推進污水處理廠減污降碳協同增效的措施和建議

摘要：污水處理廠對保護水環境、維持生態平衡、促進國民經濟發展作出了積極貢獻。傳統污水處理多采用“以能耗能”模式，忽視了污水作為能源和資源的潛質，與當下“雙碳”目標和綠色發展理念相悖。目前，隨著污水處理要求的不斷變化，污水處理廠管理目標已逐步從減少污染物向資源回收、低碳運行的方向轉變。因此，污水處理廠碳減排需多處著力，應以開展多層面減污降碳協同創新為突破口，并在具體實踐中解決當前存在的問題，多維度制定減污降碳方案，開發利用新能源新資源，鼓勵減污降碳科技創新，多舉并措協同推進污水處理廠高效穩定運行，助力我國污水處理廠低碳化發展。

關鍵詞：污水處理廠；減污降碳；協同增效；問題；措施建議

引言

隨著工業生產規模的不斷擴大和城市人口數量的持續上升，我國污水處理廠面臨巨大壓力，污水處理行業能耗高、碳排放高的問題日益凸顯[1]。據調查，污水處理行業碳排放約占全社會總排放量的1%～2%。可見，開展污水處理廠碳減排迫在眉睫。實現減污降碳協同增效是推動我國生態環境綠色、可持續發展的重要途徑之一，因此系統梳理污水處理廠碳排放現狀，整體分析污水處理廠碳減排當下要面臨的問題，并針對當下面臨的挑戰提出有效措施和建議，具有重要的現實意義和戰略價值。

1污水處理廠碳排放現狀

1.1直接碳排放現狀

直接碳排放是指污水處理過程現場直接向大氣排放的CO2、CH4 和 N2O等溫室氣體，直接排放占總排放總量的60%以上。通常而言，工藝選型是影響直接碳排放的重要因素之一，在污水處理過程中，CO2的直接排放主要通過以下3個途徑產生。

1.1.1有機物的好氧降解

污水中的有機物在好氧條件下經過微生物降解的過程中會釋放CO2，在污水處理廠的生物處理單元中，通過向水中注入氧氣，促使微生物降解有機物，產生CO2作為代謝產物。

1.1.2微生物的內源呼吸作用

污水中的微生物在生長和代謝過程中進行呼吸作用，從有機物中釋放出能量，并產生CO2。

1.1.3反硝化過程

硝酸鹽被還原成氮氣，同時會產生CO2。CH4 排放主要發生在化糞池、管道淤積、污水直接排放等，幾乎在所有的厭氧環境下有可能產生CH4。N2O的大氣升溫效應較CO2高出約165倍，在污水好氧處理過程中，N2O排放量較高[2]。

1.2間接碳排放現狀

污水處理廠的間接碳排放通常是指處理過程中使用能源或化學物質所導致的碳排放。間接碳排放是污水處理廠運行過程中需要重點控制的內容。長期實踐分析，曝氣系統的電能消耗量最高，占總電能消耗的50%～60%；污泥處理系統的電能消耗主要為用生物處理的供氧及污泥的處理處置等步驟；提升系統和回流系統中，污水提升泵的電耗通常占總耗電量的15%～25%。因此，這3個系統是污水處理廠實現碳減排的關鍵環節。

1.3不同處理技術對碳排放影響現狀

1.3.1污水處理工藝

不同的污水處理工藝對碳排放的影響有所不同。本文比較分析了當下污水處理廠應用較多的7種污水生化處理工藝去除單位 COD 的 CO2 排放量，具體數據如表1所示。由表1可知， MBR工藝去除單位COD 的 CO2 排放量最高，為 4.45 kg/kg；物理化學法工藝次之，為4.32 kg/kg ；A2/O 工藝去除單位COD 的 CO2 排放量最低，為4.12 kg/kg。因此，在選擇污水處理工藝時，應該綜合考慮其對碳排放的影響及其它環境和經濟因素，以實現良好的經濟效益和社會效益。

1.3.2污泥處置方式

2022年9月，我國印發《污泥無害化處理和資源化利用實施方案》，明確提出“污泥無害化處理和資源化利用的原則、目標和措施”，為污水處理廠減污降碳提供了有力支撐。為此，越來越多的研究人員開展了污泥處理處置技術方面的研究工作。本文結合相關研究報道，對5種不同污泥處理處置方式的碳排放量進行了對比分析，具體數據如表2所示。

由表2可知，污泥填埋處置方式的溫室氣體排放量最大，為0.792 kg/kg；而污泥厭氧消化+沼氣發電的減排程度最高，為0.133 kg/kg。因此，在選擇污泥處理處置技術方案時，應堅持因地制宜、多樣并存等處理與處置原則，綜合考慮安全、經濟、高效、綠色等因素， 穩步推進污泥穩定化、無害化和資源化處理與處置。

2污水處理廠碳減排面臨的問題

2.1缺乏頂層設計監管水平有待提升

碳減排是污水處理廠一項重要的工程，具有周期長、任務重等特點，應突出協同增效，并強化目標協同、監管協同。美國、日本等發達國家已將溫室氣體納入污染物范疇，實施統一環境監管。但我國目前還未制定統一、完善的溫室氣體排放監測和碳減排控制策略，因而污水處理廠減污降碳、節能減排等方面缺少頂層設計和規劃。另外，在污水處理廠電耗、藥耗等碳排放的監管方面也略顯不足，監管政策的不健全、監測與評估手段的不完善、監督管理不到位等問題依舊存在；同時，政府方面更是缺少補貼和激勵政策，導致我國污水處理行業碳減排協同增效發力難度大，實施效果不佳[3]。

2.2減污降碳技術與設備方面尚存不足

近些年，盡管我國污水處理廠減污降碳協同增效工作一直在有條不紊地推進，但從行業現狀來看，污水處理廠在協同治理方面采用的技術路線不夠成熟，在“高、精、尖”設備設施的投入方面也有所不足。美國、日本等一些發達國家在污水處理廠碳減排技術研發方面起步較早，已積累了一定的經驗，如采用污泥外源協同消化產生CH4用于發電，從而實現污泥資源化利用；回收污水中的有機能，以減少有機物的浪費和減少對外部能源的依賴；利用污水中的余溫熱能，替代化石燃料的使用，從而減少碳排放。雖然近幾年我國污水處理政策密集出臺，領域不斷細化，污水處理廠也逐步向著規范化、標準化方向發展，但是減污降碳技術、設備方面仍存在不足，依然沿用老思路、老辦法，對碳減排的重視度不夠，新技術應用不足，污泥處置設施固定資產投資占比偏低。

3污水處理廠減污降碳協同增效措施與建議

3.1多維度制定減污降碳方案

目前，國外一些發達國家基本已有成熟的污水處理廠碳中和技術路線圖。而對于我國污水處理廠而言，還亟需完善污水處理廠技術路線圖來規范各項工作有序進行。因此，在這一關鍵時期，政府層面需要發揮引領作用，為污水處理廠減污降碳提供政策上的支持和保障，建立健全污水處理廠減污降碳監管機制，并配套相應的標準規范，提高行業減污降碳責任意識，通過監管來保障方案的落地、施行。另外，還應在重點區域開展污水處理廠減污降碳項目示范，并鼓勵越來越多的污水處理廠積極、主動參與進來，共同研究制定污水處理行業碳減排技術文件和發展路徑，共同支持我國碳減排目標的實現。

3.2加強新技術的研發與應用

3.2.1加強節能降耗和減碳技術的研發與應用

間接碳排放是污水處理廠減排的重點和難點，需要引起高度關注。短程硝化反硝化技術、好氧顆粒污泥技術、厭氧氨氧化技術等是目前主流的低碳處理技術手段。其中，短程硝化反硝化技術能夠大大降低需氧量、降低碳源，相比傳統工藝可節約50%的污泥量；好氧顆粒污泥技術經濟性較高，可節約35%左右的成本；厭氧氨氧化技術不需要額外加入碳源，大大降低了CO2的排放量[4]。

3.2.2加強替碳技術的研發與應用

污水處理廠在運行過程中會有大量的剩余能源，如果能夠將這些能源（熱能、冷能、化學能等）進行回收利用，不僅可實現污水處理廠能源的自給自足，還能為其他地區提供能源或資源。如，將污水中豐富的熱能進行回收，實現熱能集中利用或原位利用，不僅能為污水處理廠自身或者周邊其他區域進行供熱，還有著良好的節能和減排效果。國外在這方面已積累了大量經驗，挪威Asker污水處理廠，通過熱能回收再利用為空調系統，實現了為28個商業建筑供熱；荷蘭Rijnlanden污水處理廠熱能利用實現了為10000個家庭供熱。而我國，只有山東省濰坊市污水處理廠，通過熱能回收和利用實現了為辦公區和住宅樓供暖。

3.2.3加強固碳技術的研發與應用

由于實現污水處理過程CO2 直接排放為零幾乎是不可能的，因此應加強固碳技術的研發與應用。生物法利用了微生物的生物催化能力，通過生物體內的代謝途徑將CO2轉化為有機物質或其他有用的化合物，相比傳統的化學法，生物法具有環境友好、綠色無污染、反應條件溫和等優勢，目前已經在一些領域得到了應用。近幾年，相繼開發的微生物電化學裝置，不僅能將CO2轉化為CH3COOH、HCHOH等化學材料，減少污水處理廠的碳排放，還提升了企業經濟效益，具有良好的市場應用前景。

3.3加強智慧化建設助力運行管理

建設智慧污水處理廠，不僅可以實現污水處理廠的全流程自動化控制、運維數字化管理，還能改善環境質量、促進科技創新，為環境保護做出重要貢獻。目前，越來越多的污水處理廠開始建立全廠閉環運行和系統的自診斷能力，進而達到改進操作水平、改善出水水質并提高操作效率的目標。如，通過實現混凝劑投加環節的智能化運行，智慧污水處理廠可提高混凝劑投加的精準度和效率，降低運行成本，同時減少人為操作帶來的錯誤風險，提高處理效率，保證污水處理系統的穩定性和可靠性。智慧污水處理廠，既能對廠內設備設施信息、設備運行數據、等信息的集中采集，又能對污水處理廠周邊數據進行按需采集，從而全面了解和感知污水處理廠的運行狀態和環境情況[5]。同時，基于大數據分析技術，建立智慧污水處理廠數學模型，通過監測進水水質、水量，智能調節加藥量、曝氣量、污泥回流量等，以提升污水處理廠的整體信息化水平，實現管理協同的目標，進而促進污水處理廠開展減污降碳協同增效工作，使污水處理廠節能降耗、出水水質穩定達標。

3.4開發利用新能源

推動太陽能、風能、氫能等綠色能源的高效利用，對降低污水處理廠的能源需求及減少由化石能源消耗帶來的CO2排放具有重要作用。污水處理廠通常需要大量的能源來運行攪拌、曝氣、泵送等設備的運轉等，而利用光伏發電系統，不僅可將太陽能轉化為電能滿足污水處理廠污水處理過程的用能，還可減少由化石能源消耗帶來的CO2排放。據相關數據調查，采用太陽能發電技術，1年能夠減少大概 10 萬 t的 CO2排放。但在污水處理廠內進行太陽能發電技術的利用時，需進行合理規劃和布局。因此，可選擇廠區內的綠化地帶、停車場、辦公建筑屋頂等適合安裝光伏電池組件的位置，最大限度地利用空間，實現對太陽能的開發利用，降低對化石能源的消耗及減少CO2排放。

結語

隨著“雙碳”目標的提出，污水處理廠亟需轉變經營與發展理念，應逐步向著全流程減碳設計、資源化利用的模式方向轉變。污水處理廠可立足實際，將污染排放治理與碳排放治理實施統一規劃，強化污水廠減污降碳技術布局。同時，針對污水處理廠當下面臨的問題，推進新技術的研發與應用，并多維度制定減污降碳方案，開發利用新能源，加強智慧化建設助力運行管理，逐步建立以政策支持為推動力和技術創新為行動力的碳減排新路徑，實現污水處理廠的提質增效。

參考文獻

[1]夏韻，李金龍，張彬，等.污水處理廠污泥處理處置現狀與發展趨勢研究[J].中國資源綜合利用，2023，41（08）：104-108.

[2]李東陽.城市減污降碳的協同增效分析及提升策略[J].資源節約與環保，2024（02）：19-23.

[3]邢華，李向陽.減污降碳：低碳城市試點的協同效應[J].干旱區資源與環境，2024，38（05）：10-19.

[4]張海亞，李思琦，黎明月，等.城鎮污水處理廠碳排放現狀及減污降碳協同增效路徑探討[J].環境工程技術學報，2023，13（06）：2053-2062.

[5]浦恩遠，徐吉祥，張瓊.曲靖市踐行“雙碳”戰略的路徑分析[J].中國資源綜合利用，2023，41（04）：162-164，171.

作者簡介

董淼（1987—），男，漢族， 浙江紹興人，工程師 ，碩士 ，研究方向為生態環境監測與管理。

加工編輯：馮為為

收稿日期：2024-04-24