污水處理碳排放減排模式研究

卜瑩瑩

（廣東綠園環保科技有限公司，廣東 梅州 514000）

隨著現代環境破壞問題的加劇，逐漸出現了越來越多與環境保護相關的概念和詞匯，其中碳中和就是比較常見的一個，是指組織或個人在生產過程中，在規定時間內，向自然界排放一定量的二氧化碳，這些二氧化碳可通過植樹造林、節能減排等方式完全抵消，客觀上達到“零排放”的目的。

在人類生活及社會發展過程中，均會產生大量污水，這些污水中含有一定量的有機物，這些有機物屬于含能物質，其中含有豐富的N、P、K等營養元素，符合植被的生長需求。所以，相關技術人員需要利用相應的技術手段將污水中的有機質進行分解和轉換，形成對環境破壞較小或是對人類社會有價值的物質，以降低污水對環境的破壞。污水處理的本質屬于消耗能源的碳排放過程，即由水污染轉變成大氣污染的過程。所以，在污水處理過程中，不僅要減少污水中的有害成分，而且還要注重處理時的碳排放問題，確保碳排放與污水處理價值保持平衡，以促進現代社會長期可持續發展。

1 污水處理主流技術碳中和可用能源的來源分析

1.1 優化管網輸送體系

大量研究與實踐表明，各類污水中均含有豐富的能量，其中，最主要的就是有機物（COD），其在污水中廣泛存在。在對污水進行處理時，先去除無用雜質再對這些有機物進行回收，并進行適當地處理即可轉化成其他領域所需要的能源，如肥料、石油替代資源等，為其他領域的發展提供支持。從理論層面來說，相對于污水處理所需的能量，污水中有機物所含的能量更高一些，通常是前者的10倍左右[1]。利用厭氧消化技術對這些有機物回收時，回收效率的高低與進水有機物的含量具有直接關系，在進水端，COD含量越高，處理、回收的能量就越高。在現代城市污水處理系統中，無論是污水的采集還是傳輸，均需要大量的長管道，因而要確保長管道鋪設規模符合實際要求，以提高污水處理的效果，提升污水中的碳含量。

在實際處理過程中，受時間和經濟水平等因素的影響，導致污水管道存在很多缺陷，如管道破損、管道內部堵塞嚴重、管道鋪設率較低等，使得待處理的污水中含碳量較低，不利于污水能量的回收。所以，在建設城市污水系統哩，應注重污水管道的建設，保證污水管道的覆蓋規模。以某城市為例，通過調查可以發現，其污水管網長度超過了1萬公里，共建立了110所污水泵站，并利用廠網一體化管理的特點，大大提升了進水端污水的COD含量，平均可達483 mg/L，遠遠高于全國水平，即將追趕上歐美等國家的標準（600 mg/L）。由于污水管道能夠覆蓋到城市各個地區，且管道性能良好，因而在污水處理時，能夠完全將其收集，并以此為基礎，對雨污分流進行改造，大大增加了進水端的碳氮比，為污水能源的開發與利用提供了有力支持。

1.2 改進藥劑投加系統

現代污水處理領域存在多種處理技術，每種處理技術的原理完全不同，處理效果略有差異，但從本質上說，均是利用生化反應的手段去除其中的污染物。而對于處理材料來說，無論是在制造與運輸時，還是在材料使用時，均需消耗其他能源。所以，污水處理過程中，應改進藥劑的投加系統，在保證污水處理效果的基礎上，減少其他能源的使用，以此達到降低碳排放的目的。當前的主要措施是對現有加藥系統進行適當地升級改造，得到性能更加良好的加藥系統。以曝氣池為例，通過在其尾端固定計量泵，稱量PAC除磷藥劑，并將稱量出來的藥劑添加至出水中，提取出其中的P元素。常規計量泵為變頻計量泵，精度較低，導致藥劑投入量較高，不僅增加了處理成本，還造成藥劑污染，因而可將其更換成數字泵，再通過對出水成分的分析，確定磷酸鹽的含量，計算出所需的藥劑量，并以此為基礎，稱量出精確的藥劑量，使藥劑添加量處于最佳水平，在保證去磷效果的同時，防止藥劑造成二次污染，從長遠來看，該項目將獲得良好的經濟效益，顯著降低污水處理成本。此外，相關技術人員可以將人工智能技術融入到設備改造中，通過收集污水成分等信息，自動計算所需加藥量，為提高系統加藥量的準確性奠定良好的基礎。

1.3 改造曝氣系統

污水處理需要多種設備和系統，曝氣系統是其中最關鍵的一個模塊，直接關系到污水處理效果。現有的曝氣系統是以大功率單級離心式鼓風機為主要工具，向污水中輸送充足的氧氣，以構建出富氧環境，促進微生物的生長與繁殖，從而提升污水成分的分解速度與效率。有研究指出，我國污水處理廠運行時的能耗量通常處于0.15～0.25 kW·h/t，而不同處理技術所需的能耗可能存在一定的差異，但無論是哪種技術，曝氣系統的能耗量均占有非常高的比例。所以，為了降低污水處理時的碳排放量，必須要加強對曝氣系統的改造，其中，改造的核心為精準掌控微生物的活動過程，在確保微生物正常生長的同時，減少能源的消耗。針對這種情況，需要在現有曝氣系統中有效融入智能化、數字化技術。當前，我國一些規模較大的污水處理廠已經對此有了高度重視，并對曝氣系統進行改良，如根據曝氣池運行情況，檢測出曝氣壓力的實際值，并以此為基礎，與預設結果進行對比，以確定系統中曝氣含量是否達標，進而對鼓風機進行調節。此外，在各支管出口處安裝高精度的調節元件，并根據溶解氧儀表測量的數據對支管的開度進行調控，以向系統中輸入更加精確的曝氣量[2]。以某污水處理廠為例，經過以上方式的改良，大大減少了曝氣電耗量，最高可達50%以上。

1.4 選取能耗較低的處理技術

現代污水處理采用了很多低能耗生物技術，這些技術通常用于污泥處理環節，如厭氧氨氧化技術（ANAMMOX）、好氧顆粒污泥處理技術等。其中，ANAMMOX用于板框壓縮脫水能力良好的污水處理廠中。板框壓縮處理后可產生一定的濾液，這些濾液將會被厭氧氨氧化菌（AAOB）進行分解與降解，從而減少了濾液中的有害成分。該方式的處理原理為在缺氧條件下，以HCO3-（IC）為碳源、NH4+（-N）為電子供體、NO2-（-N）為電子受體，在AAOB的作用下，可釋放出一定量的N2，從而將N元素分離出來。ANAMMOX的代謝途徑如圖1所示。為了使ANAMMOX過程順利進行，通常在該技術中增加短程硝化技術（Sharon），從而得到處理效果更好的新技術即Sharon-ANAMMOX技術。相對于常規脫氮技術，該技術對NO2-（-N）轉換時所需要的氧量更低一些，因而減少了曝氣環節的電耗量。同時，由于該技術是以IC作碳源，不用添加其他的有機碳，因而減少了脫氮成本。另外，系統出水端與處理廠的總進水相連，可對處理后的水資源進行二次利用，從而為污水處理創造更多的經濟效益。

圖1 ANAMMOX代謝途徑

在現代污水處理領域，反硝化除磷技術非常常見，其中厭氧反硝化除磷細菌在厭氧環境中能夠去除污水中的P元素。除磷時是將硝酸鹽作為電子受體，在發生反硝化反應的過程中去除P元素，因而可同時去除N、P兩種元素。從除磷角度看，同一種細菌可同時進行反硝化與除磷兩個不同生物過程[3]，并且在該過程中，聚羥基脂肪酸酯為重要物質，在反硝化時可作為碳源，同時還能用于能量的存儲。

1.5 強化熱電聯產回收能力

污水的污泥中含有豐富的能量，對這些能量進行回收，也可減少污水處理的能耗量。為了有效回收污泥中的能量，應優化污泥消化處理技術，以確保在進水中有機物質豐富的基礎上，加強對能量的回收。針對這一情況，國外很多城市在建設時，均從污水處理角度出發，制定出各種相應的碳中和方案，并取得了較為不錯的效果，其中，較為常見的是柵渣沖洗壓榨機，通過該設備阻攔淤泥，提升污泥的截留效率，并以此為基礎，加入了適量的FeCl3，以確保污泥能夠順利運送至消化池內，從而去除污泥中鳥糞、石塊等無用的雜質。另外，在初沉池方面，也研發出了很多良好的新聚合物。總之，相關技術人員通過各種方式促進碳源的傳輸，以提升傳送至消化池內碳源的數量。在我國，也提出了一些更加良好的污泥消化處理技術。以高碑店污水處理廠為例，研發出了熱水解聯合厭氧消化系統，將污泥運送至該系統內，并將設備調節至高溫高壓狀態，對污泥進行處理，分解其中的有機物細胞，增加污泥的產氣效率[4]，不僅滿足了熱水解所需要的能量，而且還存在一定的余量，在干式脫硫處理后，可將這些余量傳輸至沼氣發電機，轉化為電能，用于其他設備、系統的驅動，從而降低系統對電能的需求量。若水廠規模較大，可單獨進行供暖，在冬季寒冷條件下，還可將余量傳輸至熱水鍋爐，為廠區輸送熱能，節約暖通系統運行時所需的電能。

1.6 提高自產清潔能源力度

現代污水處理廠規模較大，占地面積較廣，因而為光伏發電工程的建設打下堅實基礎，并為廠區內各類設備與系統的運行源源不斷地提供了電力能源。廠區內部建立了很多頂部較為寬敞的建筑物，如初沉池、二沉池等，在這些建筑物的頂部即可固定光伏發電板，通過對太陽能的收集與轉換后，變成設備運行所需的電能。與此同時，采用光伏發電板還能實現太陽能發電并入電網供水廠使用；在寒冷的冬季，固定的光伏發電板可覆蓋建筑物，提升建筑物的保溫性能，確保室內溫度處于較高狀態，為微生物的生長與有機物的分解提供支持。污水中通常包含大量的熱能，而這些熱能常常被人類所忽略，造成了嚴重的能源浪費。據調查發現，在同一種污水中，熱能儲量非常高，顯著高于化學能的儲量，是后者的近10倍[5]。為了準確展示出污水中熱能的開發價值，以某地區為例，對污水中熱能的儲量進行推算。某地區污水處理廠基本信息如表1所示。通過對表1的觀察發現，某地區污水處理廠在運行時，各項指標都符合《水源熱泵機組》中的規定要求。所以，在污水處理過程中，一方面，可利用得到的冷熱源作為主要資源，降低或提升廠區內的溫度，另一方面，還可將剩余資源傳輸到廠外，為周邊其他領域的運行提供支持，并通過“碳交易”手段，達到碳中和的目標。

表1 某地區污水處理廠信息

2 污水處理碳排放減排模式的發展趨勢

在未來發展過程中，為了進一步提升污水處理效果，降低污水處理的碳排放量，相關污水處理企業必須要加強智能化技術的應用，即在現有處理設備的基礎上，有效融入各種智能化技術，并通過智能化技術對污水成分進行分析和計算，以此向處理系統輸送更加合理的材料與能源，在保證污水處理效果的同時，最大限度地減少能源的消耗，從而直接或間接地降低碳的排放量。同時，在未來污水處理廠建設過程中，不能只將其看作單一的營養物、能源或再生水廠，而是要盡最大可能挖掘出污水資源的潛力，從而為污水處理廠的運行及社會發展提供更多能源。

3 結語

綜上所述，污水處理廠在運行過程中，必須要加強對碳排放的重視程度，并以此為基礎，結合相關規定要求，制定出最佳的污水處理碳排放改進方案，在確保污水處理效果符合要求的同時，盡可能減少二氧化碳等有害氣體的排放，從而實現對自然環境的保護。