污水處理行業碳減排路徑探討

更新時間：2022-04-24 10:29 來源：大城小E 作者: 呼佳寧閱讀：4942

【谷騰環保網訊】根據住房與城鄉建設部發布的《中國城鎮排水與污水處理狀況公報：2006-2015》和《2015年城鄉建設統計公報》顯示，從2005年到2014年，城鎮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143%；城鎮污水處理廠數量從1000座增加到4436座。城鎮生活污水廠正常運轉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、氮污染物的降解轉化會伴隨著甲烷、氧化亞氮和二氧化碳等溫室氣體的產生和排放，并且廢水處理設施需要消耗大量電力和化學藥劑，不可避免的會產生大量的溫室氣體和消耗大量的能源。傳統污水處理實際上為“以能消能、污染轉嫁”方式，碧水的同時未必是藍天。確實，COD+O2→CO2+H2O的傳統有機物去除方式是用能量（曝氣）去摧毀能量（有機物），并且隨著污水廠出水標準日益提高，其所需能源也將大幅提升，結果，污水處理有可能讓水環境變干凈，但因耗能導致的CO2等氣體則會貢獻溫室氣體。

據研究表明2015年全國整個污水處理行業（市政污水、農村生活污水、工業污水和畜禽與水產養殖廢水）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%。其中市政污水行業的碳排放強度穩定在0.92kgCO2eq/m3左右，若沿用當前的排放強度，我國市政污水行業將在2030年排放8316萬噸CO2eq溫室氣體，整個污水行業將產生碳排放3.65億噸CO2eq，占全國總排放量的2.95%。所以污水處理系統產生碳排放的量是巨大的，是我國碳排放的重要一環，為實現我國的“雙碳”目標，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收集，然后泵送至污水處理廠進行處理。污水進入污水處理廠后先經過一級處理，去除污水中所含的固體和懸浮物；然后，經過生物處理去除大部分有機物和氮磷，并產生剩余污泥；為了達到嚴格的出水標準，常常采用三級處理以進一步去除氮磷。符合出水標準的出水將被排放到自然水體中，產生的污泥經濃縮、調質、脫水后，進行無害化處置。

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）、膜生物反應器（MBR）、曝氣生物濾池（BAF）、生物膜法等。實踐發現不同工藝的耦合可以得到更高質量的出水，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、石灰或有機髙分子絮凝劑促進固液分離，最后使用帶式壓濾、板框壓濾或離心脫水等技術進行脫水。脫水后的污泥進行無害化處置，國內外常用的污泥處置方法有衛生填埋、焚燒、建筑材料利用等。

二、污水處理廠碳排放現狀

污水處理系統中碳排放是一個多部門多流程的復雜過程，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物轉化為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中電耗，比如能耗較高的處理單元有污水提升設備單元，曝氣系統單元，物質流循環單元，污泥處理單元及其他環節的機械設備，具體排放情況見下表。

以某城鎮污水廠為例，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到82%以上，所以通過甲烷等沼氣產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高耗能行業，未來污水處理行業的碳減排首先應該從全局入手，在規劃理念、工藝選擇、運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，削減“碳源”，增加“碳匯”。所以未來污水廠“碳中和”目標的實現可以從兩個方面進行，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“節流”，即通過技術革新、智能裝備、工藝優化等方式降低電耗，從而降低碳排放。

國外工程實例

芬蘭Kakola污水處理廠處理規模為10×104m3/d，為了實現低碳排放，Kakola熱泵廠毗鄰Kakola污水處理廠建設，利用出水余熱，為圖爾庫地區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產方式，實現發電1.02MWe、7700MWh/a、產熱1.05MWt、28647GJ/a。利用生物質能源替代化石能源，是碳減排同時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，優化設備運轉方式，降低電耗。具體措施為水泵避免轉速過低和頻繁啟停，風機根據處理負荷選擇最合適風量和最佳機型，攪拌器厭氧池和污泥儲槽中的攪拌器間歇運行。以2015年為基準，2019年(試驗后)電耗減少3.3%。

圖5 都南污水處理廠

國內案例——污水處理概念廠

在深入研究了解國外先進污水處理廠理念、工藝、技術和工程實踐的同時，中國學術界和產業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“建設面向未來的中國污水處理概念廠”的構想。污水處理概念廠將實現以下需求：

1出水水質滿足水環境變化和水資源可持續循環利用；

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

3追求物質合理循環，減少對外部化學品的依賴與消耗；

4感官舒適、建筑和諧、環境互通、社區友好。

2020年4月，宜興概念廠正式破土動工，于2021年全部建成投運。宜興概念廠采用水質凈化中心、有機質協同處理中心和生產型研發中心“三位一體”生態綜合體“構造肌理”，顛覆了傳統污水廠形態，將示范污水處理廠從污染物削減基本功能擴展至城市能源工廠、水源工廠、肥料工廠等多種應用場景。該廠的投運，將引領“污水是資源，污水廠是資源工廠”的新環保理念，將重新詮釋污水廠和城市的關系，打造出生態、生活、生產“三生”融合一體、開放共享的新型城市空間。