“雙碳”背景下城市污水廠低碳技術評估研究
——以馬來西亞PANTAI污水廠為例

■ 中國市政工程西南設計研究總院有限公司 丁瑤 王雪原 王胤 張學兵

綠色低碳發(fā)展是當今時代的主旋律，同時也是生態(tài)文明建設的必然要求，努力控制并減少化石能源消費以及由此引發(fā)的碳排放，已成為全球共識。2016年，我國作為全球能耗及碳排放大國，在《巴黎協(xié)定》中向全世界作出承諾，2030年左右達到二氧化碳排放峰值。5年后，中國提出一個更加明確而有力的目標，力爭在2030年前實現(xiàn)碳達峰，2060年前實現(xiàn)碳中和[1]?！半p碳”目標的實現(xiàn)，不僅是我國對世界的承諾，更是指導各行業(yè)發(fā)展的明燈。

城市污水處理廠是污染減排的主要承擔者，污水處理行業(yè)碳排放量占我國總排放量的1%～2 %[2]，在碳達峰與碳中和階段發(fā)揮著重要作用。美國水環(huán)境聯(lián)合會（WEF）提出污水處理廠不再是處理廢物的工廠，而是水資源回收工廠，之后這一理念得到了廣泛認可。當前，國外已有污水廠通過能源利用或技術革新實現(xiàn)碳中和的典型案例。目前，我國城市污水處理廠的綠色低碳轉(zhuǎn)型之路剛剛起步，《國務院關于加快建立健全綠色低碳循環(huán)發(fā)展經(jīng)濟體系的指導意見》（國發(fā)〔2021〕4號）、《“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）等一系列指導性政策文件的出臺，明確了城市污水廠的建設要向著無害化、資源化、節(jié)能低碳、系統(tǒng)協(xié)調(diào)等方向發(fā)展。因此，如何進一步降低城市污水廠碳排放量、降低能耗，是水務工作者探求的目標。

在“雙碳”目標下，評估污水廠綠色低碳技術的碳減排當量及成本節(jié)約情況，對我國市政污水廠綠色低碳發(fā)展具有重要的指導意義。本文以馬來西亞吉隆坡PANTAI污水廠為例，估算雨水利用與污水再生回用、水源熱泵、沼氣發(fā)電、光伏發(fā)電、光導纖維采光、精準曝氣和景觀綠地7項低碳技術的碳減排當量或固定量，評估各項技術的能耗與成本節(jié)約，提出城市污水廠未來工藝的選擇方向，以期為我國城市污水廠綠色低碳轉(zhuǎn)型提供參考，進一步助力“雙碳”目標實現(xiàn)。

工程概況與方法

馬來西亞PANTAI污水處理廠項目（圖1）是馬來西亞第一座地埋式污水處理廠，位于吉隆坡Pantai區(qū)，設計規(guī)模32萬t/d，服務人口約140萬。該廠址原為氧化塘工藝污水處理廠，隨著城市發(fā)展成為“城中廠”，嚴重影響市容市貌和居民感官，制約了周邊土地開發(fā)與價值提升。后來，將原廠址覆土改造為綠化面積近10萬m2的體育公園，地下為污水廠主體，采用“旋流沉砂池+改良A2O生化池+矩形二沉池+紫外消毒池”工藝，污泥一部分脫水外運，一部分處置采用“污泥濃縮池+污泥厭氧消化罐+沼氣發(fā)電”（圖2）。該污水廠項目集成了智能調(diào)控、水源熱泵、光導纖維采光、沼氣發(fā)電、雨水回收利用、光伏發(fā)電等綠色低碳技術。自2014年正式通過驗收后，一直穩(wěn)定運行至今，出廠水質(zhì)、大氣污染物、廠界噪聲排放達到馬來西亞《城市污水處理廠污染物排放標準》，產(chǎn)生了良好的社會效益、經(jīng)濟效益與環(huán)境效益。

圖1 馬來西亞PANTAI污水處理廠實景圖

圖2 PANTAI污水廠工藝流程圖

相比傳統(tǒng)污水處理廠而言，地埋式污水處理廠具有以下優(yōu)點：一是解決鄰避問題，對廠區(qū)周邊環(huán)境友好；二是構筑物集約化程度高，土地資源利用效率高；三是上部地面空間可以開發(fā)利用，有利于城市土地價值提升；四是在寒冷地區(qū)有利于處理設施保溫。同時，地埋式污水處理廠也具有明顯的缺點：一是構筑物埋深大，設計、施工難度大；二是建設投資高于地面廠；三是配套通風、照明、消防等要求高；四是運行能耗高于同規(guī)模地面廠；五是擴建難度大。因此，與傳統(tǒng)污水處理廠相比，地埋式污水處理廠更應該采用低碳技術來降低其運行能耗。

本研究結合該污水廠項目的設計基礎資料，針對其綠色低碳技術進行深入剖析，評估其碳減排量。為方便比較，本文均按照國內(nèi)相關標準和文獻的計算方法和取值進行碳排放計算。

植被固碳量計算方法

綠地中的植物固碳量估算方法依照《城市綠化碳匯計量與監(jiān)測技術規(guī)程》（DB33/T 2416—2021）與《城鎮(zhèn)水務系統(tǒng)碳核算與減排路徑技術指南》，計算公式如下：

CSSzb=EFzb·Szb

式中，CSSzb為植被固碳量，kg CO2-eq；EFzb為植被固碳因子，kg CO2-eq/m2；Szb為植物覆蓋面積，m2。

電能回收減碳量計算方法

PANTAI污水廠部分污泥通過厭氧消化技術回收甲烷氣體，用其發(fā)電再供污水廠運行使用，節(jié)約外購電量，二氧化碳當量的減少量計算公式如下：

CSSe=EFcs-d·EFd/Qin

式中，CSSe為電能回收減碳量，kg CO2-eq/m3；EFcs-d為評價年內(nèi)生產(chǎn)的總電能，kWh/a；EFd為該地區(qū)電力排放因子，kg CO2-eq/kWh；Qin為評價年內(nèi)生活污水處理總量，m3/a。

熱能回收減碳量計算方法

PANTAI污水廠通過水源熱泵技術回收熱能，用于廠前區(qū)綜合樓、設備間的制冷，代替?zhèn)鹘y(tǒng)的空調(diào)制冷方式，有效節(jié)約標煤電量，二氧化碳當量的減少量計算公式如下：

CSSh=EFcs-h·EFh/Qin

式中，CSSh為熱能回收減碳量，kg CO2-eq/m3；EFcs-h為評價年內(nèi)可向污水處理系統(tǒng)外輸出的熱能，GJ/a；EFh為化石燃料排放因子，kg CO2/GJ；Qin為評價年內(nèi)生活污水處理總量，m3/a。

工程設計

雨水利用與污水再生回用。PANTAI污水廠地面以上是體育公園，其景觀用水全部來自于污水廠處理后的再生水及收集再利用的雨水（圖3）。雨水和污水再生回收利用可以減少自來水的使用量，這意味著降低了自來水生產(chǎn)過程中所產(chǎn)生的能耗與藥耗，從而減少碳的排放量。PANTAI污水廠再生尾水通過“超濾膜”過濾后，經(jīng)臭氧消毒脫色，最終供地面景觀循環(huán)使用。再生水與自然水體或自來水相比，具有水量穩(wěn)定、水源可靠、引水路徑短、水價低廉等優(yōu)點，污水再生回用是實現(xiàn)污水廠綠色低碳發(fā)展的有效路徑之一。同時，PANTAI污水廠廠區(qū)設計引入海綿城市理念設計雨水利用系統(tǒng)，雨水水質(zhì)較好，可直接用于市政用水和景觀用水等。由于削減了廠區(qū)范圍雨水排放量，也可大大減輕雨水管網(wǎng)和城市防洪系統(tǒng)的負荷。PANTAI污水廠平均每日回用再生水1400m3，全年可減少碳排放量約363.7t。

圖3 PANTAI污水廠雨水利用與污水回用實景圖

水源熱泵。馬來西亞氣候炎熱，水源熱泵技術可利用比熱較大的污水處理尾水，隨著尾水流動帶走空氣中的熱量，通過這種換熱為建筑及地下箱體內(nèi)房間供空調(diào)冷源，代替?zhèn)鹘y(tǒng)空調(diào)機柜，更加節(jié)能環(huán)保。PANTAI污水廠配置帶有熱回收功能的水冷冷水機組，污水將冷量傳遞給中介水后，再進入熱泵機組完成冷量轉(zhuǎn)換（圖4）。因常規(guī)循環(huán)冷卻塔式冷水機組的冷卻水進出口溫度為30℃和35℃，而污水源冷水機組的換熱器進出口污水尾水溫度25℃到30℃，這樣冷凝溫度可降低5℃，系統(tǒng)效率提高15%—20%。同時，由于直接向污水排放尾水中排熱，這樣就不需通過冷卻塔進行冷卻。不需要循環(huán)冷卻水，不產(chǎn)生熱島效應和局部霉菌數(shù)量超標，有利于節(jié)能環(huán)保。項目省去冷卻水系統(tǒng)，投資節(jié)省10%，運行電耗為常規(guī)系統(tǒng)能耗的40%—50%，每年可減少碳排放量約4162.8t。

圖4 水源熱泵技術示意圖

沼氣發(fā)電。PANTAI污水廠每日剩余活性污泥量為44.8tDS/d，經(jīng)厭氧消化后產(chǎn)沼氣量約為9900m3。消化罐內(nèi)沼氣收集后經(jīng)礫石過濾器去除冷凝水，再進入生物脫硫塔去除硫化氫，經(jīng)此預處理的沼氣儲存在雙層膜球沼氣柜中（圖5）。在儲氣柜內(nèi)沼氣再次經(jīng)過濾干燥加壓后，通過熱電聯(lián)供沼氣發(fā)電機組，從而實現(xiàn)利用污水中的污泥消化所產(chǎn)生的沼氣燃燒發(fā)電，以及沼氣發(fā)電機組的冷卻水與廢氣中的熱量為污泥厭氧消化增溫，從而減少化石能源的消耗，大大減少二氧化碳、甲烷等溫室氣體的排放[3]。目前，PANTAI污水廠日均總用電量為4.41萬kWh，沼氣自發(fā)電量占總用電量的5%—10%左右，全年減少碳排放772.6t—1543.3t。

圖5 PANTAI污水廠厭氧消化罐實景圖

光伏發(fā)電。馬來西亞吉隆坡日照充足，太陽能資源非常豐富，為4.9kWh/(sqm·天)，具備發(fā)展太陽能光伏電站的良好條件。為充分利用當?shù)靥柲苜Y源，依據(jù)國際和馬來西亞電器標準和規(guī)范，PANTAI污水廠廠區(qū)車棚頂面鋪設太陽能板，地面建設了200kW的獨立太陽能電站。PANTAI污水廠太陽能發(fā)電系統(tǒng)采用819塊240W單晶硅光伏電池組件，成3組光伏陣列，7串39并組組成。充分利用白天的陽光儲能到蓄電池中，在滿電情況下，太陽能發(fā)電直接供給負載使用。停電時，通過逆變器以交流電形式供給發(fā)展總部大樓負載使用，可維持200kW系統(tǒng)用電約4.6h，全年可產(chǎn)生約33.6萬度電，減少碳排放量約為322.4t/年。

光導纖維采光。PANTAI污水廠利用景觀水體作為下部采光通道（圖6），白天利用自然光照明。綠地中設置光導照明系統(tǒng)采光設施，并結合景觀預留照明窗，充分利用日光實現(xiàn)箱體、隧道空間白天零能耗的綠色照明。理論上，全年可節(jié)約電量47.3萬kWh、減少碳排放量約為450t。此外，各照明控制箱和按鍵面板采用總線連接方式，實現(xiàn)手/自動控制燈具點亮組態(tài)、多方位異地控燈、中控室集中控燈、定制控燈等功能。當發(fā)生火災時，可自動強制亮燈，智能燈控系統(tǒng)實現(xiàn)了安全生產(chǎn)保障和高效節(jié)能管控。

圖6 PANTAI污水廠采光通道實景圖

智能化管控。PANTAI污水廠采用“精準曝氣系統(tǒng)”及EICA智能監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)可對全廠進行分散控制和集中管理，大大提高了系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。各現(xiàn)場控制單元還可獨立運行，并通過通訊總線與中央控制室連接，組成全廠集中管理系統(tǒng)。同時，采用開放式網(wǎng)絡結構，使廠內(nèi)辦公管理系統(tǒng)方便接入總系統(tǒng)，并充分考量遠期技術、設備升級接入空間。系統(tǒng)設計主要包含自控設計、控制系統(tǒng)和儀表系統(tǒng)三個方面。其中，自控設計采用國內(nèi)外先進的集散型計算機系統(tǒng)進行自動控制和管理?？刂葡到y(tǒng)由中心控制室和現(xiàn)場PLC子站組成，實現(xiàn)分散檢測和控制、集中顯示和管理以及資源共享；儀表系統(tǒng)滿足“工藝必須、計量達標、實用有效、免維護”的原則。

污水廠精準曝氣系統(tǒng)是采用生化動力學模型及閥門開度最大控制理論，按照生物處理過程需求進行精確曝氣，節(jié)約能耗。為實現(xiàn)對曝氣池溶解氧濃度的穩(wěn)定控制，根據(jù)污水負荷和反應條件的實際變化情況，綜合考慮各種干擾因素和系統(tǒng)中各個單元的相互影響和協(xié)調(diào)管控問題，開發(fā)可靠的動態(tài)調(diào)節(jié)曝氣量數(shù)學模型。PANTAI污水廠采用智能曝氣池溶解氧濃度穩(wěn)定智能控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了滿足進水負荷變化過程中溶解氧濃度的穩(wěn)定化控制，優(yōu)化調(diào)控各工藝的相關參數(shù)，實現(xiàn)策略分級和智能切換，保障系統(tǒng)安全運行，充分節(jié)約能源消耗。PANTAI污水廠精準曝氣系統(tǒng)全年可節(jié)約電約1622.2萬kWh、減少二碳排放量約15573.3t。

景觀綠地碳匯。景觀綠地可通過增加城市中的綠地面積，吸收大量二氧化碳并儲存起來，從而減少溫室氣體的排放。不僅如此，景觀綠地還能夠一定程度上調(diào)節(jié)城市微氣候，并能融合海綿城市理念，提升景觀效果，有效防止土壤侵蝕，提供雨水滯留和自然過濾功能。PANTAI污水廠是在原氧化塘處理區(qū)上新建而成，采用全地下建設形式，其地面生態(tài)公園占地約17萬m2，綠化面積近10萬m2，全年固碳量約為14.5t。

減碳效益分析

PANTAI污水廠綠色低碳技術效益分析。PANTAI污水廠項目采用了污水再生回用、建筑雨水收集回用、污水源熱泵系統(tǒng)（空調(diào)供冷）、光伏發(fā)電、光導纖維采光、精準曝氣等多項綠色技術，并在地埋式污水廠上方打造了休閑體育公園，實現(xiàn)了節(jié)能降耗、減碳降碳的目的，成功打造了一個再造生態(tài)環(huán)境、突出綠色節(jié)能的環(huán)境友好型項目典范。根據(jù)PANTAI污水廠設計參數(shù)估算各綠色低碳技術的減碳量發(fā)現(xiàn)（表1），精準曝氣＞水源熱泵＞沼氣發(fā)電技術的減碳量，節(jié)約成本分別為670.8萬元/年、89.7萬元/年和31.9萬元/年～61.9萬元/年。曝氣環(huán)節(jié)被認為占污水廠總能耗的40 %～60%，是能耗的最主要單元，精準曝氣可節(jié)約近10%的耗電量，該技術產(chǎn)生的節(jié)能效益最為顯著，因此減少的碳排放量較高。馬來西亞屬于熱帶地區(qū)，常年高溫，公共設施區(qū)域空調(diào)常開，對于這種地區(qū)水源熱泵技術帶來的節(jié)能效果更為突出，可有效降低空調(diào)的能耗，但對于我國多數(shù)地區(qū)效果會有所削弱。

表1 PANTAI污水廠各綠色低碳技術碳減排當量與運營成本節(jié)約

表2 不同國家污水廠能耗情況

PANTAI與其他污水廠能耗對比分析。污水廠的能耗與被處理的污水原水水質(zhì)、水量以及排放水質(zhì)指標等均有關聯(lián)，不同地區(qū)的原水特性與處理標準存在差別，因此采用“比能耗”將每處理單位體積的污水所消耗的能量折算為電能（kWh/m3）這一指標來進行比較。我國關于比能耗的調(diào)查研究較少，通過張羽就等[4]的研究結果可知，2016年對全國1291座污水處理廠運行能耗調(diào)研的結果顯示，95%污水處理廠的單位能耗分布在0.030 kWh/m3～1.418 kWh/m3，均值為(0.317±0.229) kWh/m3；地下式污水處理廠基本都在0.45 kWh/m3～0.6 kWh/m3[5]。與國內(nèi)外污水廠平均比能耗水平相比，PANTAI污水廠作為地埋式污水廠本應能耗較高，但因其采用多項綠色低碳技術，使得其比能耗水平處于下游。可見，PANTAI污水廠項目中所采用的精準曝氣、沼氣發(fā)電、水源熱泵等綠色低碳技術產(chǎn)生了良好的節(jié)能減碳效果，為未來“雙碳”背景下城市污水廠的發(fā)展提供了借鑒作用。

結論

PANTAI污水處理廠為地埋式污水處理廠，其運行能耗約為0.25kWh/m3，相較于國內(nèi)外污水廠而言處于較低水平，是低碳型污水處理廠的典型案例。PANTAI污水廠設計與建設采用了雨水利用與污水再生回用、水源熱泵、沼氣發(fā)電、光伏發(fā)電、光導纖維采光、精準曝氣與景觀綠化7項綠色低碳技術。理論上，精準曝氣技術的碳減排當量與成本節(jié)約最為顯著，分別為15573.3噸/年和670.8萬元/年。其次是其沼氣發(fā)電和水源熱泵技術，碳減排當量為772.6噸/年～1545.3噸/年，全年可節(jié)約31.9 ～61.9萬元/年；水源熱泵技術的碳減排當量為4162.8噸/年，全年可節(jié)約179.3萬元/年。最后，其他綠色低碳技術的碳減排當量在400噸/年左右，成本節(jié)約低于20萬/年。PANTAI污水廠采用的7項綠色低碳技術共減少碳排放當量21659.3噸/年～22432.0噸/年，節(jié)約運營成本931.2萬元/年～961.2萬元/年。

城市污水處理廠作為污染物資源化的重要載體，如何實現(xiàn)污水處理的資源化、低碳化、智能化是未來發(fā)展的方向。基于本文研究成果，精準曝氣、污泥厭氧消化與沼氣發(fā)電以及水源熱泵技術是值得城市污水廠選擇與推進的低碳技術，在減少碳排放的同時可實現(xiàn)節(jié)能降耗，以此實現(xiàn)污水廠減污降碳協(xié)同處置、綠色低碳發(fā)展轉(zhuǎn)型，從而助力我國“雙碳”目標實現(xiàn)。（王雪原系本文通訊作者）