污水處理廠污水污泥處理碳減排設(shè)計(jì)策略研究

摘 要：在全球溫室氣體排放問(wèn)題日益凸顯的背景下， 各國(guó)紛紛加大碳減排的力度， 而污水處理廠作為一個(gè)潛在的高碳排放源，其碳減排策略的研究變得尤為迫切。 本文著眼于能源回收、 提高處理效能以及開發(fā)可持續(xù)新工藝三個(gè)關(guān)鍵方面， 深入研究污水處理和污泥處理的節(jié)能減排路徑， 致力于實(shí)現(xiàn)碳中和運(yùn)行的目標(biāo)。

關(guān)鍵詞：污水處理廠；污水污泥處理；碳減排文章編號(hào)：2095-4085（2024）09-0070-03

0 引言

隨著城市化進(jìn)程的加速和人口增長(zhǎng)，污水處理廠面臨著日益嚴(yán)重的污水和污泥處理問(wèn)題。國(guó)外對(duì)于污水污泥處置碳排放的研究主要聚焦于尋求高效的污泥管理技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)能源和材料的有效回收，從而降低污泥處置的碳足跡。在國(guó)內(nèi)，隨著我國(guó)致力于在2030年前實(shí)現(xiàn)二氧化碳排放峰值，并在2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和的承諾，污水處理廠的污水污泥處理在碳減排領(lǐng)域日益引起廣泛關(guān)注［1］。為實(shí)現(xiàn)雙碳目標(biāo)并更進(jìn)一步減緩全球變暖，迫切需要準(zhǔn)確量化和分析污水處理系統(tǒng)的碳排放水平。

1 能源回收技術(shù)

1.1 污水處理能源回收

污水處理過(guò)程會(huì)產(chǎn)生大量甲烷和一氧化二氮，是重要的直接碳排放源。城市污水屬于優(yōu)秀的可再利用熱源，可作為熱泵的低品位熱源。通過(guò)污水源熱泵系統(tǒng)獲取原生污水及二級(jí)出水中的熱能，一部分用于污水處理廠內(nèi)部建筑及構(gòu)筑物的供熱，另一部分可通過(guò)熱力站將熱能用于廠內(nèi)供熱場(chǎng)所［2］。污水源熱泵的合理應(yīng)用將帶來(lái)可觀的CO2排放消減量（見(jiàn)圖1）。

1.2 污水能源回收

污水能源回收的實(shí)施通常包括以下關(guān)鍵步驟。

（1）前處理。先對(duì)污水中的固體顆粒、油脂等雜質(zhì)進(jìn)行物理和化學(xué)處理，可確保后續(xù)處理過(guò)程能夠高效進(jìn)行。

（2）生物處理。通過(guò)采用厭氧消化和好氧生物處理等生物技術(shù)，將污水中的有機(jī)物質(zhì)降解為簡(jiǎn)單的化合物，其中厭氧消化產(chǎn)生甲烷氣體，好氧生物處理產(chǎn)生二氧化碳和水［3］。

（3）能源回收。從生物處理中產(chǎn)生的甲烷氣體和釋放的熱能中提取能源，用于供熱、發(fā)電或其他能源需求。甲烷可作為可燃?xì)怏w替代天然氣。

（4）剩余污泥處理。通過(guò)生物氣化、焚燒等方式將生物處理過(guò)程中產(chǎn)生的剩余污泥轉(zhuǎn)化為更多的能源，以實(shí)現(xiàn)對(duì)污泥的資源化利用。

1.2.1 前端篩分COD技術(shù)

該技術(shù)的主要目的是在污水處理的初期階段有效地去除污水中的COD，從而減少后續(xù)生物處理過(guò)程中的有機(jī)物負(fù)荷，提高處理效率。通過(guò)物理和化學(xué)手段，前端篩分技術(shù)能夠?qū)⑽鬯械墓腆w顆粒、油脂等雜質(zhì)剔除，從而為后續(xù)的生物處理和能源回收創(chuàng)造良好的條件。這一技術(shù)的應(yīng)用不僅有助于提高污水處理系統(tǒng)的整體性能，還為后續(xù)階段的污泥處理和能源提取提供了更為優(yōu)越的處理基礎(chǔ)［4］。工藝流程（見(jiàn)圖2）。

1.2.2 污泥高溫厭氧消化技術(shù)

通過(guò)在高溫環(huán)境下進(jìn)行厭氧消化，使污泥中的有機(jī)物質(zhì)更為充分地分解產(chǎn)生甲烷氣體，這一過(guò)程既能減少剩余污泥的體積，又能夠回收污泥中的有機(jī)能源。該技術(shù)不僅在提高能源利用效率方面具有顯著優(yōu)勢(shì)，還實(shí)現(xiàn)了污泥的無(wú)害化、減量化，并產(chǎn)生可用于能源回收的沼氣［5］。下圖展示了采用污泥高溫厭氧消化技術(shù)的污水處理廠發(fā)電系統(tǒng)（見(jiàn)圖3）。

1.2.3 污泥厭氧共消化技術(shù)

污泥厭氧共消化技術(shù)是在傳統(tǒng)污泥厭氧消化的基礎(chǔ)上，引入外部有機(jī)廢物進(jìn)行共同消化的一種創(chuàng)新處理方式。通過(guò)將城市有機(jī)廢物與污水處理廠的污泥進(jìn)行共同消化，可以提高厭氧發(fā)酵過(guò)程中產(chǎn)生的甲烷氣體的產(chǎn)量。這種技術(shù)不僅能夠有效減少城市的有機(jī)廢物排放，還能夠提高能源回收效益。在共同消化的過(guò)程中，城市有機(jī)廢物中的有機(jī)物質(zhì)與污泥中的有機(jī)物相互作用，促使厭氧發(fā)酵反應(yīng)更為充分，從而增加甲烷的生成量。通過(guò)污泥厭氧共消化技術(shù)，不僅實(shí)現(xiàn)了有機(jī)廢物的資源化利用，還提高了能源回收的可持續(xù)性。

2 提高處理效能的措施

2.1 選用高效能設(shè)備

為了降低污水處理過(guò)程中的碳排放，應(yīng)當(dāng)選用高效能的設(shè)備。高效能設(shè)備通常具有更先進(jìn)的技術(shù)和更高的能效，能夠在降低能耗的同時(shí)提高處理效率。例如，可以選擇采用先進(jìn)的生物處理技術(shù)，如MBR（膜生物反應(yīng)器）和MBBR（流動(dòng)床生物反應(yīng)器），這些技術(shù)能夠在相對(duì)較小的空間內(nèi)高效去除污水中的有機(jī)物質(zhì)，減少處理過(guò)程中的能耗和碳排放。在設(shè)備選型過(guò)程中，需綜合考慮其性能、成本和維護(hù)方便性，以實(shí)現(xiàn)在減排的同時(shí)保障處理質(zhì)量。

2.2 加強(qiáng)設(shè)備管理

在設(shè)備管理方面，應(yīng)建立定期巡檢和維護(hù)制度，確保設(shè)備處于良好的工作狀態(tài)。定期的設(shè)備檢查和保養(yǎng)能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)并解決潛在問(wèn)題，防止設(shè)備故障對(duì)處理效能的影響。同時(shí)，通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、能耗情況以及效果參數(shù)，可以迅速發(fā)現(xiàn)異常情況并采取相應(yīng)的措施。這有助于提高對(duì)設(shè)備運(yùn)行的掌控能力，確保在最佳狀態(tài)下運(yùn)行，減少不必要的能耗和排放。

2.3 建立需求響應(yīng)機(jī)制

需求響應(yīng)機(jī)制的建立涉及到運(yùn)營(yíng)管理和技術(shù)創(chuàng)新兩個(gè)方面。在運(yùn)營(yíng)管理方面，可以通過(guò)合理的排班和工藝調(diào)整，使污水處理廠在不同時(shí)間段保持最佳運(yùn)行狀態(tài)。例如，在低負(fù)荷時(shí)采取節(jié)能運(yùn)行模式，而在高峰時(shí)段增加處理能力，以應(yīng)對(duì)突發(fā)的大量污水排放。技術(shù)創(chuàng)新方面，可以引入智能化控制系統(tǒng)和先進(jìn)的處理工藝。通過(guò)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)分析和預(yù)測(cè)，智能化控制系統(tǒng)能夠更精準(zhǔn)地調(diào)整設(shè)備運(yùn)行參數(shù)，提高處理效率。同時(shí)，還可采用更高效的處理工藝，如深度脫氮脫磷工藝，能夠更徹底地去除有害物質(zhì)，減少后續(xù)處理過(guò)程中的碳排放。

3 可持續(xù)新工藝分析

3.1 脫氮工藝

傳統(tǒng)的污水處理廠生物脫氮工藝通常采用先硝化后反硝化的方式，其中A/O（Anaerobic/Anoxic/Oxic）和A2/O（Anaerobic-Anoxic-Oxic）工藝是比較典型的代表。這些工藝通過(guò)在不同的處理階段引入?yún)捬鹾秃醚鯒l件，利用不同的微生物群體完成氮的硝化反應(yīng)和反硝化過(guò)程［6］。然而，這些傳統(tǒng)工藝在基建投資和運(yùn)行費(fèi)用方面存在較高的問(wèn)題，需要大量的設(shè)備和能源支持，因此逐漸出現(xiàn)了一些重點(diǎn)關(guān)注氮素轉(zhuǎn)化途徑優(yōu)化的生物脫氮工藝，如由荷蘭Delft技術(shù)大學(xué)開發(fā)的短程反硝化原理的脫氮工藝（SHARON工藝）和基于厭氧氨氧化的ANNAMOX/DEMON工藝［7］。SHARON工藝通過(guò)短程反硝化原理實(shí)現(xiàn)氮的高效去除，而 ANNAMOX/DEMON 工藝則利用厭氧氨氧化的方式，更為優(yōu)化地完成氮素的轉(zhuǎn)化。現(xiàn)有數(shù)據(jù)表明，以上兩種工藝與傳統(tǒng)的A2/O工藝相比，均能在一定程度上減少能耗和碳源消耗，其中ANNAMOX工藝減少的尤為明顯，可節(jié)約90%的碳源消耗和60%的能耗。

3.2 碳氮兩段法

碳氮兩段法是一種污水處理工藝，能更有效地去除有機(jī)物和氮化合物。該工藝的核心思想是通過(guò)兩個(gè)不同的處理階段，分別處理有機(jī)物和氮。在第一階段，采用生物處理方式去除有機(jī)物，然后在第二階段通過(guò)生物或化學(xué)方式去除氮化合物。這種分段處理的方式能夠更好地適應(yīng)不同水質(zhì)特點(diǎn)，提高處理效率。例如，在第一階段通常采用好氧條件，有機(jī)物被氧化成二氧化碳和水；而在第二階段通常采用厭氧或缺氧條件，進(jìn)行氮的硝化和反硝化［8］。這樣的處理方式在提高處理效能的同時(shí)，減少了對(duì)氮源和有機(jī)物的過(guò)量利用。

3.3 光伏發(fā)電技術(shù)

光伏發(fā)電技術(shù)作為一種直接將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換為電能的可再生能源技術(shù)，在污水處理廠中的應(yīng)用為環(huán)保和可持續(xù)發(fā)展提供了有力支持。在光伏發(fā)電系統(tǒng)中，通過(guò)安裝光伏組件或建設(shè)光伏電站，太陽(yáng)能光伏板將陽(yáng)光轉(zhuǎn)化為直流電能。隨后，逆變器將直流電能轉(zhuǎn)換為交流電能，供電給污水處理設(shè)備。通過(guò)減少對(duì)電網(wǎng)的依賴，污水處理廠可以降低能源采購(gòu)成本。其次，光伏發(fā)電技術(shù)的使用可以減少碳排放，有助于實(shí)現(xiàn)低碳環(huán)保目標(biāo)。這符合社會(huì)對(duì)于環(huán)境友好型污水處理廠的期望，同時(shí)也有助于企業(yè)樹立良好的社會(huì)形象。

4 結(jié)語(yǔ)

盡管資源回收策略在理論上表現(xiàn)出很大的潛力，但在實(shí)踐中仍然面臨著技術(shù)的成本效益、運(yùn)營(yíng)的可行性、廢水處理廠規(guī)模的適應(yīng)性等挑戰(zhàn)。本文在研究?jī)?nèi)容上更加全面，考慮了多個(gè)層面的問(wèn)題。在技術(shù)深度上，對(duì)污水處理能源回收方面提出了多種技術(shù)，如前端篩分COD技術(shù)、污泥高溫厭氧消化技術(shù)等，展現(xiàn)了相對(duì)獨(dú)特的技術(shù)深度。未來(lái)的研究應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注資源回收策略的實(shí)施效果，通過(guò)長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)和評(píng)估，量化其對(duì)環(huán)境、經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的影響。還需要深入研究技術(shù)成本、可行性和社會(huì)接受度等方面的問(wèn)題，以促進(jìn)這些策略的廣泛應(yīng)用。

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