污水處理廠碳中和方向及污水處理技術

謝佳 張春曉 張涵儀 董光瑞

摘 要：污水廠中含有大量的能源物質、營養物質，具有一定的熱能和動能。在傳統的污水處理廠中，污水處理是一個耗能工廠，本文從開源和節流兩個方向，通過光伏發電、物質回收、能量回收、厭氧氨氧化、反硝化吸磷、精確曝氣、精確加藥等調控措施，增加污水處理廠的能量來源，減少能量消耗，從而使污水處理廠變成一個能夠自給自足的工廠，甚至變成一個具有一定產能的工廠，從而達到污水處理廠的碳中和。

關鍵詞：開源;節流;污水處理廠;碳中和

習近平主席在第七十五屆聯合國大會一般性辯論上宣布，中國將提高國家自主貢獻力度，采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力爭與2030年達到峰值，努力爭取2060年前實現碳中和。碳中和是鎖定未來低碳發展路徑，以技術突破帶動新一輪產業和科技革命，推動疫情后京津綠色復蘇，在化解全球氣候危機、營造良好外部環境的同時，實現能源安全、經濟高質量發展和生態高質量保護。從中國當前的現狀來看，能源類、工業類以及交通是碳排放的主要來源。相應而言，污水處理能耗雖然沒有發電、鋼鐵、化工等行業高，但總能耗占比并不小，同樣屬于能耗大戶。本文將從開源和節流兩個方面考慮如何實現污水處理廠綠色低碳發展[1]。

1開源措施

1.1光伏發電

傳統污水處理廠占地面積較大，廠區內地勢大多平坦開闊，大部分區域可以鋪設太陽能光伏發電板，利用太陽能發電。同時在二沉池和高效沉淀池鋪設太陽能發電板不僅可以為污水處理廠提供電能，而且對綠藻的形成具有一定的抑制作用。在廠區內光伏發電自產自用，減少了電能因長距離運輸產生的損耗，提高了能源利用率[2]。

1.2物質回收利用

污水實際上一種資源和能源的載體，污水往往含有大量的有機物，有機物是一種含能物質，同時水中含有大量的植物營養素（N，P，K）。傳統的處理工藝是利用活性污泥法，利用電能，對污水進行曝氣，通過微生物作用把有機物轉化為CO2和H2O，氮通過硝化、反硝化作用，轉化為N2，磷通過厭氧釋磷、好氧吸磷，通過污泥排除。傳統的處理工藝不僅不能回收污水中的物質，并且為了達到理想的處理效果，還需要提供較多的能源（電能）和物質（碳源）。

與其讓有機物被氧化為CO2，以這種以能消能的方式去除，步入盡可能轉化為可再生的能源物質（例如：CH4）加以利用。奧地利的Strass污水處理廠，采用AB工藝，把74.3%的進水COD以剩余污泥的形式進入污泥處理單元，通過厭氧發酵產生CH4，產生的CH4用于熱電聯產。2008年又通過投加廚余垃圾進一步提高產氣量。有效的回收了廢水中的碳源。

磷是一種不可再生、不可替代資源，污水處理廠中磷的回收不僅是磷資源的可持續發展的需要，也是改善環境污染的有效措施。目前以鳥糞石形式回收磷是一種研究較多的方法，通常采用磷酸鈣鹽和鳥糞石沉淀的形式從污水中回收磷。Durham污水處理廠為解決污泥消化上清液、脫水回流液等對主體工藝造成的氨氮和磷的沖擊負荷，以及解決鳥糞石積累對污泥厭氧消化系統、管道等的堵塞問題，同時考慮“變廢為寶”，將磷、氨氮加以回收利用，實現污水、污泥的資源化。通過Pearl ?工藝和WASSTRIPTM工藝的聯合使用，Durham污水處理廠在實際操作過程中能夠將聚磷菌中約三分之一的磷釋放出來用于形成鳥糞石顆粒[3]。

1.3能量回收利用

污水中蘊藏了巨大的熱能和動能，其自身也是一種重要的資源。

污水中蘊藏了相當可觀的熱量，這部分可以通過污水源熱泵技術對其進行收集和傳輸，為廠區或者廠外周邊生活辦公區提供暖氣或者制冷，能夠節約大量的能源。污水源熱泵的合理應用將極大的減少CO2的排放。

污水中同樣蘊含了巨大了動能，可以通過在管道內設置渦輪機利用污水水力進行發電，在獲得電能的同時又可以增加水中的溶解氧。但是這樣方式往往會增加投資成本，具體使用過程中需要具體分析。

污水本身的再生利用也是碳減排的有效措施。污水經過處理可以用于農田及景觀灌溉、景觀用水、沖廁以及補充地表水和地下水。有效的節約了自來水，減少了碳排放。

2節流措施

2.1提質增效

2.1.1厭氧氨氧化

厭氧氨氧化（anaerobic ammonium oxidation，ANAMMOX）是指在缺氧或厭氧條件下，以亞硝酸鹽作為氧化劑將氨氧化為氮氣或者以氨作為電子供體將亞硝酸鹽還原成氮氣的生物反應。是一種新型廢水脫氮處理方法，具有經濟簡便等特點。但因氨氧化微生物對反應底物的濃度比例（理論值：NO2--N：NH4+-N=1：1.32）要求嚴格，為此，前置部分亞硝化工藝穩定生成NO2--N 通常被認為是氨氧化得以發生的前提，即部分亞硝化-厭氧氨氧化（Partial nitrification-anammox，PN/A）。與傳統硝化-反硝化脫氮工藝相比，PN/A 工藝無需外加碳源，能節約57.3%的曝氣量，并減少83.7%的污泥產量，應用前景廣闊。目前PN/A工藝常常被用于污泥消化液、焦化廢水、垃圾滲濾液。例如：奧地利Strass 污水廠、北京小紅門污水處理廠污泥消化液處理應用PN/A工藝脫氮[1， 4]。

2.1.1反硝化吸磷

傳統的生物除磷的原理是利用聚磷菌在厭氧釋磷好氧吸磷，通過排除剩余污泥，除去生物系統的磷。但在實際應用中存在很多問題，例如反硝化菌和聚磷菌間存在著碳源競爭的關系，而在傳統的城市污水中碳源普遍較低，難以同時滿足脫氮除磷的需要。硝化除磷技術作為一種新型高效低能耗的技術成為近年來水處理領域的熱點。反硝化除磷作用可以在缺氧段無碳源的情況下進行，不僅實現同時除磷脫氮，還克服了生活污水中基質缺乏的問題，尤其適用于高氮磷廢水及產生揮發性脂肪酸潛力低的城市污水。應用反硝化除磷工藝處理城市污水時不僅可節省曝氣量，而且還可減少剩余污泥量，即可節省投資和運行費用[5]。

2.2節能降耗（精確曝氣、精確加藥）

據統計，目前國內污水處理廠A2O、A/O、氧化溝工藝占比達65%以上，噸水電單耗在0.3度以上，運行電耗偏高。在生產成本中，電費約占直接生產成本的60%-90%，攪拌設備和鼓風機的耗電量又占到總用電量的50%-70%。從某種程度上說，攪拌設備的耗電量和曝氣量的控制決定著整個污水處理廠的能耗水平和處理效果。精確曝氣系統是近年發展起來的一套較好控制鼓風曝氣的節能技術，既能保障污水處理廠設備連續穩定運行，又可實現節能降耗，對于污水處理廠的碳中和具有一定的促進作用。

除磷和消毒是污水處理廠重要生產工藝，由于污水處理的生物特性以及水流的物理特性導致加藥和消毒系統的過程存在滯后性、非線性等特性。多數污水處理廠的除磷、消毒工藝仍然只能用手動方式，部分新建的污水處理廠也僅僅實現了遠程手動操作，這就導致了除磷藥劑和消毒藥劑的加藥量偏大。為了在保證出水穩定達標的前提下，降低除磷藥劑和消毒藥劑的投加量，精確加藥系統應運而生。精確加藥系統通過對比進水水質和出水水質與數據模型相結合，計算出相應的投加比，投加比結合進水水量，工藝參數等，系統自動計算加藥量，系統的閥門和泵自動調節。實時投加。使得出水水質始終保持最佳效果。

3總結

污水含有大量的能量物質、無機營養物質（N，P，K）以及巨大的熱能和動能，污水處理廠中也有巨大的土地面積。充分利用這些優質資源，通過上述方法，開源節流，把我們的污水處理廠變成一個能夠自給自足的工廠，甚至變成一個具有一定產值的工廠。

參考文獻：

[1] 郝曉地， 程慧芹， 胡沅勝. 碳中和運行的國際先驅奧地利Strass污水廠案例剖析 [J]. 中國給水排水， 2014， 30（22）： 1-5.

[2] 房鎮， 傅洪波， 丁良才. 分布式光伏發電系統在污水處理廠的應用 [J]. 節能與環保， 2019， 09）： 86-7.

[3] 孟勇彪， 李志， 王林， et al. 中試鳥糞石流化床反應器回收污泥強化厭氧釋磷上清液中的磷及產品分析 [J]. 環境工程學報， 2021， 15（04）： 1377-85.

[4] 王振毅， 李欣宇， 趙大密， et al. 厭氧氨氧化耦合反硝化技術反應機理及其影響因素研究進展 [J]. 煤炭與化工， 2021， 44（05）： 120-4+56.

[5] 王一鑫. 一種新型雙污泥反硝化除磷系統的工藝參數調控及優化運行 [D]; 揚州大學， 2021.