污水處理廠溫室氣體減排研究

摘 要：溫室氣體排放增加導致的全球變暖對人類社會的影響日益明顯，減少溫室氣體排放、控制氣候變化已達成全球共識，但目前我國污水處理廠并未充分重視溫室氣體減排問題。本文首先分析了污水處理廠的溫室氣體來源，然后從污水處理工藝的選擇、污泥處理處置工藝的選擇、污水處理廠的總體設計這三個方面來探討溫室氣體減排策略，為污水處理行業的可持續發展提供一定科學依據。

關鍵詞：污水處理廠；溫室氣體；減排

中圖分類號：X511 文獻標識碼：A

1 污水處理廠的溫室氣體來源

污水處理廠在運行過程中會直接或間接排放溫室氣體。污水收集輸送、污水處理、污泥處理處置過程以及處理水中殘留物降解過程中都會存在溫室氣體的直接排放；污水污泥收集處理過程中消耗的電能、熱能和藥劑造成溫室氣體的間接排放。另外，如果回收利用污水污泥處理處置產生的沼氣，直接排放可以得到部分抵消。污水處理廠排放的溫室氣體主要有CO2、CH4和N2O。其中直接排放的CO2是生物成因，不會導致大氣中CO2含量的凈增長，所以不應計入溫室氣體排放總量。因此本文認為污水處理廠的溫室氣體主要是污水污泥收集輸送、處理處置過程中直接排放的CH4、N2O及能源消耗所帶來的CO2的間接排放。

2 污水處理廠溫室氣體減排策略

2.1 污水處理工藝的選擇

不同地方的環境條件、經濟水平和居民生活習慣不同，污水水質水量、處理要求也會差異較大，因此在選擇污水處理工藝時必須遵循的原則就是因地制宜。在經濟落后的地區，可以先采用強化一級污水處理工藝待條件相對成熟后再過渡到二級處理；土地資源豐富時可選擇利用當地的自然地形，如塘溝、洼地等作為污水處理的場地，優先考慮采用人工濕地、穩定塘等生態處理工藝。

厭氧工藝不需供氧因而消耗的能量少，并可將進水有機物轉化為CH4，若回收利用這一能源既能降

低CH4排放量，還可減少化石化石燃料的消耗。當進水BODu濃度大于300 mg/L時（見圖1），厭氧生物處理工藝排放的溫室氣體更少，并且減排效果隨著進水BODu濃度的增大而越發顯著。另外，一般厭氧工藝產生的污泥量較少，使其經濟性和環保性更好。因此，條件適宜時選用厭氧工藝有利于減少溫室氣體的排放量。

下面以某污水處理廠為例分析污水處理工藝確定的過程。該污水廠進水為生活污水和工業廢水的混合污水，其中工業廢水所占比例較大。進水幾乎不含有重金屬和有毒有害物質，但生化可行性較差，氮磷濃度較大，所要求的污水處理程度較高，水量水質不夠穩定，與大城市相比水量較小。從處理效果來看，A2/O、SBR、氧化溝三個系列工藝均可滿足要求，但每種工藝均具有一定的優點和局限性。進行工藝選擇時，應充分考慮技術的可靠性、先進性，同時要與工程項目污水廠進出水水質及當地自然、經濟條件等方面相適應。根據該規劃污水處理廠進水水質特點和出水水質要求，選擇具有脫氮除磷功能，且經濟、高效、節能、環保、科學的工藝。

氧化溝多為分建式，回流量大，且通常采用機械曝氣，電耗較大；還會因動態沉淀影響出水水質。而A2/O工藝和SBR系列中的CASS工藝的脫氮除磷效果都比較穩定，其次，A2/O工藝成熟可靠、脫氮除磷效果更好、運行成本較低，不易發生污泥膨脹；CASS工藝具有處理流程簡單、節省投資及占地、抗沖擊負荷能力強、運行穩定、技術先進且成熟等特點。因此，根據本項目的特點，暫排除氧化溝法，而將A2/O工藝和CASS工藝作為備選方案再進行比較（見表1）。

兩工藝方案技術成熟可靠，對水質水量有較強的適應性，不易發生污泥膨脹，都能保證出水水質穩定且能達到設計要求。A2/O工藝方案構筑物數量多，占地多，投資大；CASS工藝流程簡單，無二沉池及污泥回流泵房，布置緊湊，節省投資、占地及能耗，更適應當地的自然條件。CASS方案自動化控制要求較高，需提高污水廠員工的素質，這與社會人類的發展方向相適應。CASS工藝一般產生的污泥較少，更凸顯其在經濟上和溫室氣體減排方面的優越性。

綜上所述，并充分考慮到 CASS 工藝的先進性、成熟性，且占地少、投資省、易實現設備的集成化和自動化，因而更適應當地自然條件和未來的發展，推薦采用水解酸化+CASS法作為本工程的處理工藝。在該工藝的設計中，可通過選取最佳工藝運行參數、采用節能技術與設備，最大限度地降低工程造價、運行費用及溫室氣體排放量，實現污水廠工藝方案的整體優化。

2.2 污泥處理處置工藝的選擇

不同污泥處理處置工藝的溫室氣體排放量和減排程度比較見表2。由表2可以看出，在各種污泥處理處置工藝中填埋的溫室氣體排放量最大；污泥厭氧消化+沼氣發電的減排程度最高，其次是污泥余熱干化+焚燒、余熱干化后混燒、好氧堆肥等。

在確定污泥處理處置工藝時，應綜合考慮安全、經濟、高效、環保等因素。污泥量較大時，建議選擇厭氧消化+沼氣發電的方式，其溫室氣體排放量較少，所產沼氣純度高、穩定，便于回收利用，且污泥經消化后脫水性能好。例如巴姆堡污水廠（9萬m3/d污水）將污泥厭氧消化產生的沼氣凈化處理后用于發電發熱，2011年電力熱力已完全實現自給。如果厭氧消化設施的建設受到限制時，污泥經余熱干化后可在當地的工業窯爐混燒或焚燒發電，這既可以降低投資和運行費用又可節省化石燃料而減少溫室氣體的排放。污泥量很少時，濕污泥可不經干化而直接混燒。經濟相對落后的地區，適宜采用好氧堆肥的方式，污泥經堆肥后可代替化肥并增加碳匯，抵消污泥處理過程中的大部分的溫室氣體排放量。若受條件限制只能選擇填埋時，可將污泥與生活垃圾混合經好氧預處理后再填埋，改善填埋作業條件，減少填埋過程中的溫室氣體排放。

為減少溫室氣體排放還改善現有工藝。當污泥消化設施容積有剩余時，可通過投加過期食品、廢油脂、廚房垃圾、屠宰場廢棄物等增加產沼原料，從而增加沼氣產量。例如德國的阿倫斯堡污水處理廠投加了大約3%體積的廢油脂等，電力自給率由30%提高到100%。污泥厭氧消化過程中的水解階段比較緩慢，若通過堿處理、熱處理、超聲波、射線、臭氧氧化等方法進行預處理，污泥中的顆粒成分被破壞，釋放出厭氧微生物所需的有機質，從而提高水解效率，增加沼氣產量。

2.3 優化污水廠的總體設計及管理體系

污水處理廠的平面布置時應結合污水廠中各構筑物的功能和特征進行。為便于管理、減少溫室氣體排放、節約占地、減少連接管渠的長度，布置要緊湊，生產關系密切的應互相靠近，甚至組合在一起。連接各構筑物的管渠要簡短，避免不必要的拐彎和立體交叉。立面布置時，要充分利用地形，減少挖填方量，盡量做到重力自流。若實現不了重力自流時應盡量實現污水污泥的一次提升，避免多次提升。合理確定各構筑物的標高、進出水口形式、管渠的尺寸及構筑物和管渠之間的連接方式等，盡量減少水頭損失。

目前我國污水處理廠大多采用政府建設、政府運營的管理模式，這樣浪費了很多資源，運行效率也不是很高，對此，可以實行污水處理廠建設與運營的市場化和產業化。國家和污水處理行業應制定相應規范指導溫室氣體排放評價的進行，建立減排管理評價體系，以檢驗低碳運行成果，并采取相關經濟措施鼓勵低碳運行。行業協會或環保部門等非盈利組織可實時監控全國污水處理系統的運行狀況并進行匯總分析，提出相應各處理環節的溫室氣體排放平均值和優化指導值，方便運行管理人員參考。此外，也可在條件允許的地區開展示范項目，向社會公開其運行結果，以便于其他污水處理系統進行各方面運行狀態的比較，由此了解溫室氣體減排潛力和方向進而開展相應減排工作。

3 結論與建議

為響應低碳城市的號召，在規劃、建設和運行污水處理廠時必須要考慮溫室氣體減排問題。本文從污水處理工藝的選擇、污泥處理處置工藝的選擇、污水處理廠的總體設計這三個方面來探討了溫室氣體減排策略，認為污水處理廠需要綜合考慮當地的自然環境、經濟狀況、環境標準、居民生活習慣、污水水質水量、處理要求及各種污水處理工藝類型及運行條件等因素，確立合理可行的減排策略。

由于污水處理廠系統復雜，涉及環節較多，不同處理單元、處理工藝的參數和指標各異，而污水處理廠的溫室氣體排放研究在我國相對較少，很多資料的獲取存在困難。因此，為減少溫室氣體排放，必須要加強在這方面檢測和研究。

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（本文審稿 戴定蘭）