城市污水處理系統碳排放研究

文_茍少康 新疆聯潤環境工程有限公司

2021年10月，《國務院關于印發2030年前碳達峰行動方案的通知》指出，要將碳達峰貫穿于經濟社會發展全過程，重點開展節能降碳活動，要求我國重點行業能源利用效率得到大幅提升，二氧化碳排放比2005年下降65%以上。因此我國各重點行業的碳排放工作進程亟需加快，向可持續發展目標快速邁進，以此緩解生態環保壓力，推動生態文明建設。本文以某城市污水處理系統為例，探究碳排放的實踐核算方法。

1 城市污水處理系統的工藝流程

某地區污水處理廠主要承擔該城市與周邊數十個城鎮的污水及廢水處理，年均污水處理量為32457413m3，該污水處理廠的出水指標能夠常年穩定達到當地水質指標。該地區污水處理系統的工藝流程主要包括初級與一級處理、生物處理、深度處理、旁路水處理單元4種污水平行處理線。

1.1 初級與一級處理

初級與一級處理屬于機械處理，需要將污水處理廠進水管道的污水提高到和初級與一級處理單元相對標高的位置，處理單元主要為粗/細格柵、沉砂池和初沉池，沉砂池能夠去除污水中的砂礫和油脂，所分離出的油脂還需要經過廢物處理廠實現回收利用。但在后續的污水處理線中缺少生物除磷功能，所以需要在污水經過粗格柵后摻入硫酸亞鐵進行除磷，與其他化學產品相比，硫酸亞鐵會降低處理設備對污水微生物的代謝作用。當水進入二沉池后還需再次添加硫酸亞鐵，可大幅度提高除磷效果，初沉池所形的沉淀污泥會與二沉池的污泥進行混合，并排入污泥儲泥池，將污泥進行離心脫水處理后再運往污泥處理廠進行厭氧消化處理，即可完成污水處理。

1.2 生物處理

生物處理線主要運用活性污泥法的好氧處理工藝。在污水處理過程中，水流可直接進入曝氣池獲取碳源，并基于碳源需求適當調整污水進入曝氣池的總量。在碳源足夠時就無需加入額外碳源進行反硝化脫氧，污水的除氮量就可達到86%。在不考慮厭氧池的情況，在污水進入二沉池前加入硫酸亞鐵就可達到99%的除磷率。在二沉池所沉淀的污泥會流回曝氣池，并隨其他污泥共同排出曝氣池，所排出的污泥和污水會形成混合液進入初沉池，能有效吸附污水中的溶解物或膠狀體的有機物，并與沉淀污泥共同進行離心干化處理，再送往污泥處理廠進行厭氧消化處理。

1.3 深度處理

污水水流由二沉池流出后，再經過砂濾池時會得到深層過濾，砂濾池的過濾層由0.5m石英砂和由燒焦粘土和淺礫石構成的過濾材料組成，過濾后的水可直接排入附近河道。污水經過砂濾池的過濾后，水中的細菌、病毒等有機污染物能夠得到有效去除，確保出水達到質量標準。

1.4 旁路水處理單元

在春夏季的雨水流量集中時期，污水處理廠的污水量也會增加，為污水處理系統帶來嚴重的運行負荷。對此，為強化污水處理系統的承受力和抗沖擊能力，可在初沉池后增設旁路水處理單元，在污水處理系統難以應對水流量負荷時，部分污水會分流至旁路水處理單元。旁路水處理單元可以運用Actiflo水處理技術，可高效去除污水中的有機微污染物，耐沖擊負荷能力強，且出水水質好，實現污染物的快速沉降與過濾。

2 城市污水處理系統的碳排放核算模型

2.1 碳排放量的核算

該污水處理廠的能耗主要來自能源消耗與能源產生兩個單元，其中污水處理耗能、污泥處理耗能、系統運行供熱供電、燃料運輸等環節都會排放大量的二氧化碳，而太陽能電池板、TSE熱泵站、通風系統等熱回收、沼氣廠等項目是污水處理廠節能減排的重要措施。該污水處理系統依托熱能與化學能的回收就能夠資源與能源的循環利用，但污水處理廠的運行能耗會影響碳排放量。為明晰污水處理廠的碳排放總量，推動污水處理系統的低碳化，應建立碳排放核算模型，掌握污水處理廠碳排的具體數值。城市污水處理系統的碳排放核算模型主要分為直接碳排和間接碳排兩部分，碳排放模型的主要核算二氧化碳、甲烷、氧化亞氮等，若污水處理廠中的化學需氧量有大量的化石碳成分，所轉化的二氧化碳是生源性的化石碳，所以不會被計入碳排放的核算中。基于此，該污水處理廠的碳排放核算應主要圍繞甲烷和氧化亞氮。

污水處理系統的運作需要消耗電能，則會隨之產生二氧化碳，所以應將二氧化碳計入碳排放核算模型中。但該污水處理廠的電力生產主要采用清潔能源，沉淀污泥的運輸也是厭氧消化后的沼氣，所以該廠的二氧化碳排放可直接計為零。同時，在污水或污泥的化學藥劑使用以及生產運輸都會產生二氧化碳，應將此部分計入模型核算中。其中污水處理系統運作所產生的甲烷與氧化亞氮屬于直接碳排，在藥耗碳排、污泥處理和生產運輸所產生的碳排放為間接碳排。該污水處理廠總碳排量核算數據如表1。

表1 某城市污水處理廠總碳排放量核算數據

2.2 碳減排量的評估

該城市污水處理廠的碳減排方式主要運用了廢水余熱回收技術和厭氧消化技術，并為評估各類碳減排項目的碳排放效能，分別采用了TSE熱泵站供能、太陽能電池板、通風系統、沼氣廠等方式。由于TSE熱泵站主要運用廢木料和農業副產物作為燃料，比煤、天然氣能源更加清潔，能夠有效代替傳統化石能源和生物能源，大幅度減少碳排放總量，并能增加該地區的總供熱量。太陽能電池板主要運用具有清潔性、可再生性的太陽能，將太陽輻射通過光電效應即可實現電能轉換，為污水處理系統的運行提供能源，但太陽能電池板生產過程中會產生大量污染物，且發電成本高，所照射的能量分布密度小，需要占用巨大空間，所以太陽能電池板并不適用于污水處理廠的碳減排。通風系統等熱回收是對室內外空氣進入和預排空氣的集中管理，回收室內廢氣的蓄含熱量，運用所回收的熱量進行回收和預熱處理，以此實現熱能傳遞和熱能的循環利用，有效降低碳排放，但與TSE熱泵站相比，所產生的碳減排效能相對較低。污水處理廠的碳排還可運用沼氣替代化石能源，將廢水轉化為可再生能源，并能夠產生大量碳匯，具有較為理想的碳減排效能。該污水處理廠運用各類碳減排項目所產生的凈產能和碳減排量如表2。

表2 某城市污水處理廠總碳減排量的評估數據

2.3 碳中和效果

通過對碳排放量的核算與各類碳減排項目的評估，能夠清晰明確污水處理系統可應用的碳減排方式以及其碳排放效能，通過構建碳排放核算模型即可計算出該污水處理廠的碳減排量高于碳排放量，真正實現了碳中和，將核算數據和評估數據進行合并即可得到該污水處理廠的碳排放總量與碳中和率。并且，根據該污水處理廠的碳排放核算模型可知，碳中和的實現主要源于采取了高效的碳減排項目，并非依托污水處理系統中的循環回收，且該污水處理廠的碳減排核算能夠表明TSE熱泵站是最為理想的碳減排方式，通過回收污水中大量的余溫熱能促進了污水處理的低碳化。該污水處理廠的總碳排量和總碳減排量的核算匯總數據如表3。

表3 某城市污水處理廠碳排放核算模型匯總

3 結語

污水處理行業作為能夠降低全領域能源消耗碳中和壓力的重要環節，應積極開展低碳工藝轉型，運用高效的碳減排技術項目，降低污水處理全鏈條的碳排放量，以此提高污水處理的碳中和率。本文以某城市污水處理廠為例，通過構建污水處理廠的碳排放核算模型，可得知若想真正實現碳中和，就需要通過回收污水中的大量余溫熱能，可采用TSE熱泵站技術，以此推動污水處理系統的碳負排放。