城市污水處理中的二氧化碳排放與碳資源化利用研究

王麗艷，張靳超

(1.新疆環境工程有限公司，新疆 烏魯木齊 830000;2.新疆天玉生物科技有限公司，新疆 烏蘇 833000)

1 引言

當前全球氣候變化正在對世界各國產生日益重大而深遠的影響，2009年12月7～19日在哥本哈根召開的世界氣候大會充分反映了國際社會對此問題及與其緊密相關的碳減排問題的關注。全球氣候變化與地球大氣中的二氧化碳、甲烷、氧化亞氮、氫氟碳化物(HFCs)、全氟碳化物(PFCs)及六氟化硫(SF6)等溫室氣體緊密關聯。由于人類活動已引起全球溫室氣體排放增加。以我國為例，1994年CO2排放量為30.7億t，到2004年已增長到50.7億t［1］。而大氣二氧化碳含量從1000年前的280×10－6上升至 2000 年前后的 360 ×10－6，升幅高達28.6%，2005 年則達到379 ×10－6［2］。大氣中 CO2等溫室氣體濃度的持續增加，引發了日益嚴重的溫室效應等環境問題，如全球變暖、海平面升高、極端極端天氣事件頻發等，引起了人們對CO2排放的廣泛關注［3～5］。政府間氣候變化專業委員會(IPCC)第四次評估報告《氣候變化2007》建議到2030年應將溫室氣體濃度限制于445×10－6～650×10－6之間。因此，如何控制和減少向大氣排放CO2以緩解溫室效應已經成為世界性的迫切課題。

2 污水處理中的碳資源利用

城市化進程的快速發展，大量人口進入城市，其生活生產產生大量污水。我國則每年排放城市污水達到350億t以上，其中含有大量有機物［6］。以COD濃度400mg/L計，每年排放的城市污水所含有機物達0.12億t(COD)。對于城市污水處理，好氧活性污泥法是最成熟穩定而最常用的工藝，其利用好氧微生物的代謝作用把有機物轉化為二氧化碳和水，同時實現了細胞增殖。盡管活性污泥法能有效的去除廢水中的有機物，但是其產生的二氧化碳隨曝氣氣流進入大氣，成為溫室效應氣體的重要來源之一［7］。此外，處理過程所需的動力消耗也可折合成二氧化碳排放。經測算，處理城市污水所產生的二氧化碳量為0.29kg CO2/(m3水·d)。因此，如果按當前污水處理總量1億m3/d，以活性污泥法處理計算，則每年有近0.1億t二氧化碳排放［8］。目前，還沒有見到如何計算城市污水處理中二氧化碳排放量，也缺乏污水處理對溫室效應影響的評估。對城市污水處理中排放的二氧化碳的資源化利用方面的可行性研究工作也有待開展。

傳統的污水資源化主要是研究水本身的回用(如回用于綠化、洗滌、工業冷卻水等)，卻忽略了污水中含有的豐富的碳資源，以耗費大量電能為代價將這些有用的碳資源當作“垃圾”處理掉。如果能利用某些有效的方法把污水中有機物在好氧生物處理前就從污水中分離出來、再予以相關的資源化開發，這樣即可以免去好氧氧化這些含碳有機物的電耗，降低污水好氧處理的成本，又可以避免這些含碳有機物經好氧降解轉化為二氧化碳排放，實現污水處理碳減排的目的［9，10］。此外，對分離出的有機物予以資源化開發應用，如經厭氧轉化為甲烷氣體用于燒鍋爐或發電，或轉化為生物脫氮除磷所需的低分子易降解有機物回用于污水除磷脫氮，又可以產生一定的經濟效益或進一步提高污水氮磷的去除效率和降低氮磷去除的成本［11］。因此，污水中碳源的資源化利用，實在是一舉數得的好事，應該深入開展相關的調研和研究。

由于生活水平的提高，目前城市污水的水質發生了很大變化。許多城市污水中有機物含量很低，屬于低碳高氮的污水。如某城市污水處理廠進水BOD5低于150mg/L，而總氮則接近55mg/L、總磷達6mg/L以上。而且這種城市污水中碳源不足問題有加重的趨勢。由于生物脫氮和生物除磷都需要有一定的碳源，生物脫氮系統進水BOD5/TN不小于4，而生物除磷系統則要求進水 BOD5/TP大于17［12］。這種低碳高氮的污水無法滿足脫氮除磷的要求。一些污水處理廠采用了投加甲醇等外加碳源，盡管取得較好氮磷去除效果，卻明顯增大了運行成本。也有一些污水廠對初沉污泥或剩余污泥發酵生產VFA補充碳源，但又增加了工藝控制難度。如果把污水中生物脫氮除磷可以利用的有機物稱為有效碳源。如何準確衡算和判斷城市污水中的有效碳源量，進而可以確定需要補充的有效碳源量，即可充分利用城市污水中的有機物，又最大限度地避免了污水中原有的有機物和補充的有機物被好氧微生物降解轉化為二氧化碳排放的后果，還降低了電耗等運行成本。

3 結語

污水中存在豐富的有機碳資源，如何將有機碳資源從污水中富集、分離、轉化并加以充分利用，同時降低污水處理成本，是符合循環經濟原理和要求的。目前全球所面臨的嚴重的環境問題、能源與資源短缺問題以及經濟發展與環境治理所面臨的資金不足，需要有效、簡單且費用低廉的污水碳源資源化技術。因此，基于碳資源化利用的污水處理技術方面的深入研究探索具有具有重大的經濟、能源和環保意義。

基于上述論述，城市污水處理二氧化碳排放及碳資源化的研究重點在于以下幾個方面:研究和調查城市污水處理相關的二氧化碳排放數量，并評估其對溫室效應的影響;研究和評估對城市污水處理過程中排放的二氧化碳的資源化利用的可行性方法與技術。研究濃縮分離城市污水中有機物的技術方法，探討對城市污水中的碳進行資源化開發利用的途徑與方法。

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［2］Pachauri R K，Reisinger A.政府間氣候變化專門委員會第四次評估報告第一、第二和第三工作組的報告［R］.日內瓦:IPCC，2007.

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［8］聶梅生.重新認識水處理技術發展前景［EB/OL］.［2007－11－27］.http://info.water.hc360.com/2007/11/27081694948 － 2.shtml.

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［12］上海市津建設和交通委員會.GB50014－2006室外排水設計規范［S］.北京:中國計劃出版社，2006.