污水處理碳中和運行技術(shù)研究

文／尉遲佶佼、魏國榮 榆林市污水處理廠 陜西榆林 719000

引言：

污水處理廠作為公認(rèn)的溫室氣體主要排放源之一，目前正處于由“達(dá)標(biāo)排放”向著可持續(xù)方向進(jìn)行發(fā)展的過程中，碳中和運行是污水處理廠發(fā)展過程的核心內(nèi)容。基于污水處理廠的實際情況，采取恰當(dāng)?shù)奶贾泻瓦\行技術(shù)，不僅可以降低污水處理廠的碳排放總量，而且有助于促進(jìn)污水處理廠低碳運行的實現(xiàn)，最終實現(xiàn)碳中和的發(fā)展目標(biāo)。

1、碳中和概念分析

碳中和是節(jié)能減排術(shù)語，是指國家、企業(yè)、產(chǎn)品、活動或個人在一定時間內(nèi)直接或間接產(chǎn)生的二氧化碳或溫室氣體排放總量，通過植樹造林、節(jié)能減排等形式，以抵消自身產(chǎn)生的二氧化碳或溫室氣體排放量，實現(xiàn)正負(fù)抵消，達(dá)到相對“零排放”。當(dāng)下所進(jìn)行的人為參與的補(bǔ)償式的碳平衡處理，可以分為2種不同的形式：（1）可以讓一些再生能源物質(zhì)，進(jìn)行循環(huán)利用處理，同時替代一些不可再生的能源碳排放流程。（2）是購買一些其他企業(yè)的碳排放額度，這樣就可以形成一個大體上的能量平衡關(guān)系。但是，對于污水處理的工作而言，由于處理量比較大，其具備的特殊性，導(dǎo)致實際處理過程中能耗較大，進(jìn)而導(dǎo)致碳排放也比較嚴(yán)重。因此，在日常進(jìn)行處理的過程中，基于碳中和的理念，需要進(jìn)行處理流程的綠色環(huán)保，以此保障實現(xiàn)污水處理碳中和，可以控制能耗量。

2、污水處理潛能分析

2.1 淤泥資源化利用

在污水處理活動中，淤泥屬于常見的副產(chǎn)物，以往在對污水進(jìn)行無害化處理時，多采用活性污泥法進(jìn)行處理，這也是一種集中處理大量污泥的技術(shù)手段。但是污泥中含有數(shù)量眾多的有機(jī)質(zhì)，這些有機(jī)質(zhì)如果在前期處理中沒有得到可靠處理，也將直接影響到水體環(huán)境的安全性。基于此，在碳中和目標(biāo)下也需要做好污泥的再利用，對其中存在的內(nèi)部能量進(jìn)行積極 獲取，隨后將其融入到燃料制造活動中，使其可以作為一種清潔能源進(jìn)行再次利用。在具體的處理活動中，為了確保處理后的污泥質(zhì)量，一般會利用超聲波破碎的方法來處理污泥，這樣也可以產(chǎn)生大量氣體（主要以CH4為主），將其通入到燃燒系統(tǒng)中進(jìn)行再次利用，以提高燃燒結(jié)果的可靠性。另外，在污泥處理活動中也會采用水泥窯與焚燒相結(jié)合的方法進(jìn)行處理，這樣也可以順利分解污泥中有機(jī)物，最大限度地發(fā)揮其應(yīng)用價值。

2.2 污水資源化利用

在污水處理活動中，會經(jīng)過曝氣、有氧、無氧等多個環(huán)節(jié)，過程中也會產(chǎn)生較多余熱，而且污水也具備了良好的再利用價值。在對污水進(jìn)行綜合化處理時，可以對污水的余熱進(jìn)行二次利用，將污水中余熱用于當(dāng)?shù)厣罟幔@樣也可以提高污水資源余熱的利用效率，從而使碳補(bǔ)償能力得到有效提升。在污水處理活動中，也會利用污水再生技術(shù)對水資源進(jìn)行凈化處理，處理過的污水也可以重復(fù)利用到農(nóng)田灌溉、道路綠化澆灌、工業(yè)生產(chǎn)等領(lǐng)域，從而減少了水資源浪費，提高了水資源的利用效率。

2.3 自然能源利用

基于以往的實踐經(jīng)驗，污水處理廠在修建時一般會將其建設(shè)在遠(yuǎn)離城鎮(zhèn)中心的郊區(qū)，而且也會占用到大量的土地資源。基于此，為了確保運行活動中能量損耗處于較低狀態(tài)，在污水處理廠的建設(shè)中需要做好新能源應(yīng)用，如風(fēng)能、太陽能等，從而減少傳統(tǒng)能源的消耗量，提高已有能源的利用效率。例如，目前許多污水處理廠在屋頂設(shè)置光伏太陽能電池板，產(chǎn)生的電能會作為輔助電源供給污水處理廠的照明系統(tǒng)、各類設(shè)備，以此來減少傳統(tǒng)電能的損耗，對于“碳中和”目標(biāo)的實現(xiàn)有著積極意義。

3、污水處理碳中和運行技術(shù)整理

3.1 “碳捕捉”技術(shù)

3.1.1 HRAS技術(shù)

HRAS技術(shù)（即高負(fù)荷活性污泥工藝）在應(yīng)用中具有水力停留時間較短、污泥停留時間較短、污泥負(fù)荷較高等優(yōu)勢，技術(shù)在應(yīng)用中的操作原理（如圖1所示）。該工藝在具體應(yīng)用中的步驟如下：（1）污水中的高活性污泥可以對各種類型的COD（包括溶解性COD、顆粒性COD和膠體狀COD）進(jìn)行回收，根據(jù)統(tǒng)計資料顯示，COD的回收率可以達(dá)到70%-75%。（2）固定后的COD也會經(jīng)過過濾、曝氣等處理后，在沉淀池中進(jìn)行沉淀處理，從而讓清水和污泥順利完成分層，上層清水進(jìn)行消毒處理后可以直接排放到外界，而沉淀的污泥除了用于碳存儲外，剩余部分也會回流到池中進(jìn)行再次利用，從而實現(xiàn)循環(huán)利用。HRAS工藝在使用中，能夠順利提高能源產(chǎn)能，而且在應(yīng)用中也可以降低綜合成本支出，具有良好的使用和推廣價值。

圖1 HRAS技術(shù)應(yīng)用原理示意圖

CEPT技術(shù)（即化學(xué)強(qiáng)化一級處理工藝）在應(yīng)用中具有污泥停留時間較短、有機(jī)物處理效率較高、產(chǎn)生的淤泥容易處理等優(yōu)勢。該工藝在具體應(yīng)用中的步驟如下：（1）污水中存在較多的有機(jī)污染物，輸入到生化池后利用化學(xué)混凝的方式將其中的有機(jī)物去除干凈，同時在處理中也可以對各種類型的COD（包括溶解性COD、顆粒性COD和膠體狀COD）進(jìn)行捕獲，根據(jù)統(tǒng)計資料顯示，COD的捕獲效率可達(dá)75%。（2）處理后的污水會流入到下一個生化池，該生化池則是對污泥中的剩余污染物進(jìn)行處理，可利用三氯化鐵作為主要處理物，從而將BOD5捕獲率控制在65%-70%，減少處理過程中的碳排放量。CEPT工藝在使用中，能夠?qū)OD進(jìn)行持續(xù)捕獲，而且在應(yīng)用中也可以提高易降解有機(jī)物含量，這樣也有利于能源的順利回收，具有良好的應(yīng)用價值。

3.1.3 膜分離工藝

膜分離工藝在應(yīng)用中具有污泥停留時間非常短、有機(jī)物處理效率高等應(yīng)用優(yōu)勢。該工藝在具體應(yīng)用中的“碳捕捉”原理是依托高負(fù)荷膜生物反應(yīng)器來對污水中的COD進(jìn)行回收，平均回收率可達(dá)85%。在實際應(yīng)用中，水力停留時間在0.7h左右，而污泥停留時間在0.5-1.0d，整個過程中可以將結(jié)構(gòu)的礦化率控制在10%以內(nèi)，以此來提高碳物質(zhì)的回收率。也可以使用厭氧膜生物反應(yīng)器來處理污水，此反應(yīng)器對污水中COD的平均回收率可達(dá)90%，同時CH4的回收率也將會超過50%，具備了良好的應(yīng)用價值。

3.1.4 微篩工藝

微篩工藝在具體應(yīng)用中的“碳捕捉”原理是依托精細(xì)過濾裝置（孔隙不超過100μm）對污水中的溶解性COD、顆粒性COD和膠體狀COD進(jìn)行回收，以此來降低污水中雜質(zhì)逸散速度，具備了良好的應(yīng)用價值。總結(jié)以往的應(yīng)用經(jīng)驗，在實際應(yīng)用中對比空白組，總的化學(xué)需氧量去除率可達(dá)到70%，而溶解性COD的回收率則達(dá)到了83%，CH4產(chǎn)生量達(dá)到了135L/kg，擁有著良好的應(yīng)用價值。

綜上所述，在實際應(yīng)用中只是利用單一工藝，并不能達(dá)到預(yù)期的捕捉效果。因此在具體應(yīng)用中可以使用兩種及兩種以上的工藝來進(jìn)行碳捕捉，也可以達(dá)到最佳效能，滿足相應(yīng)的使用要求。

3.2 能源回收技術(shù)

3.2.1 AD-CHP技術(shù)

2.1.4 學(xué)生樂于參與社會實踐，做兼職的學(xué)生較多問卷表明，約88%的學(xué)生都有過社會兼職工作經(jīng)歷，主要做的工作按選項比例高低排序為：營銷、家教、餐飲服務(wù)、清潔工等。少數(shù)學(xué)生在寒暑假期間，能夠幫助家長做家務(wù)、干農(nóng)活或做些社會兼職工作。多數(shù)學(xué)生在校學(xué)習(xí)期間，都參加過志愿者活動或公益勞動，這些經(jīng)歷和活動都有益于學(xué)生的成長。

AD-CHP技術(shù)（即厭氧消化-熱電聯(lián)產(chǎn)技術(shù)）在應(yīng)用中具有CH4產(chǎn)量較高、處理效率較高等優(yōu)勢。該工藝在應(yīng)用中的原理在于，將污泥捕捉作為主要手段，對污泥進(jìn)行處理后可以產(chǎn)生CH4，隨后借助熱電聯(lián)產(chǎn)技術(shù)來進(jìn)行能源回收，從而達(dá)到資源多元化利用的目的。在該技術(shù)的應(yīng)用中，會搭配“碳捕捉”技術(shù)進(jìn)行使用，例如，HRAS技術(shù)和AD-CHP技術(shù)聯(lián)合在一起進(jìn)行使用，CH4產(chǎn)量將是傳統(tǒng)處理方法的1.5倍，具有良好的應(yīng)用價值。

3.2.2 熱能回收技術(shù)

總結(jié)以往處理經(jīng)驗可以得知，污水具有較強(qiáng)的余溫?zé)崮埽@些能量也是污水化學(xué)能的3.0-4.0倍，其占比城市廢熱排放總量的10%-35%，這些熱量若能進(jìn)行有效轉(zhuǎn)換，也可以起到緩解傳統(tǒng)能源損耗過大的作用，以此來提高資源利用率的作用。在具體的處理活動中，多利用污水源熱泵技術(shù)來進(jìn)行能源回收，該技術(shù)的應(yīng)用流程（如圖2所示）。該技術(shù)在應(yīng)用中，會將污水源熱泵作為主要的工作載體，利用污水流量穩(wěn)定性強(qiáng)的特征，對低位熱能進(jìn)行有效回收，并且作為清潔能源進(jìn)行使用，以達(dá)到良好的應(yīng)用效果。但是在應(yīng)用中，污水中的熱能作為低品位能源，為了減少回收后熱量的逸散，會將熱量回收距離控制在較小范圍內(nèi)，即有效輸送半徑會控制在3.0-4.5km，這也意味著所回收的能量只會向周圍建筑、工業(yè)區(qū)進(jìn)行供冷或者供熱，較遠(yuǎn)距離則不具有應(yīng)用價值。另外，根據(jù)已有統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，該技術(shù)的應(yīng)用能夠有效回收污水中的熱能，碳中和運行比例超過了465.35%，對于提高能源利用效率，減少污水處理廠碳排放量有著積極作用。

圖2 污水源熱泵技術(shù)流程示意圖

3.2.3 太陽能回收技術(shù)

從目前清潔能源使用情況來看，太陽能作為應(yīng)用較早的可再生資源，基于太陽能進(jìn)行發(fā)電能夠提升污水處理廠的能源自給率，減少傳統(tǒng)能源的損耗量。該技術(shù)在具體應(yīng)用中，可以在建筑物（如清水池、沉淀池等）頂部鋪設(shè)太陽能電池板，將太陽能轉(zhuǎn)換為電能，供給污水處理廠照明系統(tǒng)、各類設(shè)備，若電能富余量較多，也可以作為輔助能源供給周圍區(qū)域進(jìn)行使用，以此提高資源利用率。例如，某污水處理廠在生化池頂部鋪設(shè)太陽能電池板，其年平均發(fā)電量在1×109kW·h，可以替代該污水處理廠20%-25%的能源。需要注意的是，太陽能回收技術(shù)在應(yīng)用中的一次性投資量較大，并且后期所需要投入的維護(hù)成本較高，一般情況下多應(yīng)用在建設(shè)面積較大、建設(shè)資金比較充足的污水處理廠。

3.2.4 風(fēng)能回收技術(shù)

從目前清潔能源使用情況來看，風(fēng)能也是經(jīng)常使用到的可再生資源，基于風(fēng)能進(jìn)行發(fā)電可以提升污水處理廠的能源自給率，大幅度降低傳統(tǒng)能源的損耗量。該技術(shù)在具體應(yīng)用中，可以在污水處理廠附近風(fēng)力充足區(qū)域建立風(fēng)機(jī)，將風(fēng)能轉(zhuǎn)換為電能，供給污水處理廠照明系統(tǒng)、各類設(shè)備，若電能富余量較多，也會作為輔助能源供給周圍區(qū)域進(jìn)行使用，以此來降低傳統(tǒng)能源的損耗量，充分發(fā)揮清潔能源的利用價值。例如，某污水處理廠位于海拔較高、風(fēng)力較為充足的區(qū)域，建立風(fēng)機(jī)設(shè)備，其年平均發(fā)電量在1.3×109kW·h，可以替代該污水處理廠10%-30%的能源。需要注意的是，風(fēng)能回收技術(shù)在應(yīng)用中也具備了一次性投資量較大，后期維護(hù)成本較高等特征，但是所能帶來的綜合效益較高，適用于一些大型污水處理廠。

3.3 二級處理技術(shù)

3.3.1 可持續(xù)脫氮技術(shù)

3.3.2 反硝化除磷技術(shù)

除上述提到相關(guān)技術(shù)外，在實際應(yīng)用中反硝化除磷技術(shù)也具備了良好的應(yīng)用價值。在該技術(shù)的具體應(yīng)用中，會利用兼性反硝化聚磷菌和相關(guān)內(nèi)容關(guān)聯(lián)在一起，從而起到了同步去除污水中氮磷元素的作用。在施工技術(shù)應(yīng)用過程中，細(xì)胞中的儲能物質(zhì)PHA會成為整個處理過程中的主要碳源，而且該碳源在使用中也會作為去磷過程的碳源，以此達(dá)到“一碳兩用”的目的。相較于傳統(tǒng)的脫氮除磷工藝，新工藝在應(yīng)用中具有較高的使用價值，可以節(jié)省50%-60%的COD，以及30%-50%的O2，這樣也可以降低50%的剩余污泥量，具有良好的使用價值。另外，在該工藝的應(yīng)用過程中，將NO-2作為主要的電子受體，將整個反硝化除磷過程控制在NO-2階段，這樣也可以直接將NH+4氧化成N2，整個過程也可以減少30%的曝氣量，并且對于氮元素和磷元素的去除效率均超過83.23%，起到了良好的處理效果[1]。例如，某污水處理廠進(jìn)水總磷質(zhì)量濃度在6.8mg/L，氮磷比例為8.5，在該工藝的應(yīng)用下，處理后的污水中總磷濃度為0.7mg/L，而總氮濃度為8.7mg/L，在應(yīng)用中具有良好的處理效果。

4、污水處理碳中和運行技術(shù)應(yīng)用實例分析

4.1 案例概述

某污水處理廠于2012年3月16日投入使用，該地區(qū)政府計劃到2030年全面實現(xiàn)碳中和目標(biāo)，并且在此過程中也會不斷提升再生資源的應(yīng)用比例，將新能源應(yīng)用和熱能關(guān)聯(lián)在一起，使污水處理廠順利轉(zhuǎn)型為“能源工廠”，而且發(fā)展中區(qū)域可再生資源供熱比例也增長到35%，以滿足相應(yīng)的使用要求[2]。

4.2 改造效果整理

4.2.1 污泥產(chǎn)沼氣情況

該污水處理廠在未改進(jìn)之前，采用了傳統(tǒng)的A/O工藝，生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的剩余污泥會進(jìn)入到初沉池中，用于吸附部分COD，最后和初沉污泥混合在一起排放到外界，并且在無害化處理、堆肥處理、發(fā)酵處理后，將產(chǎn)生的沼氣利用熱電聯(lián)技術(shù)將其轉(zhuǎn)換為污水處理廠的供暖和制冷電力，減少傳統(tǒng)資源損耗。另外一部分污泥也會加工成肥料或者土地改良劑進(jìn)行再次利用，以達(dá)到相應(yīng)的處理效果[3]。經(jīng)過核算處理后，在沼氣的生產(chǎn)過程中所產(chǎn)生的能量為20.6GW·h/a，在實際應(yīng)用中能夠滿足污泥處理、攪拌、運輸?shù)冗^程的能源損耗，而且還存在一定量的盈余供給其他設(shè)備使用，以此來實現(xiàn)資源回收目標(biāo)。

4.2.2 碳排放情況

在污水處理廠的運營中引入污水源熱泵技術(shù)，對于污水處理廠的余熱進(jìn)行了回收再利用。根據(jù)統(tǒng)計資料顯示，每年的制熱輸出總量超過了2.35×108kW·h，能夠為當(dāng)?shù)爻^14000戶家庭提供供暖，同時制冷輸出量為2.1×107kW·h，滿足當(dāng)?shù)?0%的制冷需求，這樣每年也可以減少9.3萬t的碳排放量，從而達(dá)到預(yù)期的技能效果。在改造處理后，所能夠回收的能源總量達(dá)到了36.12GW·h/a，具備了良好的應(yīng)用價值。并且所回收的余溫?zé)崮芤彩钱a(chǎn)生能量的重要來源，在應(yīng)用中占據(jù)了80%的產(chǎn)能，順利實現(xiàn)了能源中和這一目標(biāo)，碳中和率超過了300%，具有良好的應(yīng)用價值[4]。

結(jié)語：

綜上所述，在污水處理過程中，碳中和運行技術(shù)具備良好的應(yīng)用價值，在宏觀層面上進(jìn)行污水處理廠低碳改造，可以從曝氣系統(tǒng)改造、合理回流等環(huán)節(jié)展開控制，以此減少污水處理能耗問題。從微觀層面上進(jìn)行污水處理廠低碳改造，可以從“低碳”潛能工藝展開優(yōu)化，如積極開發(fā)風(fēng)能、太陽能等新能源、優(yōu)化硝化反硝化工藝等，從而提高污水處理廠運行環(huán)境的碳中和水平。在未來發(fā)展過程中，也需要做好新工藝開發(fā)、設(shè)備優(yōu)化等工作，不斷優(yōu)化污水處理技術(shù)水平，提高污水處理效率。