城鎮污水處理系統的節能低碳技術分析

孫寶雯

（山東省煙臺市套子灣污水處理有限公司，山東 煙臺 264000）

引言

2020 年9 月22 日，國家主席習近平在第75 屆聯合國大會一般性辯論上提出中國“努力爭取2060年前實現碳中和”的宏偉目標。這是中國向全世界的鄭重承諾，彰顯了大國責任，提升了我國的國際影響力。實施節能減排，提高能源利用率，實現綠色環保高效高質發展，已經成為了新時代社會發展的必然趨勢。污水處理系統是城鎮主要碳排放源之一，在新形勢下有必要開展各環節的節能低碳技術，推動污水處理系統水、能節約和碳減排的可持續發展[1]。隨著經濟社會發展對水資源保護與再生利用的需要，未來城鎮污水處理量必將大幅增長，污水處理面臨高能耗和高碳排放挑戰。城市污水處理系統的運行涵蓋了污水進入系統、處理系統和排除系統多個流程，經過一系列機械和生化處理，最終達到出水標準。在進水到出水的污水處理流程中，會發生物質消耗、能源消耗和一系列生物化學反應，將不可避免地產生碳排放。積極將節能環保技術納入污水處理有助于促使碳達峰和碳中和目標盡快實現，對于推動社會經濟可持續發展具有重要意義。

1 污水處理廠的合理規劃與綜合性管理

污水處理廠規劃建設是充分發揮其節能作用的重要前提，需要根據區域地形地貌、氣候條件等地理因素開展綜合性規劃管理[2]，不僅要考慮單一污水處理廠的建設與規模提升，更要從區域性污水處理入手，需要做好區域性污水流動的管理，如前置考慮雨污分流、居民工業分流等條件，提升范圍內污水處理廠的管理力度，全面實現區域污水處理廠的綜合性管理，并規劃后續建設與應用，提前布局可改造、可替換的低碳技術，更好地滿足節能環保的要求。

2 污水處理節能低碳技術

2.1 節能處理技術

在污水處理工藝中可以有效借助物理熱能減少額外資源的消耗，可采用熱泵技術最大化回收低位熱能，該技術能夠保證較小的污水溫度變化，有利于儲存較多的熱量。借助太陽能集熱板來收集太陽能應用于污水處理，通過太陽能維持較為穩定的污水處理生態系統，不需要額外投入更多的電力資源，能明顯節約污水處理成本。回收有機能源是一種重要的節能環保技術方式，比如污泥消化液可以為生物處理提供碳源、氮源等營養條件，可以提高有機物回收率，減少不必要的外源投入并避免額外的能源浪費[3]。有機廢渣是污水處理廠的重要副產物，借助有機能源降解和處理技術，依靠先進的技術和設備提高有機廢渣回收率，可以顯著增強污水處理廠的節能減排效果。有機廢氣是污水處理廠的隱形碳排放來源，亟需借助新技術和新設備控制轉化污泥厭氧發酵產生的甲烷，將甲烷用于產熱、發電，形成廠區或區域內水熱循環，可明顯提升有機能源轉化率和利用率，能夠大幅減輕溫室氣體排放。

2.2 低碳處理技術

低碳處理技術是指減少碳投入，借助反硝化、除磷型微生物作用，緊密聯系脫氮程序與除磷程序，兩者共用污水碳源，進而起到低碳減排的目的。需要注意反硝化會產生一定量的甲烷，需采用上文提到的節能技術將甲烷用于再生產，可實現能源利用的動態化平衡。在脫氮除磷—甲烷協同利用的能源動態循環過程中，可加快反硝化除磷微生物的繁殖速度，與高校科研院所合作開發研究新型脫氮除磷微生物，并積極開展效果評價與溫室氣體排放監測工作，最大限度滿足污水處理廠低碳運行要求。不斷優化并引進新型處理技術設備是保證低碳運行的重要措施，例如先進膜處理技術、菌劑再生與循環技術、光催化高級氧化技術等方法和設備，依靠高效的污水處理技術設備來達到節能減排的目標。在污水處理過程中，合理定位曝氣裝置位置，選擇最佳構件嚴格控制壓力確保形成推流，提高氧氣輸送利用率，可減少無效碳源投入，提供能源利用效率。精準控制污水輸送過程，可進一步提高輸送泵出水量的準確性，并不斷優化出水方法和水頭高差，借助管道流出方法來實現縮減跌水高度，盡可能實現污水自流的目標。

2.3 技術升級

先進的污水處理技術，是提升污水處理廠節能環保水平的關鍵性影響因素。需要從實際的應用角度入手，逐步提升現有技術的應用水平，開展全面的能耗管理和效率管理，實現自動化污水處理。大力開發節能環保新技術，如磁分離法，可將磁性活性炭、磁性粘土礦物、磁性聚合物等高吸附性、高選擇性和高適應性磁功能材料投入水處理過程，為降解型微生物提供靶向位點，加速碳源性物質捕獲。針對微塑料、持久性有機污染物等新興污染物，設立實驗環節篩選功能材料、優化投加方法并分離特異降解菌株，采用吸附—降解—捕獲的處理理念，耦合處理易降解和難降解污染物，提高凈化效果和處理效率，可最大化滿足節能環保的要求。

3 優化污水處理單元條件

污水處理廠主要耗能階段包括預處理階段、生物處理階段和污泥處理階段，各階段的能耗比例分別占總能耗的23.5%～25.1%，62.2%～71.1%和4.07%～13.9%，可見生物處理階段是耗能關鍵階段[4]。在生物處理階段要避免過度曝氣現象，需在好氧池安裝在線溶解氧探測儀，實時監測溶解氧數據，并根據進水COD 濃度動態調整曝氣方式，實施間歇曝氣方案，以上方案不僅明顯降低了曝氣系統的能耗，又能夠維持甚至提高好氧池污泥活性。在預處理階段設置污水調節池，用于初步沉降和均衡進水水質，調節污水水量，從而達到減少污水提升泵的裝機功率。在污泥處理階段，嘗試采用基于生物捕食和內源代謝的原位污泥減量技術，如在生化池中引入適量的蚯蚓延長系統中的生物鏈，增加物質循環和能量流動，并重點開展污泥脫水和干化技術，如用真空、射流、電滲透脫水技術、生物干化技術、熱泵干化技術和水熱干化技術等。

4 提升污水處理自動化水平

隨著機械自動化和信息技術的廣泛應用，污水處理技術也需提高自動化精細管理。如曝氣處理可占污水處理流程用電成本的50%，采用基于模型算法的智能曝氣控制系統可減少能耗約15%。增加智能化監測系統，例如在對回流污泥量采用MLSS 調節控制，可以保證曝氣槽內溶解氧濃度與目標值一致。采用入流廢水量與比值作為回流污泥控制值，將定時器與順序控制相結合調整回流污泥量。單獨安裝和集成全自動控制系統，維護和升級控制器、智能變送器及其精確測量組件，調整機構和執行機構，確保全自動控制系統正常穩定工作。

5 結語

城市化進程的加快、人口的快速增長，帶來了嚴重的污水處理問題。在對污水處理的過程中造成了較大的資源和能耗的浪費，需要不斷研究污水處理的節能低碳技術和自動智能優化控制方法，推進污水處理技術和工藝的創新和完善，在降低能耗的基礎上，把污水處理的問題解決好，提高污水的處理效率。