低碳綠色措施在污水處理技術中的應用

劉 昊

(中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司，四川 成都 610072)

0 前 言

自工業革命以來，隨著城市化進程不斷加快，同時帶來了城市人口的迅速增加，城市水環境問題日益突出，污水處理廠的重要性也日漸增加。為滿足人民對于美好生活環境的憧憬，對污水廠的出水指標要求也越來越嚴格，隨之帶來了污水處理單元數量的增加和技術方法的升級，導致污水處理廠的能耗投入日益攀升。由此，污水處理行業已成為了事實上的能源消耗大戶，既不能滿足我國的污染防治攻堅戰略，也不能滿足低碳綠色、可持續發展的建設要求。

通過實際案例分析，結合國內外的研究成果，全面分析了污水處理技術中碳排放的形式，指出目前污水處理技術存在的問題，并結合實際工作經驗和社會經濟的發展，提出了污水處理技術低碳綠色化的具體措施和發展方向。

1 污水處理技術的碳排放形式

在傳統污水處理技術理念下，以提高處理效率、強化處理效果、優化運行維護為出發點，往往忽略了能源綠色化、節能減碳、資源回收利用的技術升級，導致污水處理技術中存在著能耗、物耗持續增加，能源資源利用不足，溫室氣體自由排放等問題，使得污水處理廠成為事實上的耗能和碳排放大戶。

以雅安某污水處理廠為例，設計規模為50 000 m3/d，出水標準為DB51 2311—2016《四川省岷江、沱江流域水污染物排放標準》中主要水污染物排放要求。處理主體工藝為:提升泵站+曝氣沉砂池+改良AAO生化池+二沉池+高效沉淀池+反硝化深床濾池+接觸消毒池，污水廠主要設備能耗占比見圖1，具體工藝流程及能耗、物耗見圖2。

圖1 污水廠主要設備能耗占比

圖2 工藝流程及主要能耗、物耗分布

雅安某污水處理廠主要的能耗單元為提升泵房、曝氣沉砂池、AAO處理池，主要的物耗單元為高效沉淀池、消毒池、污泥處理單元。其中鼓風機運行電耗占污水廠總電耗的49.79%，污水提升泵運行電耗占污水廠總電耗的17.43%，兩者的運行電耗占污水廠總電耗的67.22%，為污水處理廠電耗最大的耗電單元。經測算，本工程新增年耗電量825.63萬kW·h，折合標準煤1 014.70 t，單位污水耗電量0.45 kW·h/m3。年用水總量為2 555 t，折合標準煤0.22 t。

由此可見，污水處理廠在消減污水污染物的同時，也存在著大量能源消耗和碳排放的問題。污水處理中碳排放的形式主要有以下2種。

1.1 能耗型碳排放

能耗型碳排放主要指運行過程中的能源及藥劑消耗等。據住建部2021年最新統計，截至2020年1月底，全國范圍內有排污許可證的污水處理廠共計10 113座，其中城市和縣城污水處理廠共4 140座(見圖3)。

圖3 污水處理廠數量及規模分布

截至2020年初，全國日污水處理能力已超過1.78億m3，污水處理廠的能耗占全國總能耗的 0.3%～1%(如果涵蓋工業廢水的處理能耗，則占比超過2%)，年化學品消耗量為10萬t左右[1]。同時隨著我國城市化的進程發展和越來越嚴格的排放標準，污水處理廠占全國能耗的比重將越來越大[2]。根據Averfalk H的研究表明，污水處理廠每消減1 kg耗氧，總污染物的電耗為1.924 kW·h/kg，理論噸水電耗為0.26～0.325 kW·h/m3[3]。根據2018年國家城市污水處理信息管理系統數據顯示，我國31個城市污水處理廠的年均噸水耗電量為 0.48 kW·h/m3，而其他國家，如日本污水處理廠的噸水耗電量保守估計為0.39 kW·h/m3，荷蘭噸水耗電量平均為 0.36 kW·h/m3[4]，我國城市污水處理廠的噸水電耗明顯高于他國，具體情況見表1。

表1 部分國家污水廠單位污水耗電量

目前，我國污水處理技術中廣泛采用的生物處理工藝往往很難滿足嚴格的排放要求。因此污水處理廠多采用了改良生物處理工藝和三級處理工藝，導致了除磷劑、外加碳源、脫水劑、消毒劑等化學品的廣泛使用[5]。根據張維等人的研究表明，我國采用了外加碳源的城鎮污水處理廠占比約為6%，其中最廣泛使用的外加碳源為乙酸、葡萄糖、甲醇、乙酸鈉4種，占到了外加碳源使用的80%；采用了化學除磷的城鎮污水處理廠占比約為35%；最廣泛使用的除磷藥劑為聚合硫酸鐵、聚合氯化鋁、三氯化鐵、硫酸鋁、聚合氯化鋁鐵5種，占到了除磷藥劑使用的92%；采用了脫水藥劑的城鎮污水處理廠占比約為76%，其中PAM是最廣泛使用的脫水藥劑，占比約為 95%[6]。

1.2 直接碳排放

直接碳排放主要指污水處理過程中直接或間接產生的溫室氣體。

目前的污水處理技術通常是通過打破有機物實現“礦化”，伴隨著大量能量的消耗，不僅造成能源資源的浪費，也不可避免地導致次生污染物(CO2、CH4、N2O等)的產生。在曝氣池、生化反應池、深度處理工藝中均可產生CO2、N2O，在污泥處理系統中可產生CO2、CH4。同時污水處理過程中所需的能耗物耗(如曝氣供氧、泵站提升、混合攪拌、供熱以及化學藥品的使用等)亦可間接導致溫室氣體的排放，具體產生途徑見表2。

表2 污水廠溫室氣體產生途徑

通過陸家緣等人的研究表明，目前我國城市污水處理的碳排放強度穩定在0.92kgCO2e/m3左右，按此強度進行，則污水處理碳排放量將在2030年達到8 316萬t CO2e，占全國同期的碳排放總量的2.95%左右[7]，具體排放因子見表3[8]。

表3 污水廠溫室氣體排放因子

綜上所述，為確保我國“雙碳”目標的順利實現，污水處理過程中的能耗性碳排放、直接碳排放問題不容忽視。

2 減碳措施

為了實現污水處理技術的資源回收、能源開發利用和碳平衡的目標，已有多個國家針對污水處理廠制定了能耗自給或碳中和的技術路線。如美國提出至2030年所有污水處理廠均實現碳中和運行的目標，新加坡提出了從棕色水廠(Brownfield)到綠色水廠(Greenfield)的時間表與路線圖，日本發布的“Sewerage Vision 2100”要求到本世紀末完全實現污水處理能源自給自足等[9-11]。我國也提出了2030年碳達峰、2060年碳中和的宏偉目標。

為實現污水處理廠低碳綠色的目標，以NEWs(N:物質資源生產、E:能源生產、W:凈化水質)理念作為指導，從實際運行角度結合國內外的相關研究，主要有以下3個方面可以進行控制。

2.1 減少能耗性碳排放

(1)進行精細化設計。在污水廠設計時，通過充分利用工藝仿真軟件系統(BioWin、WEST、EFOR、GPS-X、STOAT等)，對污水廠的真實運行狀況進行模擬，獲取出水水質、能耗狀況、工藝核心參數、實際運行工況等結果。這不僅可以有效保障污水廠的運行質量，更可以實現工藝優化、節能降耗。例如，優化生化池的停留時間、曝氣量，可以大幅降低設備能耗；對泵的精準選型，保證超過其工作效率的80%，可以有效降低能量損失；優化總體布局，減少電纜長度，可以有效降低電能的不必要損失；準確控制全廠的水力、高程設計，盡可能地減少水頭的損失，有效降低全廠的電能消耗[12]。

(2)污水廠的精細化運營。根據污水廠水質、水量的變化，采用精確曝氣系統，可以確保每組生化池溶解的穩定性，實現保證工藝需求的前提下，達到降低電耗的目的。

(3)調整能源結構，采用清潔能源。在條件允許的地方，采用光伏、風能等新能源作為污水廠的用電來源，實現自發自用，余電上網的目的。

2.2 增加碳補償量

碳補償量的增加，主要包括污泥的資源化利用、污水余熱的利用、污水內部能量的利用。

2.2.1 污泥資源化利用

污水廠的污泥處理過程會消耗大量的能量、藥劑并產生溫室氣體，是污水廠高碳問題的主要因素。因此，采用高效科學的污泥處理技術，是實現污水處理廠的節能減排與低碳運行的關鍵。

針對此問題，污泥分離技術具有較好的處理效果[13]。可以將污泥的有機物和無機物分離，然后對分離后的產物進行精準資源化利用。有機物污泥部分作生物質燃料，無機物污泥部分作建材原料，余下鐵鋁鹽可作為絮凝劑回至污水廠進行二次利用，可減少PAC投加量50%～70%。該技術可以將污泥中大量無機物和水預先分離出去，減少了需要在干化段蒸發的水分。按照孟加拉污水廠每日處理400 t污泥(含水率80%)計算，分離后只有160 t污泥需后續干化，其蒸發水量由原先每天的285.7 t減量為80 t。同時污泥中含有豐富的磷資源，可以通過化學沉淀法、離子交換法、吸附法等方法實現回收利用。目前主要采用化學沉淀法，比較常用Ca2+和Mg2+鹽作為沉淀藥劑。

2.2.2 污水余熱利用

由于城市污水具有全年溫差變化不大、流量穩定、冬季溫度較高等特點，通過水源熱泵技術可以作為居家、樓宇空調的熱源。國外對此早已有廣泛的研究和應用。例如，20世紀80年代，瑞士和瑞典對污水處理廠余溫熱能利用的工程便已超過50個。事實證明，余溫利用工程不僅滿足廠內利用，還可以兼顧周邊民宅供熱、制冷需要[14]。

我國在污水余溫利用方面目前仍處于起步階段，但也取得了一些研究成果。郝曉地等人研究提出了污水余溫用于“污泥干化后直接焚燒”的技術設想。利用出水中的熱量對脫水污泥進行熱干化處理，將污泥含水率從80%降至40%～70%，熱干化處理后的污泥便可用于直接焚燒發電，灰分提磷后可用作建筑材料[15]。同時郝曉地等人的研究表明，城市污水余溫廢熱約占城市總廢熱排放量的40%，且具有極大的經濟價值。以北京市政污水處理廠(處理規模100×104m3/d)為例，計算得出:理論上污水廠出水通過熱泵集中利用，一次熱量交換的碳額交易利潤約為6 000萬元/a；通過二次甚至三次碳額交易，最高利潤可達1.56～1.95億元/a[16]。

2.2.3 污水內部能量利用

目前，污水處理技術升級對能耗物耗的需求越來越高，往往忽略了污水中本就含有高濃度COD等物質，蘊含著較高的化學能和熱能。Luo L等人的研究表明，以COD濃度為500 mg/L的污水為例，其所含化學能約為17.7～28.7 kJ/g COD，通過測算，其“理論最大有機化學能”為22.55 kW·h/m3[17]。

綜上所述，若能在污水處理技術中采用合理的工藝優化和能源利用技術，理論上可以大大降低污水處理廠的能耗、物耗，在實現污水處理廠節能減排，低碳綠色的同時，也可以帶來可觀的經濟收益。

3 結 論

為實現我國2030年碳達峰、2060年碳中和的目標，本文分析了目前污水高碳處理的普遍現象，并結合實際經驗和國內外的研究成果，提出了污水處理技術低碳綠色化的一些措施。

污水處理技術低碳綠色化，是貫穿于污水處理廠設計與運營管理的全過程。為實現低碳綠色的目標，首先應通過工藝創新和精準化管理，減少能耗性碳排放；其次根據實際情況，因地制宜地對海外技術進行二次研發，通過污泥的資源化利用、污水余溫利用、污水內部能量利用等措施，實現增加污水處理技術中碳補償量的目標。