“雙碳”背景下城市污水廠低碳技術評估研究
——以馬來西亞PANTAI污水廠為例

■ 中國市政工程西南設計研究總院有限公司 丁瑤 王雪原 王胤 張學兵

綠色低碳發展是當今時代的主旋律，同時也是生態文明建設的必然要求，努力控制并減少化石能源消費以及由此引發的碳排放，已成為全球共識。2016年，我國作為全球能耗及碳排放大國，在《巴黎協定》中向全世界作出承諾，2030年左右達到二氧化碳排放峰值。5年后，中國提出一個更加明確而有力的目標，力爭在2030年前實現碳達峰，2060年前實現碳中和[1]。“雙碳”目標的實現，不僅是我國對世界的承諾，更是指導各行業發展的明燈。

城市污水處理廠是污染減排的主要承擔者，污水處理行業碳排放量占我國總排放量的1%～2 %[2]，在碳達峰與碳中和階段發揮著重要作用。美國水環境聯合會（WEF）提出污水處理廠不再是處理廢物的工廠，而是水資源回收工廠，之后這一理念得到了廣泛認可。當前，國外已有污水廠通過能源利用或技術革新實現碳中和的典型案例。目前，我國城市污水處理廠的綠色低碳轉型之路剛剛起步，《國務院關于加快建立健全綠色低碳循環發展經濟體系的指導意見》（國發〔2021〕4號）、《“十四五”城鎮污水處理及資源化利用發展規劃》（發改環資〔2021〕827號）等一系列指導性政策文件的出臺，明確了城市污水廠的建設要向著無害化、資源化、節能低碳、系統協調等方向發展。因此，如何進一步降低城市污水廠碳排放量、降低能耗，是水務工作者探求的目標。

在“雙碳”目標下，評估污水廠綠色低碳技術的碳減排當量及成本節約情況，對我國市政污水廠綠色低碳發展具有重要的指導意義。本文以馬來西亞吉隆坡PANTAI污水廠為例，估算雨水利用與污水再生回用、水源熱泵、沼氣發電、光伏發電、光導纖維采光、精準曝氣和景觀綠地7項低碳技術的碳減排當量或固定量，評估各項技術的能耗與成本節約，提出城市污水廠未來工藝的選擇方向，以期為我國城市污水廠綠色低碳轉型提供參考，進一步助力“雙碳”目標實現。

工程概況與方法

馬來西亞PANTAI污水處理廠項目（圖1）是馬來西亞第一座地埋式污水處理廠，位于吉隆坡Pantai區，設計規模32萬t/d，服務人口約140萬。該廠址原為氧化塘工藝污水處理廠，隨著城市發展成為“城中廠”，嚴重影響市容市貌和居民感官，制約了周邊土地開發與價值提升。后來，將原廠址覆土改造為綠化面積近10萬m2的體育公園，地下為污水廠主體，采用“旋流沉砂池+改良A2O生化池+矩形二沉池+紫外消毒池”工藝，污泥一部分脫水外運，一部分處置采用“污泥濃縮池+污泥厭氧消化罐+沼氣發電”（圖2）。該污水廠項目集成了智能調控、水源熱泵、光導纖維采光、沼氣發電、雨水回收利用、光伏發電等綠色低碳技術。自2014年正式通過驗收后，一直穩定運行至今，出廠水質、大氣污染物、廠界噪聲排放達到馬來西亞《城市污水處理廠污染物排放標準》，產生了良好的社會效益、經濟效益與環境效益。

圖1 馬來西亞PANTAI污水處理廠實景圖

圖2 PANTAI污水廠工藝流程圖

相比傳統污水處理廠而言，地埋式污水處理廠具有以下優點：一是解決鄰避問題，對廠區周邊環境友好；二是構筑物集約化程度高，土地資源利用效率高；三是上部地面空間可以開發利用，有利于城市土地價值提升；四是在寒冷地區有利于處理設施保溫。同時，地埋式污水處理廠也具有明顯的缺點：一是構筑物埋深大，設計、施工難度大；二是建設投資高于地面廠；三是配套通風、照明、消防等要求高；四是運行能耗高于同規模地面廠；五是擴建難度大。因此，與傳統污水處理廠相比，地埋式污水處理廠更應該采用低碳技術來降低其運行能耗。

本研究結合該污水廠項目的設計基礎資料，針對其綠色低碳技術進行深入剖析，評估其碳減排量。為方便比較，本文均按照國內相關標準和文獻的計算方法和取值進行碳排放計算。

植被固碳量計算方法

綠地中的植物固碳量估算方法依照《城市綠化碳匯計量與監測技術規程》（DB33/T 2416—2021）與《城鎮水務系統碳核算與減排路徑技術指南》，計算公式如下：

CSSzb=EFzb·Szb

式中，CSSzb為植被固碳量，kg CO2-eq；EFzb為植被固碳因子，kg CO2-eq/m2；Szb為植物覆蓋面積，m2。

電能回收減碳量計算方法

PANTAI污水廠部分污泥通過厭氧消化技術回收甲烷氣體，用其發電再供污水廠運行使用，節約外購電量，二氧化碳當量的減少量計算公式如下：

CSSe=EFcs-d·EFd/Qin

式中，CSSe為電能回收減碳量，kg CO2-eq/m3；EFcs-d為評價年內生產的總電能，kWh/a；EFd為該地區電力排放因子，kg CO2-eq/kWh；Qin為評價年內生活污水處理總量，m3/a。

熱能回收減碳量計算方法

PANTAI污水廠通過水源熱泵技術回收熱能，用于廠前區綜合樓、設備間的制冷，代替傳統的空調制冷方式，有效節約標煤電量，二氧化碳當量的減少量計算公式如下：

CSSh=EFcs-h·EFh/Qin

式中，CSSh為熱能回收減碳量，kg CO2-eq/m3；EFcs-h為評價年內可向污水處理系統外輸出的熱能，GJ/a；EFh為化石燃料排放因子，kg CO2/GJ；Qin為評價年內生活污水處理總量，m3/a。

工程設計

雨水利用與污水再生回用。PANTAI污水廠地面以上是體育公園，其景觀用水全部來自于污水廠處理后的再生水及收集再利用的雨水（圖3）。雨水和污水再生回收利用可以減少自來水的使用量，這意味著降低了自來水生產過程中所產生的能耗與藥耗，從而減少碳的排放量。PANTAI污水廠再生尾水通過“超濾膜”過濾后，經臭氧消毒脫色，最終供地面景觀循環使用。再生水與自然水體或自來水相比，具有水量穩定、水源可靠、引水路徑短、水價低廉等優點，污水再生回用是實現污水廠綠色低碳發展的有效路徑之一。同時，PANTAI污水廠廠區設計引入海綿城市理念設計雨水利用系統，雨水水質較好，可直接用于市政用水和景觀用水等。由于削減了廠區范圍雨水排放量，也可大大減輕雨水管網和城市防洪系統的負荷。PANTAI污水廠平均每日回用再生水1400m3，全年可減少碳排放量約363.7t。

圖3 PANTAI污水廠雨水利用與污水回用實景圖

水源熱泵。馬來西亞氣候炎熱，水源熱泵技術可利用比熱較大的污水處理尾水，隨著尾水流動帶走空氣中的熱量，通過這種換熱為建筑及地下箱體內房間供空調冷源，代替傳統空調機柜，更加節能環保。PANTAI污水廠配置帶有熱回收功能的水冷冷水機組，污水將冷量傳遞給中介水后，再進入熱泵機組完成冷量轉換（圖4）。因常規循環冷卻塔式冷水機組的冷卻水進出口溫度為30℃和35℃，而污水源冷水機組的換熱器進出口污水尾水溫度25℃到30℃，這樣冷凝溫度可降低5℃，系統效率提高15%—20%。同時，由于直接向污水排放尾水中排熱，這樣就不需通過冷卻塔進行冷卻。不需要循環冷卻水，不產生熱島效應和局部霉菌數量超標，有利于節能環保。項目省去冷卻水系統，投資節省10%，運行電耗為常規系統能耗的40%—50%，每年可減少碳排放量約4162.8t。

圖4 水源熱泵技術示意圖

沼氣發電。PANTAI污水廠每日剩余活性污泥量為44.8tDS/d，經厭氧消化后產沼氣量約為9900m3。消化罐內沼氣收集后經礫石過濾器去除冷凝水，再進入生物脫硫塔去除硫化氫，經此預處理的沼氣儲存在雙層膜球沼氣柜中（圖5）。在儲氣柜內沼氣再次經過濾干燥加壓后，通過熱電聯供沼氣發電機組，從而實現利用污水中的污泥消化所產生的沼氣燃燒發電，以及沼氣發電機組的冷卻水與廢氣中的熱量為污泥厭氧消化增溫，從而減少化石能源的消耗，大大減少二氧化碳、甲烷等溫室氣體的排放[3]。目前，PANTAI污水廠日均總用電量為4.41萬kWh，沼氣自發電量占總用電量的5%—10%左右，全年減少碳排放772.6t—1543.3t。

圖5 PANTAI污水廠厭氧消化罐實景圖

光伏發電。馬來西亞吉隆坡日照充足，太陽能資源非常豐富，為4.9kWh/(sqm·天)，具備發展太陽能光伏電站的良好條件。為充分利用當地太陽能資源，依據國際和馬來西亞電器標準和規范，PANTAI污水廠廠區車棚頂面鋪設太陽能板，地面建設了200kW的獨立太陽能電站。PANTAI污水廠太陽能發電系統采用819塊240W單晶硅光伏電池組件，成3組光伏陣列，7串39并組組成。充分利用白天的陽光儲能到蓄電池中，在滿電情況下，太陽能發電直接供給負載使用。停電時，通過逆變器以交流電形式供給發展總部大樓負載使用，可維持200kW系統用電約4.6h，全年可產生約33.6萬度電，減少碳排放量約為322.4t/年。

光導纖維采光。PANTAI污水廠利用景觀水體作為下部采光通道（圖6），白天利用自然光照明。綠地中設置光導照明系統采光設施，并結合景觀預留照明窗，充分利用日光實現箱體、隧道空間白天零能耗的綠色照明。理論上，全年可節約電量47.3萬kWh、減少碳排放量約為450t。此外，各照明控制箱和按鍵面板采用總線連接方式，實現手/自動控制燈具點亮組態、多方位異地控燈、中控室集中控燈、定制控燈等功能。當發生火災時，可自動強制亮燈，智能燈控系統實現了安全生產保障和高效節能管控。

圖6 PANTAI污水廠采光通道實景圖

智能化管控。PANTAI污水廠采用“精準曝氣系統”及EICA智能監控系統。該系統可對全廠進行分散控制和集中管理，大大提高了系統的可靠性和穩定性。各現場控制單元還可獨立運行，并通過通訊總線與中央控制室連接，組成全廠集中管理系統。同時，采用開放式網絡結構，使廠內辦公管理系統方便接入總系統，并充分考量遠期技術、設備升級接入空間。系統設計主要包含自控設計、控制系統和儀表系統三個方面。其中，自控設計采用國內外先進的集散型計算機系統進行自動控制和管理。控制系統由中心控制室和現場PLC子站組成，實現分散檢測和控制、集中顯示和管理以及資源共享；儀表系統滿足“工藝必須、計量達標、實用有效、免維護”的原則。

污水廠精準曝氣系統是采用生化動力學模型及閥門開度最大控制理論，按照生物處理過程需求進行精確曝氣，節約能耗。為實現對曝氣池溶解氧濃度的穩定控制，根據污水負荷和反應條件的實際變化情況，綜合考慮各種干擾因素和系統中各個單元的相互影響和協調管控問題，開發可靠的動態調節曝氣量數學模型。PANTAI污水廠采用智能曝氣池溶解氧濃度穩定智能控制系統，實現了滿足進水負荷變化過程中溶解氧濃度的穩定化控制，優化調控各工藝的相關參數，實現策略分級和智能切換，保障系統安全運行，充分節約能源消耗。PANTAI污水廠精準曝氣系統全年可節約電約1622.2萬kWh、減少二碳排放量約15573.3t。

景觀綠地碳匯。景觀綠地可通過增加城市中的綠地面積，吸收大量二氧化碳并儲存起來，從而減少溫室氣體的排放。不僅如此，景觀綠地還能夠一定程度上調節城市微氣候，并能融合海綿城市理念，提升景觀效果，有效防止土壤侵蝕，提供雨水滯留和自然過濾功能。PANTAI污水廠是在原氧化塘處理區上新建而成，采用全地下建設形式，其地面生態公園占地約17萬m2，綠化面積近10萬m2，全年固碳量約為14.5t。

減碳效益分析

PANTAI污水廠綠色低碳技術效益分析。PANTAI污水廠項目采用了污水再生回用、建筑雨水收集回用、污水源熱泵系統（空調供冷）、光伏發電、光導纖維采光、精準曝氣等多項綠色技術，并在地埋式污水廠上方打造了休閑體育公園，實現了節能降耗、減碳降碳的目的，成功打造了一個再造生態環境、突出綠色節能的環境友好型項目典范。根據PANTAI污水廠設計參數估算各綠色低碳技術的減碳量發現（表1），精準曝氣＞水源熱泵＞沼氣發電技術的減碳量，節約成本分別為670.8萬元/年、89.7萬元/年和31.9萬元/年～61.9萬元/年。曝氣環節被認為占污水廠總能耗的40 %～60%，是能耗的最主要單元，精準曝氣可節約近10%的耗電量，該技術產生的節能效益最為顯著，因此減少的碳排放量較高。馬來西亞屬于熱帶地區，常年高溫，公共設施區域空調常開，對于這種地區水源熱泵技術帶來的節能效果更為突出，可有效降低空調的能耗，但對于我國多數地區效果會有所削弱。

表1 PANTAI污水廠各綠色低碳技術碳減排當量與運營成本節約

表2 不同國家污水廠能耗情況

PANTAI與其他污水廠能耗對比分析。污水廠的能耗與被處理的污水原水水質、水量以及排放水質指標等均有關聯，不同地區的原水特性與處理標準存在差別，因此采用“比能耗”將每處理單位體積的污水所消耗的能量折算為電能（kWh/m3）這一指標來進行比較。我國關于比能耗的調查研究較少，通過張羽就等[4]的研究結果可知，2016年對全國1291座污水處理廠運行能耗調研的結果顯示，95%污水處理廠的單位能耗分布在0.030 kWh/m3～1.418 kWh/m3，均值為(0.317±0.229) kWh/m3；地下式污水處理廠基本都在0.45 kWh/m3～0.6 kWh/m3[5]。與國內外污水廠平均比能耗水平相比，PANTAI污水廠作為地埋式污水廠本應能耗較高，但因其采用多項綠色低碳技術，使得其比能耗水平處于下游。可見，PANTAI污水廠項目中所采用的精準曝氣、沼氣發電、水源熱泵等綠色低碳技術產生了良好的節能減碳效果，為未來“雙碳”背景下城市污水廠的發展提供了借鑒作用。

結論

PANTAI污水處理廠為地埋式污水處理廠，其運行能耗約為0.25kWh/m3，相較于國內外污水廠而言處于較低水平，是低碳型污水處理廠的典型案例。PANTAI污水廠設計與建設采用了雨水利用與污水再生回用、水源熱泵、沼氣發電、光伏發電、光導纖維采光、精準曝氣與景觀綠化7項綠色低碳技術。理論上，精準曝氣技術的碳減排當量與成本節約最為顯著，分別為15573.3噸/年和670.8萬元/年。其次是其沼氣發電和水源熱泵技術，碳減排當量為772.6噸/年～1545.3噸/年，全年可節約31.9 ～61.9萬元/年；水源熱泵技術的碳減排當量為4162.8噸/年，全年可節約179.3萬元/年。最后，其他綠色低碳技術的碳減排當量在400噸/年左右，成本節約低于20萬/年。PANTAI污水廠采用的7項綠色低碳技術共減少碳排放當量21659.3噸/年～22432.0噸/年，節約運營成本931.2萬元/年～961.2萬元/年。

城市污水處理廠作為污染物資源化的重要載體，如何實現污水處理的資源化、低碳化、智能化是未來發展的方向。基于本文研究成果，精準曝氣、污泥厭氧消化與沼氣發電以及水源熱泵技術是值得城市污水廠選擇與推進的低碳技術，在減少碳排放的同時可實現節能降耗，以此實現污水廠減污降碳協同處置、綠色低碳發展轉型，從而助力我國“雙碳”目標實現。（王雪原系本文通訊作者）