低碳绿色措施在污水处理技术中的应用
时间：2023-01-23 13:05:06 来源：柠檬阅读网 本文已影响 人 
刘 昊
(中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司，四川 成都 610072)
自工业革命以来，随着城市化进程不断加快，同时带来了城市人口的迅速增加，城市水环境问题日益突出，污水处理厂的重要性也日渐增加。为满足人民对于美好生活环境的憧憬，对污水厂的出水指标要求也越来越严格，随之带来了污水处理单元数量的增加和技术方法的升级，导致污水处理厂的能耗投入日益攀升。由此，污水处理行业已成为了事实上的能源消耗大户，既不能满足我国的污染防治攻坚战略，也不能满足低碳绿色、可持续发展的建设要求。
通过实际案例分析，结合国内外的研究成果，全面分析了污水处理技术中碳排放的形式，指出目前污水处理技术存在的问题，并结合实际工作经验和社会经济的发展，提出了污水处理技术低碳绿色化的具体措施和发展方向。
在传统污水处理技术理念下，以提高处理效率、强化处理效果、优化运行维护为出发点，往往忽略了能源绿色化、节能减碳、资源回收利用的技术升级，导致污水处理技术中存在着能耗、物耗持续增加，能源资源利用不足，温室气体自由排放等问题，使得污水处理厂成为事实上的耗能和碳排放大户。
以雅安某污水处理厂为例，设计规模为50 000 m3/d，出水标准为DB51 2311—2016《四川省岷江、沱江流域水污染物排放标准》中主要水污染物排放要求。处理主体工艺为:提升泵站+曝气沉砂池+改良AAO生化池+二沉池+高效沉淀池+反硝化深床滤池+接触消毒池，污水厂主要设备能耗占比见图1，具体工艺流程及能耗、物耗见图2。
图1 污水厂主要设备能耗占比
图2 工艺流程及主要能耗、物耗分布
雅安某污水处理厂主要的能耗单元为提升泵房、曝气沉砂池、AAO处理池，主要的物耗单元为高效沉淀池、消毒池、污泥处理单元。其中鼓风机运行电耗占污水厂总电耗的49.79%，污水提升泵运行电耗占污水厂总电耗的17.43%，两者的运行电耗占污水厂总电耗的67.22%，为污水处理厂电耗最大的耗电单元。经测算，本工程新增年耗电量825.63万kW·h，折合标准煤1 014.70 t，单位污水耗电量0.45 kW·h/m3。年用水总量为2 555 t，折合标准煤0.22 t。
由此可见，污水处理厂在消减污水污染物的同时，也存在着大量能源消耗和碳排放的问题。污水处理中碳排放的形式主要有以下2种。
1.1 能耗型碳排放
能耗型碳排放主要指运行过程中的能源及药剂消耗等。据住建部2021年最新统计，截至2020年1月底，全国范围内有排污许可证的污水处理厂共计10 113座，其中城市和县城污水处理厂共4 140座(见图3)。
图3 污水处理厂数量及规模分布
截至2020年初，全国日污水处理能力已超过1.78亿m3，污水处理厂的能耗占全国总能耗的 0.3%～1%(如果涵盖工业废水的处理能耗，则占比超过2%)，年化学品消耗量为10万t左右[1]。同时随着我国城市化的进程发展和越来越严格的排放标准，污水处理厂占全国能耗的比重将越来越大[2]。根据Averfalk H的研究表明，污水处理厂每消减1 kg耗氧，总污染物的电耗为1.924 kW·h/kg，理论吨水电耗为0.26～0.325 kW·h/m3[3]。根据2018年国家城市污水处理信息管理系统数据显示，我国31个城市污水处理厂的年均吨水耗电量为 0.48 kW·h/m3，而其他国家，如日本污水处理厂的吨水耗电量保守估计为0.39 kW·h/m3，荷兰吨水耗电量平均为 0.36 kW·h/m3[4]，我国城市污水处理厂的吨水电耗明显高于他国，具体情况见表1。
表1 部分国家污水厂单位污水耗电量
目前，我国污水处理技术中广泛采用的生物处理工艺往往很难满足严格的排放要求。因此污水处理厂多采用了改良生物处理工艺和三级处理工艺，导致了除磷剂、外加碳源、脱水剂、消毒剂等化学品的广泛使用[5]。根据张维等人的研究表明，我国采用了外加碳源的城镇污水处理厂占比约为6%，其中最广泛使用的外加碳源为乙酸、葡萄糖、甲醇、乙酸钠4种，占到了外加碳源使用的80%；
采用了化学除磷的城镇污水处理厂占比约为35%；
最广泛使用的除磷药剂为聚合硫酸铁、聚合氯化铝、三氯化铁、硫酸铝、聚合氯化铝铁5种，占到了除磷药剂使用的92%；
采用了脱水药剂的城镇污水处理厂占比约为76%，其中PAM是最广泛使用的脱水药剂，占比约为 95%[6]。
1.2 直接碳排放
直接碳排放主要指污水处理过程中直接或间接产生的温室气体。
目前的污水处理技术通常是通过打破有机物实现“矿化”，伴随着大量能量的消耗，不仅造成能源资源的浪费，也不可避免地导致次生污染物(CO2、CH4、N2O等)的产生。在曝气池、生化反应池、深度处理工艺中均可产生CO2、N2O，在污泥处理系统中可产生CO2、CH4。同时污水处理过程中所需的能耗物耗(如曝气供氧、泵站提升、混合搅拌、供热以及化学药品的使用等)亦可间接导致温室气体的排放，具体产生途径见表2。
表2 污水厂温室气体产生途径
通过陆家缘等人的研究表明，目前我国城市污水处理的碳排放强度稳定在0.92kgCO2e/m3左右，按此强度进行，则污水处理碳排放量将在2030年达到8 316万t CO2e，占全国同期的碳排放总量的2.95%左右[7]，具体排放因子见表3[8]。
表3 污水厂温室气体排放因子
综上所述，为确保我国“双碳”目标的顺利实现，污水处理过程中的能耗性碳排放、直接碳排放问题不容忽视。
为了实现污水处理技术的资源回收、能源开发利用和碳平衡的目标，已有多个国家针对污水处理厂制定了能耗自给或碳中和的技术路线。如美国提出至2030年所有污水处理厂均实现碳中和运行的目标，新加坡提出了从棕色水厂(Brownfield)到绿色水厂(Greenfield)的时间表与路线图，日本发布的“Sewerage Vision 2100”要求到本世纪末完全实现污水处理能源自给自足等[9-11]。我国也提出了2030年碳达峰、2060年碳中和的宏伟目标。
为实现污水处理厂低碳绿色的目标，以NEWs(N:物质资源生产、E:能源生产、W:净化水质)理念作为指导，从实际运行角度结合国内外的相关研究，主要有以下3个方面可以进行控制。
2.1 减少能耗性碳排放
(1)进行精细化设计。在污水厂设计时，通过充分利用工艺仿真软件系统(BioWin、WEST、EFOR、GPS-X、STOAT等)，对污水厂的真实运行状况进行模拟，获取出水水质、能耗状况、工艺核心参数、实际运行工况等结果。这不仅可以有效保障污水厂的运行质量，更可以实现工艺优化、节能降耗。例如，优化生化池的停留时间、曝气量，可以大幅降低设备能耗；
对泵的精准选型，保证超过其工作效率的80%，可以有效降低能量损失；
优化总体布局，减少电缆长度，可以有效降低电能的不必要损失；
准确控制全厂的水力、高程设计，尽可能地减少水头的损失，有效降低全厂的电能消耗[12]。
(2)污水厂的精细化运营。根据污水厂水质、水量的变化，采用精确曝气系统，可以确保每组生化池溶解的稳定性，实现保证工艺需求的前提下，达到降低电耗的目的。
(3)调整能源结构，采用清洁能源。在条件允许的地方，采用光伏、风能等新能源作为污水厂的用电来源，实现自发自用，余电上网的目的。
2.2 增加碳补偿量
碳补偿量的增加，主要包括污泥的资源化利用、污水余热的利用、污水内部能量的利用。
2.2.1 污泥资源化利用
污水厂的污泥处理过程会消耗大量的能量、药剂并产生温室气体，是污水厂高碳问题的主要因素。因此，采用高效科学的污泥处理技术，是实现污水处理厂的节能减排与低碳运行的关键。
针对此问题，污泥分离技术具有较好的处理效果[13]。可以将污泥的有机物和无机物分离，然后对分离后的产物进行精准资源化利用。有机物污泥部分作生物质燃料，无机物污泥部分作建材原料，余下铁铝盐可作为絮凝剂回至污水厂进行二次利用，可减少PAC投加量50%～70%。该技术可以将污泥中大量无机物和水预先分离出去，减少了需要在干化段蒸发的水分。按照孟加拉污水厂每日处理400 t污泥(含水率80%)计算，分离后只有160 t污泥需后续干化，其蒸发水量由原先每天的285.7 t减量为80 t。同时污泥中含有丰富的磷资源，可以通过化学沉淀法、离子交换法、吸附法等方法实现回收利用。目前主要采用化学沉淀法，比较常用Ca2+和Mg2+盐作为沉淀药剂。
2.2.2 污水余热利用
由于城市污水具有全年温差变化不大、流量稳定、冬季温度较高等特点，通过水源热泵技术可以作为居家、楼宇空调的热源。国外对此早已有广泛的研究和应用。例如，20世纪80年代，瑞士和瑞典对污水处理厂余温热能利用的工程便已超过50个。事实证明，余温利用工程不仅满足厂内利用，还可以兼顾周边民宅供热、制冷需要[14]。
我国在污水余温利用方面目前仍处于起步阶段，但也取得了一些研究成果。郝晓地等人研究提出了污水余温用于“污泥干化后直接焚烧”的技术设想。利用出水中的热量对脱水污泥进行热干化处理，将污泥含水率从80%降至40%～70%，热干化处理后的污泥便可用于直接焚烧发电，灰分提磷后可用作建筑材料[15]。同时郝晓地等人的研究表明，城市污水余温废热约占城市总废热排放量的40%，且具有极大的经济价值。以北京市政污水处理厂(处理规模100×104m3/d)为例，计算得出:理论上污水厂出水通过热泵集中利用，一次热量交换的碳额交易利润约为6 000万元/a；
通过二次甚至三次碳额交易，最高利润可达1.56～1.95亿元/a[16]。
2.2.3 污水内部能量利用
目前，污水处理技术升级对能耗物耗的需求越来越高，往往忽略了污水中本就含有高浓度COD等物质，蕴含着较高的化学能和热能。Luo L等人的研究表明，以COD浓度为500 mg/L的污水为例，其所含化学能约为17.7～28.7 kJ/g COD，通过测算，其“理论最大有机化学能”为22.55 kW·h/m3[17]。
综上所述，若能在污水处理技术中采用合理的工艺优化和能源利用技术，理论上可以大大降低污水处理厂的能耗、物耗，在实现污水处理厂节能减排，低碳绿色的同时，也可以带来可观的经济收益。
为实现我国2030年碳达峰、2060年碳中和的目标，本文分析了目前污水高碳处理的普遍现象，并结合实际经验和国内外的研究成果，提出了污水处理技术低碳绿色化的一些措施。
污水处理技术低碳绿色化，是贯穿于污水处理厂设计与运营管理的全过程。为实现低碳绿色的目标，首先应通过工艺创新和精准化管理，减少能耗性碳排放；
其次根据实际情况，因地制宜地对海外技术进行二次研发，通过污泥的资源化利用、污水余温利用、污水内部能量利用等措施，实现增加污水处理技术中碳补偿量的目标。
