醫院污水站運行階段能耗碳排放分析及節能減排研究

何媛媛　袁崗　傅宏佳

摘要：研究發現城市污水處理過程中會產生大量碳排，醫院污水處理作為城市污水處理系統的一部分產生的碳排常被人忽視。而運行過程中產生的碳排放，主要是由設備運行電耗造成的。以西南地區某醫院污水處理站為研究案例，經核算該污水站實際運行的電耗碳排放量為82.46tCO2，其中污水生化處理單元電耗產生的碳排放最大，占比為51.66%。鼓風機和潛污泵消耗電力產生的碳排量分別占總電耗碳排的48.49%和23.95%。對高耗能的鼓風機和潛污泵進行節能改造后，年減排量約為5.95tCO2。研究為實現“雙碳”目標提供數據支撐，為醫院污水站運行規劃及節能減排路徑提供思路。關鍵詞：醫院污水；間接碳排；能耗碳排；碳減排

中圖分類號：X22 文獻標志碼：A

前言

隨著中國在城市污水基礎設施的建設和運行方面迅速、顯著的發展，然而快速發展也留下了許多環境問題。中國擁有世界上最大污水處理能力的同時，也會顯著增加污水處理廠運行過程中的碳排放。中國污水處理行業的碳排放占了全國碳排放的1%-2%。污水處理廠的運行和維護過程通常需要消耗大量的能源。其他研究也表明，2010年-2019年中國污水廠能耗成本占其運行維護成本的40%-80%。其中污水處理廠運行過程使用提升泵、鼓風機、污泥脫水機等設備，消耗電力相當之大，帶來的間接碳排放通常占到總碳排放量的76%-85%，成為污水處理廠碳排放的主要構成部分。以上表明，污水處理過程的能耗及能耗產生的碳排放問題不容小覷，污水處理運行和維護過程中具有較大的節能減排潛力。其中，作為為醫院專職服務的污水處理站，相較于城市污水處理廠具有以下特點：進水有機物含量高，處理負荷高；進水成分復雜，含消毒劑、特殊藥物等；處理規模往往較小，比能耗較高等特點。因此，醫院污水站在運行過程中勢必會面臨高能耗、高碳排放的問題。文章分析了某醫院污水站在實際運行過程中能耗的碳排放情況，對節能改造后的碳減排效果進行了評估，為污水站運行的節能減排提供了理論與技術支撐。

1 污水站基本情況

此案例污水站為四川省成都市某醫院（床位1500張）設計水量為1500m3/d的小型污水站，此醫院單位病床日均產生污水量相對穩定，日均處理排放量為967m3/d=0.644m3/（張·d），這與其他研究中，中等收入國家醫院患者產生的平均排水量為0.642m3/（張·d）的數據接近，其中高收入國家和低收入國家醫院的平均流量為0.791和0.269m3/（張·d）。

污水站主要處理設施包括格柵、調節池、應急池、生化反應池、二級沉淀池、污泥池、消毒池、污泥脫水裝置等，具體醫院污水處理站工藝流程見圖1。

地面輔助設備用房包括泵房、污泥脫水間、加藥機房、控制室、值班室等。污水站生化處理工藝采用生物接觸氧化法，COD進／出水運行水質指標及去除率，如圖2所示。COD出水水質指標達到《醫療機構水污染物排放標準》（GB 18466-2005）中COD≤250mg／L的預處理排放標準。

2 污水站能耗碳排放分析

污水站的總碳排放包括污水處理過程有機物分解釋放溫室氣體所產生的直接碳排，和污水處理過程中所消耗的能量和物質產生的間接碳排。其中醫院污水站產生的碳排放主要都是由于電力的消耗，也就是指運行過程中使用提升泵、鼓風機、污泥脫水機、廢氣處理裝置等設備的消耗電能所產生的碳排放。

此次碳核算統計范圍為運營期間的污水站所用電耗產生的碳排放量，電耗的統計范圍：（1）污水預處理單元，構筑物包括格柵、調節池、應急池，機電設備包括格柵機、潛污泵等。（2）生物反應單元，構筑物包括兩組生物接觸氧化池，機電設備包括羅茨鼓風機等。（3）污泥處理單元，構筑物包括二沉池、污泥濃縮池，設備包括排泥泵、壓濾機、板壓脫水裝置等。（4）深度處理單元，包括出水的加藥消毒和廢氣的處理排放，構筑物有接觸消毒池，設備包括加藥機、廢氣排風機、廢氣消毒處理裝置等。（5）其他單元，包括照明系統、監測報警系統、辦公室綜合用電等。

根據《2006年IPCC國家溫室氣體清單指南》中電耗碳排的計算方法：E電耗=EH×EF電力。E電耗代表污水站設備運行電力消耗產生的CO2的量，單位為kgCO2/a；EH代表各運行設備耗電量，單位為kW·h；EF電力代表電力CO2排放因子，取0.5257kgCO2/kW·h?，F根據污水站運行主要設備表計算出各設備電耗的碳排放情況，具體見表1。

通過對2022年下半年至2023年上半年運行數據計算分析，此醫院污水站一年運行期間污水站共計排放污水359791m3，消耗電量156862kW·h，平均噸水電耗為0.44kW·h/m3。相關研究表明，安徽某城市污水廠平均噸水電耗為0.34kW·h/m3，湖北某污水廠平均噸水電耗為0.31kW·h/m3，南京某城市污水廠平均噸水電耗為0.27kW·h/m3，中國污水處理廠的平均噸水電耗為0.33kW·h/m3相較之下，此醫院污水站平均噸水電耗遠高于城市污水處理廠電耗水平，因此分析理清污水處理運行過程電耗構成情況，提供針對性有效降耗措施，對于降低污水站平均噸水電耗、減少污水站碳排放至關重要。

通過對該污水站運行過程的電耗情況進行調查，分析表明該污水站主要設備日耗電量占總電耗碳排比例及各處理單元電耗碳排比例，見圖3。

此案例醫院污水站運行設備電力消耗所產生的年碳排放總量為82.46tCO2/a。由圖3可知，此污水站各處理單元電耗碳排分布如下：預處理單元碳排放量為23.2tCO2，占比28.13%。生化處理單元碳排放量為42.6tCO2，占比最大達51.66%，與全國污水廠生物反應池55%-60%的平均電耗占比接近7。污泥處理單元碳排放量為2.71tCO2，占比3.28%，與其他案例中污泥電耗占污水廠總電耗4.74%的結果相近8j。深度處理單元碳排放量為10.45tCO2，占比12.68%，其他碳排放量為3.51tCO2，占比4.25%。通過比較國外數十個污水廠運行案例發現，通常大型污水廠的曝氣能耗對總碳排放9量的貢獻約為40c7e-60%，而小型污水處理廠的曝氣能耗對總碳排放量的貢獻高達60%-70%，此案例曝氣碳排占比為48.49%與此結果接近。

在此案例中污水站運行過程中因耗電產生碳排最高的設備為生化處理單元的曝氣風機，占比48.49%。其次是預處理單元的潛污泵，占總電耗碳排的23.95%，污水泵運行產生的電耗與全國污水處理廠的水泵電耗比例的平均值23%的結果接近。

此案例醫院污水站噸水電耗大于城市污水廠的噸水電耗的原因。一是因為通常噸水電耗與處理規模相關，處理規模越小噸水電耗越大，而此案例污水站日處理量遠小于一般城市污水廠處理規模，說明通常醫院的小型污水站噸水運行成本高于城市污水廠運行成本。二是因為此案例污水站為了環境美觀，將主要構筑物和設備設施都設置在地面以下，而地埋式污水站相比于傳統地上式城市污水廠，雖然在占地面積上更省，但由于增加了土方挖方量及配套設施在建設成本方面增加。而且在運行方面由于需要配備相應的除臭通風設備以及水泵提升設備，因此運行成本遠高于傳統地上式污水廠。相較于城市污水廠，醫院污水站增加的廢氣收集、消毒處理等裝置的碳排占總電耗碳排的11.8%，同樣也是醫院污水站噸水能耗碳排高于城市污水廠噸水能耗碳排放的主要原因。

3 污水站節能減排潛力分析

在中國2030年實現“碳達峰”的目標背景下，案例醫院污水站現有設備由于原本設計的局限性，造成了每年高能耗運行的情況。對污水站運行高耗能原因進行分析發現，曝氣設備和水泵設備所產生的電耗是污水廠主要的能耗消耗決定因素，因此對本醫院污水處理站中潛污泵、鼓風機等高能耗設備進行針對性節能改造將是污水處理站未來降耗減排的關鍵點。

研究表明只有當單臺泵進水量為設計流量的92%-94%時，水泵才處于高效運行狀態。而污水站在運行過程中大部分時間進水量小于設計流量，污水站調節池共設有潛污泵4臺，長期沒有處于高效運行狀態。因此今年5月開始對調節池的潛污泵進行節能改造，采用PLC與進水量（通過液位監測）聯動實現水泵的變頻器的自動控制功能，使水泵的運行工況隨著不同水位而調節，使其始終都在高效段運行。據監測發現，改造前調節池潛污泵每月每臺平均耗電量為1080kW·h，采用PCL系統對提升泵進行進水精準控制后，改造后水泵每月實際耗電量為940kW·h，改造后變頻泵每月節約平均耗電量為140kW·h，約減少73.6kgCO2的碳排放量。

如果污水站長期以高溶解氧狀態運行，這樣不僅影響污泥活性使其不易成團，而且會造成羅茨風機能耗的浪費。現在在保證COD去除率的基礎上，增加鼓風機運行的變頻調節以達到節能減排的目的。此案例所用鼓風機為2組功率分別為7.5kW和11kW的羅茨風機，每組一用一備交替使用，按滿負荷計算，改造前鼓風機每月耗電量約為6752kW·h。改造后5月、6月運行時鼓風機每月實際耗電量約為6003kW·h，則每月節省平均749kW·h的電量，約減少394kgCO2的碳排放量。

綜合分析可知，改造前的去年同時間段2022年5、6月污水站噸水電耗均為0.36kW·h/m3，改造后2023年5月噸水電耗為0.33kW·h/m3，與去年同月相比噸水電耗減少了8.3%。6月噸水電耗為0.34kW·h/m3，與去年同月相比噸水電耗減少了5.5%。

日后將逐步完成對整個污水站的節能升級改造，包括調節池的所有潛污泵和生化反應池的2組鼓風機，預計改造完成后因設備電耗產生的年碳排放量將減少約5.95tCO2，碳減排量占年碳排放量7.2%。同時未來污水站運行計劃建立智能化的控制系統，以進水水量、水質等運行數據為基礎，通過后臺模擬將污水站設備調節為適當的運行模式，同時繼續挖掘未來在污泥處理、廢氣處理等其他方面的節能減排途徑。

4 結論

文章對案例醫院污水站運行過程中的各類運行設備進行了碳排放核算，分析了污水站電耗的碳排放情況，以及評估了主要耗能設備改造后的節能效果。該污水站實際電耗碳排放量為82.46tCO2，其中污水生化處理單元的碳排放占比最大，達51.66%。鼓風機和潛污泵碳排放分別占總電耗碳排的48.49%和23.95%。針對高耗能的鼓風機和潛污泵進行節能改造后，年減排量約為5.95tCO2，碳減排量占年碳排放量7.2%。針對醫院污水站運行高碳排部分進行節能分析，對高耗能設備進行節能改造，以出水水質穩定達標為前提，建議發展自動化、智能化、標準化污水處理運管控制技術，提高污水運行節能減排效果，從而實現“碳中和”的污水運營。