，實(shí)現(xiàn)污水處理廠的提質(zhì)增效。

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作者簡(jiǎn)介

董淼（1987—），男，漢族， 浙江紹興人，工程師 ，碩士 ，研究方向?yàn)樯鷳B(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)與管理。

加工編輯：馮為為

收稿日期：2024-04-24