污水處理行業(yè)碳減排路徑探討

根據(jù)住房與城鄉(xiāng)建設(shè)部發(fā)布的《中國城鎮(zhèn)排水與污水處理狀況公報(bào)：2006-2015》和《2015年城鄉(xiāng)建設(shè)統(tǒng)計(jì)公報(bào)》顯示，從2005年到2014年，城鎮(zhèn)污水處理能力從不到7000萬立方米/日增加到1.7億立方米/日，增幅高達(dá)143%；城鎮(zhèn)污水處理廠數(shù)量從1000座增加到4436座。城鎮(zhèn)生活污水廠正常運(yùn)轉(zhuǎn)是削減生活污水污染的最主要的途徑，生活污水和污泥處理過程含碳、氮污染物的降解轉(zhuǎn)化會伴隨著甲烷、氧化亞氮和二氧化碳等溫室氣體的產(chǎn)生和排放，并且廢水處理設(shè)施需要消耗大量電力和化學(xué)藥劑，不可避免的會產(chǎn)生大量的溫室氣體和消耗大量的能源。傳統(tǒng)污水處理實(shí)際上為“以能消能、污染轉(zhuǎn)嫁”方式，碧水的同時(shí)未必是藍(lán)天。確實(shí)，COD+O2→CO2+H2O的傳統(tǒng)有機(jī)物去除方式是用能量（曝氣）去摧毀能量（有機(jī)物），并且隨著污水廠出水標(biāo)準(zhǔn)日益提高，其所需能源也將大幅提升，結(jié)果，污水處理有可能讓水環(huán)境變干凈，但因耗能導(dǎo)致的CO2等氣體則會貢獻(xiàn)溫室氣體。

據(jù)研究表明2015年全國整個(gè)污水處理行業(yè)（市政污水、農(nóng)村生活污水、工業(yè)污水和畜禽與水產(chǎn)養(yǎng)殖廢水）的碳排放總量為1.97億噸CO2eq，占全國溫室氣體排放總量的1.71%。其中市政污水行業(yè)的碳排放強(qiáng)度穩(wěn)定在0.92kgCO2eq/m3左右，若沿用當(dāng)前的排放強(qiáng)度，我國市政污水行業(yè)將在2030年排放8316萬噸CO2eq溫室氣體，整個(gè)污水行業(yè)將產(chǎn)生碳排放3.65億噸CO2eq，占全國總排放量的2.95%。所以污水處理系統(tǒng)產(chǎn)生碳排放的量是巨大的，是我國碳排放的重要一環(huán)，為實(shí)現(xiàn)我國的“雙碳”目標(biāo)，污水處理廠的碳減排工作意義重大。

一、污水處理廠典型工藝

污水處理廠典型工藝為污水通過污水管網(wǎng)收集，然后泵送至污水處理廠進(jìn)行處理。污水進(jìn)入污水處理廠后先經(jīng)過一級處理，去除污水中所含的固體和懸浮物；然后，經(jīng)過生物處理去除大部分有機(jī)物和氮磷，并產(chǎn)生剩余污泥；為了達(dá)到嚴(yán)格的出水標(biāo)準(zhǔn)，常常采用三級處理以進(jìn)一步去除氮磷。符合出水標(biāo)準(zhǔn)的出水將被排放到自然水體中，產(chǎn)生的污泥經(jīng)濃縮、調(diào)質(zhì)、脫水后，進(jìn)行無害化處置。

其中污水處理的主體生物處理工藝中除了傳統(tǒng)的活性污泥法（CAS），還包括厭氧－好氧工藝（AO）、厭氧－缺氧－好氧活性污泥法（AAO）、氧化溝工藝、序批式活性污泥法（SBR）、膜生物反應(yīng)器（MBR）、曝氣生物濾池（BAF）、生物膜法等。實(shí)踐發(fā)現(xiàn)不同工藝的耦合可以得到更高質(zhì)量的出水，比如AAO與生物膜法的耦合，AO與MBR的耦合，氧化溝工藝與BAF的耦合等等。

圖2 污水處理典型工藝流程（摘自論文）

污水處理過程會產(chǎn)生大量剩余污泥，一般污水廠將剩余污泥脫水后委外處理，常見污泥處理步驟為：重力沉淀，加入氯化鐵、石灰或有機(jī)髙分子絮凝劑促進(jìn)固液分離，最后使用帶式壓濾、板框壓濾或離心脫水等技術(shù)進(jìn)行脫水。脫水后的污泥進(jìn)行無害化處置，國內(nèi)外常用的污泥處置方法有衛(wèi)生填埋、焚燒、建筑材料利用等。

二、污水處理廠碳排放現(xiàn)狀

污水處理系統(tǒng)中碳排放是一個(gè)多部門多流程的復(fù)雜過程，污水廠的碳排放分為直接排放和間接排放。直接排放是指污水生物處理過程有機(jī)物轉(zhuǎn)化為CO2的排放，脫氮過程中N2O的排放，污泥處理過程中CH4的排放；間接排放主要來自污水處理系統(tǒng)中電耗，比如能耗較高的處理單元有污水提升設(shè)備單元，曝氣系統(tǒng)單元，物質(zhì)流循環(huán)單元，污泥處理單元及其他環(huán)節(jié)的機(jī)械設(shè)備，具體排放情況見下表。

以某城鎮(zhèn)污水廠為例，直接排放碳排放占總排放的70%以上，間接排放占30%，其中甲烷的碳排放量折算后達(dá)到82%以上，所以通過甲烷等沼氣產(chǎn)能的回收可大幅降低碳排放的總量。

三、污水處理廠碳減排路徑展望

從碳排放尺度而言，污水處理過程是一個(gè)高耗能行業(yè)，未來污水處理行業(yè)的碳減排首先應(yīng)該從全局入手，在規(guī)劃理念、工藝選擇、運(yùn)行管理的方案比選中引入“碳尺”概念，污水收集、輸送、處理、處置全方位采用低碳技術(shù)，削減“碳源”，增加“碳匯”。所以未來污水廠“碳中和”目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)可以從兩個(gè)方面進(jìn)行，一是“開源”，即挖掘污水中潛在能量，例如從生化處理過程、污泥處理過程進(jìn)行能量回收利用，探索能源自給模式可行性，從而降低能源損耗；二是“節(jié)流”，即通過技術(shù)革新、智能裝備、工藝優(yōu)化等方式降低電耗，從而降低碳排放。

國外工程實(shí)例

芬蘭Kakola污水處理廠處理規(guī)模為10×104m3/d，為了實(shí)現(xiàn)低碳排放，Kakola熱泵廠毗鄰Kakola污水處理廠建設(shè)，利用出水余熱，為圖爾庫地區(qū)的公共建筑和家庭供熱/供冷。

圖3 芬蘭Kakola污水處理廠

波蘭一污水廠采用熱電聯(lián)產(chǎn)方式，實(shí)現(xiàn)發(fā)電1.02MWe、7700MWh/a、產(chǎn)熱1.05MWt、28647GJ/a。利用生物質(zhì)能源替代化石能源，是碳減排同時(shí)減少大氣污染的重要途徑之一。

圖4 波蘭Poznan(波茲南)

日本巖手縣以都南污水處理廠(處理能力195600m3/d)能源自給為目的，優(yōu)化設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)方式，降低電耗。具體措施為水泵避免轉(zhuǎn)速過低和頻繁啟停，風(fēng)機(jī)根據(jù)處理負(fù)荷選擇最合適風(fēng)量和最佳機(jī)型，攪拌器厭氧池和污泥儲槽中的攪拌器間歇運(yùn)行。以2015年為基準(zhǔn)，2019年(試驗(yàn)后)電耗減少3.3%。

圖5 都南污水處理廠

國內(nèi)案例——污水處理概念廠

在深入研究了解國外先進(jìn)污水處理廠理念、工藝、技術(shù)和工程實(shí)踐的同時(shí)，中國學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界也在積極探索新的污水處理模式。2014年，中國工程院院士曲久輝等6位專家提出“建設(shè)面向未來的中國污水處理概念廠”的構(gòu)想。污水處理概念廠將實(shí)現(xiàn)以下需求：

1出水水質(zhì)滿足水環(huán)境變化和水資源可持續(xù)循環(huán)利用；

2大幅提高污水處理廠能源自給率，在有適度外源有機(jī)廢物協(xié)同處理的情況下，做到零能耗；

3追求物質(zhì)合理循環(huán)，減少對外部化學(xué)品的依賴與消耗；

4感官舒適、建筑和諧、環(huán)境互通、社區(qū)友好。

2020年4月，宜興概念廠正式破土動工，于2021年全部建成投運(yùn)。宜興概念廠采用水質(zhì)凈化中心、有機(jī)質(zhì)協(xié)同處理中心和生產(chǎn)型研發(fā)中心“三位一體”生態(tài)綜合體“構(gòu)造肌理”，顛覆了傳統(tǒng)污水廠形態(tài)，將示范污水處理廠從污染物削減基本功能擴(kuò)展至城市能源工廠、水源工廠、肥料工廠等多種應(yīng)用場景。該廠的投運(yùn)，將引領(lǐng)“污水是資源，污水廠是資源工廠”的新環(huán)保理念，將重新詮釋污水廠和城市的關(guān)系，打造出生態(tài)、生活、生產(chǎn)“三生”融合一體、開放共享的新型城市空間。

圖6 宜興概念廠

綜上所述，未來污水處理行業(yè)碳減排應(yīng)該借鑒各類經(jīng)驗(yàn)，采用全生命周期管理理念，從污水廠建設(shè)初期關(guān)注工藝、技術(shù)、裝備、循環(huán)經(jīng)濟(jì)；運(yùn)營過程提高綜合能效、減少物料消耗，實(shí)現(xiàn)低碳運(yùn)行；以碳減排思路建立碳排放監(jiān)管體系，為實(shí)現(xiàn)我國未來污水處理行業(yè)碳中和、碳減排奠定扎實(shí)基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)：

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[4]中國水網(wǎng)：張辰再談城鎮(zhèn)污水系統(tǒng)碳排放研究

[5]微信公眾號江蘇生態(tài)環(huán)境：第一！全國首座城市污水資源概念廠在宜興建成投運(yùn)！