更嚴格排放標準下的市政污水處理廠工程設計與碳排放分析

污水處理行業(yè)碳排放量占全社會總排放量的1%～2%,污水處理減少碳排放量有助于我國“雙碳”目標的實現(xiàn)。污水處理碳排放主要來源于污水處理過程產(chǎn)生的溫室氣體直接排放,以及電能消耗和藥劑消耗產(chǎn)生的間接排放。目前,我國已開展污水處理廠碳排放情況初步分析，城鎮(zhèn)污水處理行業(yè)溫室氣體排放的核算及減排已成為節(jié)能減排領(lǐng)域關(guān)注的重點之一,進行污水處理廠污染物去除過程碳排放分析,在此基礎上提出針對性減排措施對污水處理廠碳減排目標實現(xiàn)更具應用價值。

本文以寧波某新建污水處理廠為研究對象,對“類Ⅳ類”(除TN外,其余主要污水排放指標均達到地表水Ⅳ類標準)排放標準下污水處理廠設計進行介紹,并進行污水處理廠污染物去除過程碳排放核算,提出溫室氣體減排方案,為本工程和同類工程提供參考。

01 項目背景

唐山市中心城區(qū)規(guī)劃污水量約為80萬m3/d,根據(jù)市政府的規(guī)劃要求,對再生寧波某地現(xiàn)狀污水處理廠已滿負荷運行,隨著區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展,污水排放量日益增加,根據(jù)用地性質(zhì)規(guī)劃,原污水廠用地不能滿足新建污水處理廠用地需求,需在異地新建污水處理廠,滿足片區(qū)市政污水處理需要。市政污水中工業(yè)廢水占比約為25%,工業(yè)廢水以印染園區(qū)廢水為主。新建污水處理廠近期設計規(guī)模為10萬m3/d,尾水排放管及廠前區(qū)按遠期規(guī)模(45萬m3/d)一次建成。此外,新建污水處理廠接收150 m3/d老城區(qū)化糞池糞便污水。出水水質(zhì)達到“類Ⅳ類”水排放標準。新建污水廠污泥處理包括本廠污水處理產(chǎn)生的污泥及運至新建廠15 t Ds/d(脫水至含水率為80%)的市政污泥,污泥處理總規(guī)模為42 t Ds/d,污泥處理至含水率≤40%后外運處置。新建污水處理廠協(xié)同處理本廠污水、污泥及接收的糞便污水、污泥。

02 處理目標及工藝流程

污水廠進水含工業(yè)廢水,不宜按照生活污水水質(zhì)的預測方法進行分析,工程采用類比法對同一排水系統(tǒng)內(nèi)現(xiàn)狀污水廠進水水質(zhì)進行分析預測,并考慮糞便處理、污泥處理水質(zhì)影響,綜合確定設計進水水質(zhì)。污水處理廠出水水質(zhì)pH、化學需氧量(COD)、5日生化需氧量(BOD5)、氨氮、總磷(TP)、石油類、陰離子表面活性劑達到地表水Ⅳ類要求,TN小于10 mg/L、懸浮物(SS)小于5 mg/L、色度小于15倍,動植物油、糞大腸桿菌群數(shù)達到現(xiàn)行城鎮(zhèn)城鎮(zhèn)污水處理廠一級A排放標準。污泥在廠內(nèi)處理至含水率≤40%后外運處置。新建污水處理廠主要進出水水質(zhì)指標如表1所示。

污水處理廠出水排放標準高且進水含工業(yè)廢水,污水處理難度大,根據(jù)進水水質(zhì)特性在預處理工藝段設置水解酸化池,污水處理主體工藝采用多模式AAO+高效沉淀池+反硝化深床濾池+臭氧接觸池,深度處理區(qū)設置活性炭池,根據(jù)進水水質(zhì)情況與臭氧接觸池聯(lián)用。糞便污水采用固液分離工藝,處理后污水進入進水泵房與市政污水一同處理。新建污水廠產(chǎn)生的污泥經(jīng)過機械預濃縮后進入生物淋濾池處理,外運污泥采用二沉池剩余污泥稀釋后進入生物淋濾池,污泥經(jīng)生物淋濾預處理后進入板框脫水系統(tǒng),板框脫水污泥通過低溫干化工藝使含水率降至40%以下。本工程工藝流程如圖1所示。

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03 污水處理廠工程設計

3.1 預處理區(qū)

污水廠服務范圍內(nèi)存在較高比例的工業(yè)廢水,BOD5與CODCr波動幅度較大,對區(qū)域現(xiàn)狀污水處理廠不同時段的進水水質(zhì)數(shù)據(jù)進行分析,結(jié)果表明,部分時段兩者比例明顯失調(diào)(BOD5/CODCr<0.3),本工程在預處理階段設置2座推流式水解酸化池,改善污水的可生化性。

3.2 二級處理

生反池采用多模式AAO處理工藝,可以根據(jù)進水水量、水質(zhì)特性和環(huán)境條件的變化,實現(xiàn)常規(guī)AAO工藝、改良AAO工藝、倒置AAO工藝等多種模式的切換,有效提高生物處理效率和容積利用率,充分利用進水中碳源,最大限度利用污水自身碳源進行生物脫氮除磷保證出水水質(zhì)穩(wěn)定達標,節(jié)省能耗。

3.3 深度處理

污水廠設計出水要求TP質(zhì)量濃度小于0.3 mg/L,工程設置1座高效沉淀池,分2組,每組處理流量為5萬m3/d,絮凝區(qū)采用機械絮凝和水力絮凝相結(jié)合方式提高絮凝效果,機械絮凝出水后,采用隔板水力絮凝,然后進入斜管沉淀池沉淀。本工程設置1座反硝化深床濾池,對高效沉淀池出水進行進一步處理。

本工程設置一座臭氧接觸池,去除難降解CODCr、降低出水色度,臭氧接觸池停留時間為45 min,臭氧投加質(zhì)量濃度為10 mg/L。臭氧接觸池采用壓力蓋板,頂板設置2套尾氣破壞器裝置。為進一步去除難降解CODCr、降低出水色度,本工程設置1座活性炭池與臭氧接觸池聯(lián)用。

3.4 污泥處理

工程采用“稀釋+生物淋濾池”工藝對運送至本廠含水率為80%的污泥進行預處理,利用新建污水處理廠剩余污泥稀釋現(xiàn)狀脫水至含水率為80%的污泥,稀釋后的污泥通過2臺污泥泵(1用1備)提升進入生物淋濾池。工程采用“機械濃縮+生物淋濾池”工藝對新建污水廠污泥進行預處理,污泥經(jīng)2臺疊螺濃縮機濃縮后進入生物淋濾池。

污泥經(jīng)生物淋濾池處理后,通過柱塞泵提升進入板框脫水機處理,設置5臺高壓板框脫水機,板框脫水后污泥經(jīng)皮帶輸送機,輸送至低溫干化機干化處理,設置2臺低溫干化機,污泥含水率降至40%后外運焚燒處置。

04 污水處理廠污染物去除碳排放分析

污水處理廠采用生物、物理化學等技術(shù)措施削減排入環(huán)境的污染物總量,污染物去除過程同時產(chǎn)生溫室氣體排放。污水處理廠溫室氣體排量主要與甲烷(CH4)回收量、污水處理及污泥處理過程中的CH4排放量、去除TN過程中氧化亞氮(N2O)的排放量、電力消耗量等因素有關(guān)。目前,應用較為廣泛的污水處理碳排放核算研究方法主要有直接實測法、排放因子法、質(zhì)量平衡法、碳足跡法、模型法5類,實測法在國內(nèi)應用不多,現(xiàn)有碳排放計算方法中排放因子法應用廣泛。

本文以《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物去除協(xié)同控制溫室氣體 核算技術(shù)指南(試行)》核算方法為基礎,并考慮污水處理過程藥劑投加產(chǎn)生的溫室氣體排放量,進行污水處理廠污染物去除過程碳排放分析。聯(lián)合國政府間氣候變化專門委員會(IPCC)協(xié)議,由生物代謝產(chǎn)生的CO2不計入溫室氣體排放。本工程未涉及回收CH4,污水處理產(chǎn)生污泥最終焚燒處置產(chǎn)生的CO2為生物代謝產(chǎn)生,溫室氣體排放分析中不進行回收CH4及處理污泥處置產(chǎn)生的溫室氣體排量計算。對污水處理廠污染治理設施運行所產(chǎn)生的污染物去除量和溫室氣體減排量進行核算,本工程污染物去除過程中溫室氣體排放量計算如式(1)～式(5)。

其中:B0——最大CH4產(chǎn)生潛勢,取值為0.25,tCH4/(tCODCr);M——CH4修正因子,本工程取0.165。

其中:E2——去除TN產(chǎn)生的N2O折算為CO2當量的年排放量,tCO2-eq/a;RTN——TN年去除量,t N/a;——單位質(zhì)量的氮能夠轉(zhuǎn)化為N2O的氮量,本工程取值為0.005,tN2O-N/(t N);——N2O/N2分子量之比,44/28;——N2O全球增溫潛勢值,取值為265。

其中:E3——設備運行年耗電力產(chǎn)生的CO2排放當量,tCO2-eq/a;

EH——設備運行年耗電量,經(jīng)核算本工程取值為25 071,MW·h/a;——電力CO2排放因子,本工程取值為0.792 1,tCO2/(MW·h);

——CO2全球增溫潛勢值,取值為1。

其中:E4——藥劑產(chǎn)生的CO2排放當量,t CO2-eq/a;

fc,i——第i種化學藥劑的CO2排放因子,聚合氯化鋁(PAC)為1.62 t CO2/t,聚丙烯酰胺(PAM)為1.50 t CO2/t,次氯酸鈉為0.92 t CO2/t,其他藥劑為1.6 t CO2/t,t CO2/t;

Mc,i——第i種化學藥劑的用量,本工程PAC投加量為10.4 t/d,PAM為0.21 t/d,次氯酸鈉為10 t/d,其他藥劑為0.6 t/d,t/d;

m——藥劑的種類數(shù)量。

由表2可知,本工程污染物去除過程中溫室氣體排放量為42018.5 t CO2-eq/a,其中電力消耗產(chǎn)生溫室氣體排放源最強,占溫室氣體總排量47.3%。本工程需對外運污泥進行脫水干化協(xié)同處理,污泥處理規(guī)模已達到16萬m3/d污水處理廠產(chǎn)生的污泥量,污泥處理電耗占污水處理廠總電耗24.48%。進水中含工業(yè)廢水,需利用臭氧對污水進行深度處理,氧氣分離及臭氧制備設施運行產(chǎn)生電耗占污水處理廠總電耗23.04%。污水處理鼓風曝氣電耗占總電耗16.05%,污水提升電耗占總電耗13.76%。

本工程藥劑消耗產(chǎn)生的溫室氣體排放占比為23.7%,去除CODCr及TN產(chǎn)生的溫室氣體排放占比為29.0%。污染物去除量中TN與CODCr質(zhì)量比約0.08∶1,但去除TN與CODCr產(chǎn)生溫室氣體排量比值約0.23∶1,N2O全球增溫潛勢值約為CH4全球增溫潛勢值的9.46倍,污水廠污染物去除過程中控制CH4產(chǎn)生的同時,也應注重對N2O氣體產(chǎn)生的控制。

工程設計階段采用低碳技術(shù),降低污水處理過程溫室氣體排放。污泥處理電耗占污水廠運行總電耗比重最大,污泥脫水干化工藝采用運行能耗低的板框脫水+低溫干化工藝,污泥干化采用熱泵循環(huán)系統(tǒng),節(jié)省污泥脫水干化過程電耗。此外,污泥調(diào)理采用生物淋濾工藝,減少污泥調(diào)理過程化學藥劑投加,從而降低碳排量。污水深度處理采用臭氧、活性炭聯(lián)用工藝,利用活性炭與臭氧催化氧化反應,促進臭氧產(chǎn)生自由基,更有利于有機物的氧化降解,提高臭氧的氧化效率,節(jié)省臭氧投加量,從而減少臭氧設施運行能耗,降低溫室氣體排放量。預處理區(qū)采用旋流沉砂池,節(jié)省運行能耗,同等條件下相比曝氣沉砂池每年可以減少184.88 t CO2-eq電力消耗導致的溫室氣體排放。此外,污水處理廠設置精確曝氣系統(tǒng),根據(jù)生反池曝氣情況對鼓風機曝氣量進行實時反饋調(diào)控,在滿足污水處理要求的同時,最大限度降低運行能耗,減少溫室氣體排放量。

污水處理溫室氣體排放與污水處理工藝選擇、進水水質(zhì)、出水標準等因素直接相關(guān)。北京通州某再生水廠采用AAO+生物膜反應器(MBR)工藝,出水執(zhí)行北京市地方標準一級限值B標準,單位污水處理溫室氣體排放量約為2.26 kg CO2-eq/t;浙江某污水處理廠采用移動床生物膜反應器(MBBR)對循環(huán)式活性污泥(CAST)工藝進行改造,出水達到“類Ⅳ類”水要求,單位污水處理溫室氣體排放量由改造前1.04 kg CO2-eq/t降至0.79 kg CO2-eq/t。污水處理廠所在地區(qū)環(huán)境溫度,影響運行電耗及藥劑投加量,進而影響污水處理溫室氣體排放量。呼和浩特市兩座污水處理廠分別采用CASS和AAO工藝,單位污水處理溫室氣體排放量分別為1.94 kg CO2-eq/t和1.84 kg CO2-eq/t。本工程單位污水處理溫室氣體排放量為1.15 kg CO2-eq/t,由于本工程進水水質(zhì)中含工業(yè)廢水,且需進行糞便污水及外運15 t Ds/d污泥脫水干化的協(xié)同處理,相對同等處理要求污水處理廠單位污水處理溫室氣體排量較少,具有溫室氣體減排優(yōu)勢。

在“碳中和”“碳達峰”戰(zhàn)略背景下,污水處理廠響應“雙碳”需求,運行過程也需考慮降低溫室氣體排放措施,本工程可利用多模式AAO工藝的靈活性,調(diào)整處理模式應對進水條件變化,充分利用進水中碳源進行脫氮除磷,減少深度處理段藥劑的投加,降低藥劑導致的溫室氣體排放,另一方面可優(yōu)化能源結(jié)構(gòu),如廠區(qū)生物反應池頂及建筑屋頂設置光伏發(fā)電裝置,降低外購電能消耗,設置水源熱泵系統(tǒng),利用尾水廢熱作為廠區(qū)空調(diào)系統(tǒng)熱源,降低電力消耗導致的溫室氣體排放。

05 結(jié)論與建議

寧波某新建污水廠通過工程措施實現(xiàn)外運糞便廢水、外運80%含水率污泥、污水廠服務范圍內(nèi)污水、污水處理過程中產(chǎn)生的污泥協(xié)同處理。工程針對進水水質(zhì)設置水解酸化池提高進水可生化性,生反池采用可根據(jù)進水情況靈活調(diào)整運行模式的多模式AAO工藝,深度處理區(qū)采用“高效沉淀池+深床反硝化濾池+臭氧接觸池(旁路活性炭池)”工藝,尾水經(jīng)次氯酸鈉消毒,主要出水水質(zhì)達到“類Ⅳ類”標準后排放。污泥處理采用“生物淋濾+高壓板框+低溫干化”工藝,出泥含水率≤40%后外運處置。本工程工藝路線和設計參數(shù)可為同類排放標準下新建污水處理廠及現(xiàn)狀污水處理廠提標工程提供參考。

污水處理廠污染物去除過程中溫室氣體排放量為42018.5 t CO2-eq/a,最大溫室氣體排放源為電力消耗產(chǎn)生。污水處理廠采用熱泵循環(huán)系統(tǒng)、臭氧活性炭聯(lián)用等低碳處理工藝,單位污水處理溫室氣體排放量為1.15 kg CO2-eq/t。建議運行中優(yōu)化能耗管理,利用多模式AAO的可調(diào)性靈活應對進水水質(zhì)變化,充分利用進水中碳源進行脫氮除磷,采用光伏發(fā)電、水源熱泵系統(tǒng)等再生能源措施,減少污水處理中的溫室氣體排放。