污水處理廠節能減碳路徑分析及措施探討

鄧耀棠 中國電建集團中南勘測設計研究院有限公司佛山分公司

在污水處理的行業中，因為污水含有大量有機物、含氮化合物和有害物質，使得污水處理過程中會產生大量的直接碳排放和間接碳排放。直接碳排放是指在污水處理流程中，直接產生CO2、CH4和N2O 并進入大氣。間接碳排放是指電耗、能耗、藥耗所引起的碳排放，主要是CO2排放。其中污水、污泥處理單元產生的直接碳排放量約占35%～65%，并與進水水質條件、運行工藝水平等因素息息相關。

因此本文針對污水處理廠中的處理流程從行動策略角度分析其減碳路徑，探討對應的減碳措施，期望能在節能降耗的基礎上減少碳排放，既能提高污水處理廠的經濟效益，又可以助力污水處理廠“低碳”目標的實現，為后續污水處理廠提供依據和參考。

1 污水處理廠處理中的節能減碳路徑分析

污水進入污水處理廠后，經過不同的處理單元，所產生的直接碳排放氣體有所區別，其主要處理流程及碳排放氣體種類如圖1 所示。

圖1 污水處理廠主要處理流程及其碳排放氣體

其中，CO2主要在生物處理單元及污泥處理單元中產生；CH4在所有處理流程中均有產生N2O 主要產生自活性污泥單元，方式為硝化及反硝化。三種氣體所產生的量與進水水質、處理過程、處理工藝均息息相關。

1.1 源頭控制

通過降低進入污水管渠設施和污水處理廠的污水量和污染物總量可以有效的減少污水處理所需消耗和直接碳排放量，可采取雨污分流、源分離技術、污水管渠斷面、坡度優化降低死區厭氧環境等方式。

根據具體地區，因地制宜的制定當地的污水處理排放標準，充分發揮水體的自凈能力，當收納水體水質好時，可適當降低出水水質標準，當收納水體水質較差時，則適當提高水廠出水標準，可以在不影響水質的條件下，避免盲目追求高標準出水水質，從而減少電耗和藥耗，實現碳減排。

通過藥劑投加、斷面優化、強制通風等措施來盡量減少污水管渠中厭氧環境和死區、抑制甲烷菌活性，減少CH4的產生。

1.2 過程優化

污水處理廠可更新、升級、優化設備和控制，提升設備的使用效率，減少電量消耗，包括使用變頻水泵、高效曝氣泵、微氣泡曝氣頭，并提高曝氣前后的反饋能力，優化控制技術，減少運行中的損耗，實現碳減排。

各個污水處理單元在設計時應充分對設計參數進行優化調整，減少易生成CH4和N2O 環境，可采取數學模型技術構建運行條件、污染物去除效率、溫室氣體生成三方關系式，反饋控制優化，實現資源精準利用，節約能源，實現碳減排。

在污泥處理單元中，應盡量減少剩余污泥在廠區內堆放時間，及時進行處理、處置、減少污泥處理處置量，降低處理和場外運輸消耗。

1.3 工藝升級

采用污水處理新技術降低電力或化學藥劑消耗或降低CH4和N2O 生成環境條件和生成排放量，如緊湊型生物處理工藝和高效脫氮工藝，提高處理負荷。此方法所需周期長、投入大，在國內應用并不廣泛，但其約可降低50%運行電力消耗和碳排放量。

1.4 低碳能源

污水處理廠可通過污泥厭氧消化和水源熱泵技術，充分利用污水余溫熱能，保證污水系統碳中和實現，并可對外輸出能量。在污泥處理單元，可提取或轉化污水與剩余污泥中蘊含的化學能、熱能等能源，以替代化石能源消耗，如推廣或升級傳統厭氧消化技術至現金厭氧消化技術，分別回收污泥中化學能和污水中熱能，利用廠區面積收集太陽能和風能。

2 污水處理廠中的節能減碳措施探討

2.1 源頭控制

可采取源分離技術，將排泄物與一般清潔用水性相分離，進行單獨收集、輸送、處置，從而便于對排泄物中的氮、磷、鉀等營養元素進行截留或分離，將其回收利用于農業的持續生產。同時減少進入污水處理廠中的氮、磷總量，間接提高了進水中的C/N、C/P 比，等效于額外加碳源、降低污水處理濃度、減少處理能耗及碳排放強度，預計可減少碳排放量約47～95CO2-eq/（人·a）。

其次，傳統的污水處理本質上是將水污染轉換為大氣污染的過程，提高出水水質標準雖可以減少黑臭水體和富營養化，但也加劇了向大氣中排放溫室氣體。因此在制定當地污水處理標準時，應當結合各類環境影響綜合評定，確定對環境最有益的方案，同時還要設定水質監管監測部門，對水質進行實時監測，對應不同時期，根據不同地區所呈現的不同收納水體水質特征及污水特征，對應調整污水出水水質要求。

此外，工業企業的生產廢水經過處理達標后，允許其排放至市政污水管渠，與生活污水一同進行后續的處理，但部分企業責任意識淡薄，違規偷排工業廢水事件屢見不鮮。而水質超標的工業廢水會使得污水中污染物濃度提高，加重污水處理廠的負擔，影響污水處理效果，因此應加強相關部門的長期嚴肅監管，實施強有力的懲治措施。

2.2 施行污水處理自動化控制

現代污水處理廠可通過使用精細傳感器和控制設備對實時信息進行精確化采集、傳輸、存儲、處理和服務，對水廠實現全面監測、科學決策、自動控制、及時響應，達成污水處理高效、穩定運行。

施行自動化控制的核心是模型的建立，在數字模擬工具輔助下，可指導污水廠的運行管理，實現曝氣與回流的精準控制，避免各類藥劑的過量投加，大幅度節約運行能源和電力消耗，減少間接碳排放量。

污水處理廠中的曝氣是高耗能單元，占據污水處理廠運行總耗能的50%以上。在曝氣過程中若曝氣不足，則會影響生化反應，影響出水水質，若曝氣量過高，又會導致高能耗和高碳排放量。應用在線監測儀表，輔以數字模擬技術計算，可以精準調控鼓風機的壓力、曝氣量，使氣水比達到理論最佳狀態，實現按需供氣，精準供氣，降低運維中機械磨損及能量消耗。如前饋/控制/反饋/控制模式，在曝氣池進水前端和末端分別安裝監測儀表，感知污水中的DO、NH、COD、水溫等水質參數，利用生物模型等數字工具進行模擬計算，得出理論最佳曝氣量并自動控制調節鼓風設備。該方法精確度較高，但較依賴監測儀表的感知精度。若儀表發生異常，則將嚴重影響曝氣池的處理效果。

其次，在污水處理廠的長期運行中，水泵長期運行會導致部件磨損或損壞，使得水泵的效率逐漸下降與損失，其原因包括機械磨損，如被泥沙磨損、腐蝕性物質腐蝕等；水泵長期不在額定狀態運行，對水泵流量、壓力管理不當等。為提高水泵運行效率，降低其運行能耗，可從設備維護與運行模式兩方面入手。設備維護指對水泵的部件或整體進行維修與更換。例如，更換磨損的葉片，清除管道與水泵內沉積的固體。這需要加強污水處理廠內部管理制度，對廠區內設備進行長期積極的管理，保持最佳設備狀態。運行模式優化則指調整、優化水泵運行狀態、時段等，達到充分利用水泵效率的目的。在污水處理廠中，僅少數水泵正常運行，而大多數水泵低效或無效運行的現象時有發生。由此導致大量能量被無效消耗，由此造成額外的溫室氣體排放。應制定合理的泵房運行模式，選擇恰當規格型號的水泵，以發揮水泵的最大運行效率，優化運行能耗與溫室氣體排放。其需要準確掌握各泵房及水泵的效率數據，以長期歷史污水流量、水質等指標為基礎，選擇與確定最適宜的運行模式。對水泵長期監測可依靠安裝額外的監測設備，感知流量、能耗、水泵效率等參數，也可進一步安裝管理器自動控制水泵運行狀態。相關研究表明，雖然安裝這些設備需耗費一定的成本，但很快即可通過水泵提效節能收回。

2.3 采用緊湊型污水處理工藝

污水處理廠在運行過程中，生物反應器運行需要予以攪拌、曝氣并回流，會消耗大量電能，從而產生的間接碳排放量，約占污水處理廠碳排放總量的18%。因此，通過提高污水處理效率與負荷，縮小反應器體積，則可減少其規劃建設中施工及建材消耗產生的碳排放量，以及運行維護中各類機械運行消耗電能、處理消耗藥劑等產生的間接碳排放量。

例如，好氧顆粒污泥(AGS)工藝利用了微生物團聚形成的密實結構，其密度及生物量較傳統工藝都有明顯提高。由于氧氣擴散受限，AGS 內部微生物形成了層狀結構。最外層為利用氧氣降解有機污染物的異養細菌；中間層為利用氧氣進行硝化作用的硝化細菌；最內層為偏好厭/缺氧環境的反硝化細菌及聚磷菌。這種多層次的結構使得AGS 可同時同步進行COD、氮、磷的同步去除。其反應器占地面積通常僅為同規模污水處理工藝的1/4，整體設計簡約緊湊。而其運行維護中生化反應產生的N2O 水平與傳統污水處理廠相當。但其需要的機械設備也較少，不需污泥回流泵等設備，可節約25%～30%總能耗。工藝過程需求的曝氣量更低，可節約30%能耗。AGS 工藝總體可減少30%～50%能量消耗，且不需額外投加化學藥劑。

2.4 使用高效脫氮技術

傳統污水處理廠中采用的生物脫氮工藝反應過程復雜，需要好氧及缺氧環境，因而反應器容積大，運行設備多，磨損及能耗高。此外，傳統生物脫氮過程還需消耗一定量的有機碳源。若生活污水有機物(COD)含量不足時，則可能反而需要污水處理廠額外投加有機碳源，由此產生額外的碳排放量。因此，采用高效脫氮工藝，縮短脫氮流程，減少反應器容積及機械能耗，節省藥劑消耗，可以有效降低脫氮過程中產生的間接碳排放量。

例如，短程硝化反硝化工藝利用亞硝化細菌(AOB)與硝化細菌(NOB)對氧氣親和能力的不同，控制硝化反應只進行到NO-2 為止，隨后再進行反硝化反應，因此，可縮短脫氮反應流程。由此便可增大反應器處理負荷，縮小反應器體積，減少碳排放量，降低對碳源和O2的需求，減少曝氣過程能耗及因電力消耗導致的間接碳排放量。

再如，厭氧氨氧化反應(ANAMMOX)是利用相關微生物的活動，在厭氧環境中，以NO-2 為電子受體，將NH+4 直接氧化為N2。相比于傳統污水脫氮工藝中將NH+4 氧化至NO-3，再還原至N2般“舍近求遠”的處理過程，ANAMMOX 反應流程要短得多，在不需消耗有機物(COD)及O2的同時減少了脫氮過程中所需的機械耗能與磨損，尤其是曝氣過程，其節省能源可達60%之多，大幅減少了碳排放量。

2.5 污水資源回收利用

市政污水及剩余污泥中富含多種資源，如磷、大分子有機物等高附加值產品。經過適當處理對其進行回收并循環利用，不僅可以產生一定的經濟效益，也可作為相應產品的替代品，因而縮短了原產品及其原材料的開采、生產過程，減少了其碳排放總量。

例如，從污水或剩余污泥中回收磷資源。磷是生命必需的重要元素，是現代農業可缺少的營養成分，但它同時也是一種不可再生資源。由于現代社會對磷粗放式開采與管理，使大量磷最終歸宿沉積于海底。生活污水與剩余污泥中富含豐富的磷資源，采用適當手段進行回收，并初步加工為低級產品，可替代化石肥料的開采與消耗，間接減少其生產所導致的碳排放量。目前磷回收技術主要可分為：①液體含磷，如AAO 工藝厭氧池上清液及污泥消化液中，回收率為40%～50%。②固體含磷，如消化污泥或脫水后消化污泥中。③自污泥焚燒灰分中，回收流程可達90%。

再如，從剩余污泥中回收類藻酸鹽(ALE)產品。目前工業上藻酸鹽主要來源于大型海藻(海帶)，其提取過程中產生大量工業廢水，并消耗大量煤炭、酸、堿等化學品。研究發現，在常規的活性污泥工藝中，微生物均可利用污水中的有機物合成并保持較高含量的類藻酸鹽，其含量可達10%～35%(污泥干重)。污水合成ALE 技術可拓寬污泥資源化渠道，促進污水處理廠向社會輸出高品質產品，間接降低了生產所導致的碳排放量。ALE 易于生物降解，亦可緩解與根治塑料制品導致的垃圾污染，助力社會的可持續發展。

3 結語

污水處理廠屬于高能耗行業，本文依據污水處理廠處理流程，分析了污水處理廠中的節能減碳路徑，從多個角度探討了具體節能減碳實施措施，為污水處理廠的實際運行提供了參考，有助于推動污水處理行業碳減排的發展。