關(guān)于污水處理廠如何有效實(shí)施碳中和的研究及應(yīng)用

馬 聰，廖 妍

（中國市政工程中南設(shè)計(jì)研究總院有限公司，湖北武漢 430014）

0 引言

碳中和的其中一項(xiàng)重要內(nèi)容就是充分回收利用生產(chǎn)過程中所產(chǎn)生的余熱資源、有機(jī)物質(zhì)等，通過一些技術(shù)手段將二氧化碳轉(zhuǎn)化為可以利用的能源，從而減少溫室氣體的排放[1]。在自然環(huán)境日益惡化的背景下，我國高度重視節(jié)能低碳型綠色生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展，因此，全國各地多處污水處理廠都紛紛引入了碳中和理念及相關(guān)技術(shù)，以此提高原材料的使用率，減少能源的消耗，進(jìn)而減少能源消耗所產(chǎn)生的碳排放。

1 污水處理碳中和技術(shù)的內(nèi)涵

污水處理過程中需要通過微生物處理技術(shù)以及化學(xué)氧化劑等，氧化分解污水中的有機(jī)物、硫化物、亞硝酸鹽等物質(zhì)，這一過程會生成一定量的二氧化碳，且加入的外部添加劑越多，所產(chǎn)生的二氧化碳也就越多[2]。將氫、二氧化碳等物質(zhì)轉(zhuǎn)化成甲烷，就可以減少二氧化碳的排放，并將其轉(zhuǎn)化為有利用價(jià)值的能源。

碳中和技術(shù)能夠有效減少污水處理廠的溫室氣體排放，對于保護(hù)環(huán)境具有顯著作用。同時(shí)，碳中和技術(shù)能夠減少能源消耗，污水處理廠中的余熱能具有巨大的開發(fā)潛力，通過碳中和技術(shù)將溫室氣體轉(zhuǎn)化為可利用的能源，從而在一定程度上減少能源的消耗。

2 污水處理廠有效實(shí)施碳中和技術(shù)的應(yīng)用要點(diǎn)

污水本身就是一種富含各類能源物質(zhì)的載體，不僅含有眾多有機(jī)物，還存在各類營養(yǎng)物質(zhì)，比如氮、鉀等，這為推行碳中和提供了有利的先決條件。在引入碳中和技術(shù)時(shí)，應(yīng)當(dāng)抓住以下的應(yīng)用要點(diǎn)。

2.1 加強(qiáng)對藻類的應(yīng)用及研究

藻類能夠吸收污水中的營養(yǎng)物質(zhì)，并為污水中的好氧細(xì)菌提供氫元素，幫助將細(xì)菌中的碳元素轉(zhuǎn)化為甲烷。藻類可固定太陽能，在太陽能的作用下將一部分污水分解成氫氣、氧氣，這是中和碳元素并將其轉(zhuǎn)化為能量的重要物質(zhì)。該方法也是我國污水處理廠碳中和的一個重要思路，可在污水中加入藻類，但由于污水中的細(xì)菌非常復(fù)雜，有的細(xì)菌可能會干擾這一過程，所以還需要加強(qiáng)相關(guān)技術(shù)的研究。

2.2 最大限度發(fā)揮污泥利用技術(shù)

污泥實(shí)際上是一種潛力非常大的綠色能源，目前部分發(fā)達(dá)國家在污泥利用方面已取得諸多技術(shù)突破，我國一些大型污水處理廠也引入了相關(guān)技術(shù)。污泥中含有大量的病原菌、寄生蟲、營養(yǎng)物質(zhì)、重金屬元素等，以往都是采取掩埋或焚燒的方法，但這實(shí)際上造成了能源的浪費(fèi)以及環(huán)境的污染[3]。例如，因?yàn)槲勰啾旧砗枯^大，進(jìn)行掩埋處理容易出現(xiàn)塌陷，一旦出現(xiàn)塌陷事故就需要投入成本新建填埋場，且大量掩埋會導(dǎo)致帶有各類病原菌或重金屬的污泥深入地下，造成地下污染。若直接焚燒則可能產(chǎn)生有毒氣體[4]。因此，先進(jìn)的碳中和技術(shù)就是充分利用污泥能源潛力，利用好氧消化、厭氧消化，再將處理好的熟污泥通過焚燒熱電聯(lián)產(chǎn)轉(zhuǎn)化為能源，此外，還可以采用污泥堆肥等技術(shù)充分利用污泥。污泥處理可從以下4個方面入手。

2.2.1 好氧消化

對污泥進(jìn)行好氧消化，將污泥中的有機(jī)物礦化，使污泥中的大量細(xì)菌不能獲取到足夠的有機(jī)物質(zhì)，無法在污泥中獲取能量，隨之進(jìn)入內(nèi)源性呼吸期，不斷自我裂解、消亡。這種處理方法可以減少污泥病原菌對環(huán)境造成的危害，防止病原菌進(jìn)入自然環(huán)境。

2.2.2 厭氧消化

厭氧消化主要是使污泥在厭氧環(huán)境下，通過降解消化的方式分解有機(jī)物。污泥會被分解出氫離子，和有機(jī)物中的碳離子結(jié)合形成甲烷。具體的操作原理有：①有機(jī)物在厭氧消化的作用下，分解為單糖、甘油、氨基酸、二氧化碳以及碳離子等。②污泥中的水分、氫氧根有機(jī)物及各類細(xì)菌在厭氧的環(huán)境下會分解出氫離子以及乙酸菌。③氫離子和二氧化碳、碳離子合成甲烷，乙酸也會在厭氧環(huán)境下生成甲烷。明確每個步驟后，就可以設(shè)置厭氧消化池，從而得到甲烷。此外，還可以對處理好的污泥進(jìn)行焚燒熱電聯(lián)產(chǎn)處理，生成熱能和電能。

2.2.3 污泥堆肥

污泥堆肥也是一種充分利用污泥能源的碳中和技術(shù)。該技術(shù)主要是借助污泥中的大量微生物，這些微生物在潮濕的堆肥環(huán)境下會不斷發(fā)酵，從而將污泥的有機(jī)物質(zhì)通過氧化、分解轉(zhuǎn)化為類腐殖質(zhì)物質(zhì)。

污泥在堆肥處理的過程中，其內(nèi)部的寄生蟲和病原菌被強(qiáng)堿、石灰殺滅，殘留物質(zhì)可充當(dāng)植物所需吸收的養(yǎng)分，所以堆肥處理后的污泥可以作為肥料排入農(nóng)田，且無須進(jìn)行脫水處理，減少了成本投入。

污泥中的有機(jī)物主要是存在于微生物細(xì)胞胞體中，因此微生物細(xì)胞裂解的效率將直接影響堆肥效果。為了能夠充分利用污泥中的有機(jī)物，需要進(jìn)行細(xì)胞破壁預(yù)處理。經(jīng)過這種預(yù)處理的污泥能夠極大地增加堆肥后污泥中的有機(jī)物質(zhì)含量，常用的預(yù)處理技術(shù)有超聲波、微波等，還可利用專用機(jī)械設(shè)備進(jìn)行微生物細(xì)胞破壁。

具體的污水處理廠污泥堆肥流程如圖1所示。污泥堆肥過程中的pH應(yīng)當(dāng)保持在12以上，將污泥放置在這樣的酸堿環(huán)境下發(fā)酵，不僅能夠達(dá)到比較理想的發(fā)酵效果，還能夠通過強(qiáng)堿或者石灰來有效殺滅病原菌。

圖1 污水處理廠污泥堆肥流程

2.2.4 構(gòu)建碳中和技術(shù)的相關(guān)制度和保障機(jī)制

污水處理廠應(yīng)當(dāng)充分意識到碳中和的必要性，堅(jiān)持節(jié)能減排的工作方針，結(jié)合污水處理廠的規(guī)模、資金以及節(jié)能減排的目標(biāo)引入相關(guān)技術(shù)，并進(jìn)行相關(guān)技術(shù)工藝改造，提升操作人員的技能。此外，污水處理廠還應(yīng)重視自身科研能力，不能只是引入先進(jìn)技術(shù)，還應(yīng)結(jié)合本地實(shí)際情況，進(jìn)行技術(shù)的升級改造。與此同時(shí)，鼓勵污水處理廠科研人員在碳中與方面開展技術(shù)創(chuàng)新的相關(guān)研究，構(gòu)建產(chǎn)學(xué)研模式，和當(dāng)?shù)氐母咝！⒖蒲袡C(jī)構(gòu)等加強(qiáng)合作，從而有效鉆研新技術(shù)，實(shí)現(xiàn)碳中和技術(shù)改造。

污水處理廠的碳中和改造不僅能夠服務(wù)于企業(yè)，還能服務(wù)于當(dāng)?shù)氐碾娏Α崃Α⑻烊粴獾饶茉垂?yīng)產(chǎn)業(yè)。碳中和綠色生產(chǎn)技術(shù)是國家大力提倡的，因此可以和當(dāng)?shù)卣约澳茉床块T加強(qiáng)聯(lián)系，爭取相關(guān)政策的扶持，吸引各方資金的投入，通過政策和資金的支撐，進(jìn)而更好地開展碳中和技術(shù)的研究與應(yīng)用工作。

3 污水處理廠碳中和技術(shù)的應(yīng)用案例

目前，我國的碳中和技術(shù)主要是針對污水本身，這和發(fā)達(dá)國家存在一定差距[5]。例如，通過藻類吸收污水處理時(shí)所產(chǎn)生的二氧化碳，或是利用微生物厭氧呼吸的原理，將污水中的有機(jī)物轉(zhuǎn)化為甲烷，從而將碳元素中和成能源。我國在碳中和方面的起步明顯晚于西方發(fā)達(dá)國家，因此發(fā)達(dá)國家在這方面有很多值得我國借鑒的成功經(jīng)驗(yàn)，其不僅針對污水本身進(jìn)行處理，還充分利用剩余污泥，借助前端篩分COD以及后端厭氧消化、焚燒熱電聯(lián)產(chǎn)等技術(shù)來獲取更多能源。

本文以德國漢堡的Dradenau污水處理廠作為案例，該廠從碳中和的角度對污水處理工藝進(jìn)行升級改造，自投入生產(chǎn)以來不僅減少了溫室氣體的排放，還為企業(yè)節(jié)約了能源，并向周邊區(qū)域輸送電能、熱能。該污水處理廠碳中和技術(shù)的工藝流程如圖2所示。

圖2 污水處理廠碳中和技術(shù)的工藝流程

這一碳中和技術(shù)采用了污泥最大化處理的方法，在出水段的剩余污泥中投入除磷的化學(xué)藥劑，之后通過厭氧消化形成沼氣供應(yīng)天然氣網(wǎng)絡(luò)，再將剩余的污泥進(jìn)行熱電聯(lián)產(chǎn)、消化、干化和焚燒處理，獲取的電能可以供污水處理廠自己使用。此外，在前端處篩分廢棄物，還可在污水處理廠外收集生物廢棄物加入污泥中，實(shí)現(xiàn)污泥最大化處理，共同消化提升沼氣的轉(zhuǎn)化量，也能提高對社會的天然氣輸送量。而消化后的熟污泥可以通過焚燒熱電聯(lián)產(chǎn)，從而獲取電能、熱能等能源。電能可以并入當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)，或供污水處理廠自用。這一系列過程中產(chǎn)生的余熱不僅可以供應(yīng)消化池保溫，還可以向附近碼頭供應(yīng)。該污水處理廠采用碳中和技術(shù)生成的電能和熱能供應(yīng)流向分別如圖3、圖4所示。

圖3 碳中和技術(shù)生成的電能供應(yīng)流向

圖4 碳中和技術(shù)生成的熱能供應(yīng)流向

4 結(jié)語

綜上所述，在能源緊缺和環(huán)境污染日益加劇的背景下，我國對環(huán)境保護(hù)越來越重視，并且擴(kuò)寬了綠色生產(chǎn)的發(fā)展道路。從節(jié)能減排的角度來看，污水處理廠應(yīng)積極引入碳中和技術(shù)，不僅要從污水本身入手，還應(yīng)充分激發(fā)污泥的能源潛力，將碳排放轉(zhuǎn)化成能源、肥料等，不僅可以減少碳排放，還極大地提高了污水處理廠的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益。