污水處理行業的減污降碳探索
——嘉興港區工業污水處理有限公司的綠色轉型

郭慧，鐘丁磊，薛懂，何舒文，姚海勇*

（1.浙江巨能環境工程有限公司，浙江 桐鄉 314503；2.浙江數翰科技有限公司，浙江 桐鄉 314503；3.嘉興港區工業污水處理有限公司，浙江 平湖 314201）

近年來我國水污染治理力度日益加大，各污水處理廠已從“達標”發展到“提標”。在“雙碳”背景下，污水處理行業也提出了減污降碳的新目標[1]。

在污水處理過程中，可通過提高污水處理綜合能效、提高污水集中收集處理率、探索可持續新工藝等手段，實現低碳污水處理。

本項目團隊通過技術研究和工程實踐，開發了能實現能源回收且適用于高濃度強抑制性化工廢水處理的厭氧顆粒污泥床技術、高效低碳的“硫代碳”脫氮技術、污水處理端AI 運維決策控制系統。

厭氧顆粒污泥床生物技術是實現能量回收的一種重要水處理技術[2]。由于其高效、綠色的技術特點，在高濃度污水的處理過程中愈發受到關注[3]。但是和其他生物法處理廢水一樣，該技術在高抑制性廢水中的應用也受到了一定限制[4]。因此，對該技術在高濃度、高抑制性化工廢水中的應用是研究熱點。

隨著污水處理廠尾水標準的不斷提升，異養反硝化脫氮過程的碳源投入成本也大幅上升，從而導致污水處理成本增大，其中碳源投加導致的單位水量增加成本為486.50—1419.23 元/萬m3[5]。因此，越來越多的研究者將目光聚焦于低成本、低碳排放的自養反硝化脫氮過程。自養反硝化過程無需有機碳源，具有諸多優點。然而，已報道的對自養反硝化過程的研究以硫磺、硫代硫酸鈉等優質硫源為主，對于一些廢棄物中硫源的利用，研究相對較少。

面對高標準的排放指標、嚴格的環保執法，很多污水處理廠為了應對來水的波動并確保出水達標，多將出水水質遠遠控制在達標線以下，污水處理廠的“過度運行”普遍存在。因此，如何精準的執行調控和運行指令、有效提升傳統工藝的生產效率、對運行控制做出更智慧的決策，同時減少污水處理行業的間接碳排放，是整個污水處理行業亟須解決的問題。人工運維過程受限于人的認知水平、經驗水平和情緒狀態等因素，會出現不同的判斷和調控結果，調控的幅度代表著一個運營團隊對整體工藝的熟悉和掌控程度。大數據和物聯網在環保行業的應用，目前也僅能解決數據可視化、集中化的問題，數據的有效利用還有很大的探索空間。此外，人對管控的實施頻率和對全盤信息的管理程度，都決定了最優管控的幅度極限。開發AI 系統，通過深度學習之后，以其對數據進行實時處理和分析的優勢，能夠通過小幅多次的調控手段將人的管控幅度邊界進一步收斂，充分挖掘數據價值，從而提升污水處理系統應對沖擊的能力，為運行安全邊界和成本邊界流出更多的冗余空間，從而能更好地實現節能降耗。這三項應用集成了技術創新、應用創新，實現了減污降碳的目標。

1 創新點

1.1 技術創新

1.1.1 高濃度抑制性化工廢水的厭氧顆粒污泥床生物處理技術的開發和設計

要實現厭氧顆粒污泥床技術在高濃度高抑制性的化工廢水中的穩定應用，微生物馴化、培養和啟動以及合理的反應器和工藝設計對高強度抑制性化工廢水的降解去除、系統穩定運行至關重要[6]。利用高濃度厭氧顆粒污泥床技術，以及后續專業的運行維護，可成功解決厭氧生物處理高濃度抑制性化工廢水的處理問題，COD 去除率可達到80%以上，有機負荷最高可達到8 kgCOD/（m3·d）以上，實現污染物的高效去除并產生可以回收利用的沼氣。

1.1.2 高效低碳的 “硫代碳”脫氮技術的開發和設計

我們集中研究了某烯烴企業生產過程產生的含硫堿液用于硫自養反硝化的可行性，并研究了在不同條件下整個體系的脫氮效果及水質變化情況。研究表明，利用廢棄物中硫源進行自養反硝化，在5h 停留時間下能夠實現運行穩定，并將TN 從24mg/L 減小至2.5mg/L 以下，去除率接近90%。此外，高硫堿液中的硫離子也被硝態氮氧化成穩定態的硫酸根，實現無害化。

同時，項目團隊設計出基于硫自養反硝化的生物濾池工藝，可最大限度地在運行過程中保持微生物的多樣性和豐度，保證了工藝的穩定運行。

1.1.3 人工智能在污水處理運維決策系統中的開發

項目團隊將人工智能技術應用于污水處理運維決策控制過程中。其算法模型是將機理模型與數據模型有效融合，實現小數據建模。通過疊加運用元學習、進化算法等深度機器學習技術，以及自身總結出的原理，開發出了負荷感知、仿真模擬、負荷分攤等核心技術，并最終形成了能夠覆蓋多場景、多工藝的AI運維決策控制系統。

1.2 應用創新

1.2.1 沼氣發電應用于集中式高濃度廢水厭氧生物處理

為實現沼氣的有效回收利用，規模效應是必需的。本項目團隊使用上下游一體化理念，專管收集納管園區若干家企業的高濃度廢水。通過建設2500m3/d 的集中式高濃度廢水厭氧顆粒污泥床裝置，處理平均進水COD 濃度為12 000mg/L 的高濃度抑制性廢水。通過沼氣發電系統，將其產生的約10 000Nm3/d 沼氣進行發電，每日可產生約28 000kW·h 的電量，可基本滿足污水處理廠運行所需，在大量去除污染物的同時，實現間接碳排放。

1.2.2 協同利用上游企業高硫堿液進行脫氮處理

在烯烴行業生產過程中產生的堿吸收液（即高濃度Na2S 和NaHS 廢液）堿性高、含硫量大，而常規的濕式氧化處理工藝存在占地面積大、配套設備復雜、電耗和藥劑消耗量大等問題，故上游生產單位需投入大量成本用于處理該廢水，同時會造成大量的碳排放，加重企業的減排負擔。

本項目團隊推利用含硫廢堿液中的硫及硫化物含量豐富的特點，創新性地將含硫廢堿液作為自養反硝化脫氮的硫源，替代污水處理廠異養脫氮過程使用的碳源，從而使上游企業和下游污水處理廠形成良好的互補協同效應，將上游廢棄物當成資源用于污水處理過程，達到“以廢治廢”的效果。

1.2.3 人工智能應用于污水處理運維決策系統

以全廠處理工藝段為對象，部署包含智能生化系統、智能厭氧安全決策控制系統、智能臭氧投加系統等在內的智能化控制模塊，通過傳統污水處理工藝與AI 的智慧化和數字化協同，能夠更加科學智慧地進行運維決策，實現全廠全流程的精細化管理，完成污水處理廠的數智化轉型升級，最終實現污水處理廠減污降碳。

2 成果轉化及環境和經濟效益

嘉興港區污水處理有限公司通過新建30 000m3/d“硫代碳”工藝處理線，通過上下游協同“以廢治廢”的手段，實現年減排COD547t、TN121t。通過“硫代碳”高效低碳脫氮減少上游企業利用濕式氧化等常規工藝設備投資成本約1700 萬元，同時為上游企業節約電耗、藥劑消耗等運行費用300 萬元/年，由于無須上游企業建設污水處理設施，整體占地面積減少660m2，用地成本減少約50 萬元。

此外，通過厭氧生物技術和沼氣發電技術，每年在削減7300tCOD 的同時可產生591 萬元的經濟效益。

在碳減排方面，由于新建厭氧沼氣發電工藝，沼氣發電產生的電能直接供應廠界內的水處理設施用電，因此無須外購電力，實現間接碳減排，碳排放每年可減少4693t。通過人工智能技術實現全廠全流程的節能降耗，在減少運營成本200 萬元/年的同時，每年降低間接碳排放1000t。而通過“硫代碳”高效低碳脫氮技術直接接納高硫堿液，無額外碳源投加，對標常規投加碳源脫氮的方式，自養反硝化年碳減排量為188t，同時可直接消納含硫堿液，為上游企業節省污水處理設施建設，這部分間接減少碳排放5431t，真正實現了減污降碳協同增效的目的，符合生態環境保護和資源綜合利用的要求，可為同類型污水處理工段“硫代碳”工藝提供一定的借鑒。

3 總結

各污水處理廠挖掘自身特點與價值，結合技術發展趨勢是實現污水處理廠綠色低碳轉型的關鍵所在。嘉興港區污水處理有限公司通過上下游協同與技術協同，走出了一條契合自身的高效、低碳、低成本的減污降碳新路徑。