碳中和愿景下污水處理碳排放減排模式研究

張 杰，李 珍，張榮兵，曹芳菲

（1.北京城市排水集團有限責任公司，北京 100044；2.國網(wǎng)北京市電力公司，北京 100031；3.清華大學，北京 100084）

0 引言

碳中和（Carbon neutrality）是指組織或個人在一定時間內(nèi)直接或間接產(chǎn)生的二氧化碳通過植樹造林、節(jié)能減排等方式全部抵消，實現(xiàn)碳的凈“零排放”。污水從能量層面上講實際上是一種資源與能源的載體，污水中含有大量的有機物，有機物本身是一種含能物質，且污水中還含有大量的植物營養(yǎng)素（氮、磷、鉀）。污水處理的實質就是通過人工的各種復雜技術手段，用消耗資源和能量的代價來分離、降解、轉化污水中有機污染物的復雜過程。換言之，污水處理是一種消耗能源的碳排放過程，一種從水污染向大氣污染的轉變過程。因此，污水處理廠中排放的碳要中和，首先要搞清楚“處理污水所消耗的能量”（A）與“污水中含有的可回收能量”（B）之間的等式關系。然后想辦法讓B 盡可能的多，A 盡可能的少，就可以實現(xiàn)碳中和甚至盈余。

1 污水處理主流技術碳中和可用能量來源分析

1.1 改善管網(wǎng)輸送體系

提到污水中的能量，往往首先想到的就是污水中的有機物（COD），要做到的就是盡量多的回收污水中的這部分有機物。從理論上講，生活污水中所含的有機物能量可達污水處理消耗能量的9～10 倍，污泥厭氧消化回收污水中有機物能量的多少完全取決于進水中的有機物濃度，即進水COD 濃度越高，可回收的有機物能量潛力便越大。在城市污水處理系統(tǒng)中，污水的收集和輸送涉及大規(guī)模管網(wǎng)鋪設和長距離輸送，管網(wǎng)漏損、堵塞、覆蓋率不高是造成我國污水進水碳源不高的主要原因。北京市目前已建成中心城區(qū)1 萬多公里的地下排水管網(wǎng)，雨污水泵站109 座，充分發(fā)揮廠網(wǎng)一體化運營管理優(yōu)勢，實現(xiàn)了污水平均進水COD 濃度水平（483 mg/L），逐步接近歐洲平均水平（600 mg/L）。通過大力提高排水管網(wǎng)輸水性能和覆蓋率，實現(xiàn)污水100%收集，同時進行雨污分流改造，提高污水處理廠進水碳氮比，如此就能解決污水進水碳源不足問題。

1.2 優(yōu)化藥劑投加環(huán)節(jié)

污水處理工藝多種多樣，究其本質是通過生化反應來去除污水中的污染物。因此，在生化處理環(huán)節(jié)需要投加碳源和多種化學藥劑。這些原材料在其生產(chǎn)和運輸過程中消耗能源，在投加過程中也消耗一定能源。因此，優(yōu)化藥劑投加環(huán)節(jié)，有助于節(jié)能降耗減少碳排放。目前，解決措施主要是對加藥系統(tǒng)進行配置升級。例如在曝氣池末端出水投加的PAC 除磷藥劑，由常用的變頻計量泵升級為數(shù)字泵，通過監(jiān)測曝氣池出水正磷酸鹽濃度對PAC 藥劑進行精確投加，加藥量有不同程度的降低。該技術可以同時應用到污水處理廠的其他藥劑投加段，一段時間后對于藥耗成本的降低較為可觀。北京市東壩再生水廠采用超磁工藝實現(xiàn)磷回收和碳源回用，基本省去了巨額的藥劑費用。另外，還可以引入運用AI 技術對污水水量、水質等參數(shù)和加藥系統(tǒng)運行數(shù)據(jù)等進行大數(shù)據(jù)分析，形成最優(yōu)算法模型在現(xiàn)場予以實施，從而實現(xiàn)加藥系統(tǒng)精細化控制，也能有效降低藥品消耗以及設備運行能耗。

1.3 升級改造曝氣系統(tǒng)

污水處理工藝中的曝氣系統(tǒng)主要是通過大功率單級離心式鼓風機為污泥中的微生物提供所需的溶解氧，保持微生物的生命活力以消耗污泥中更多的有機物含量。有數(shù)據(jù)表明，我國污水處理廠單噸水電耗一般在0.15～0.28 kW·h。其中，曝氣鼓風機的電耗所占比例為56.2%。雖然不同的處理工藝能耗有所不同，但曝氣系統(tǒng)總體能耗占比最大。因此，污水處理廠節(jié)能降耗的關鍵點在于升級改造曝氣系統(tǒng)降低單噸水電耗。要達到節(jié)能目的的核心是精準掌控微生物的活動過程，防止過度曝氣增加電耗和設備損耗，也要防止曝氣不足導致微生物死亡的情況，這就對曝氣系統(tǒng)的智能化、數(shù)字化控制提出了很高的要求。目前國內(nèi)一些再生水廠已經(jīng)圍繞該思路進行了部分升級改造，例如通過計算每日處理水量所需要消耗的溶解氧對應的曝氣總管壓力值，在自控系統(tǒng)內(nèi)進行設定并實時監(jiān)測實際壓力值，鼓風機的啟停與負荷就會在曝氣總管壓力值的控制下進行自動調(diào)節(jié)。同時在進入曝氣池的各曝氣支管出口前加裝可精確控制開度的奧碼頭，根據(jù)現(xiàn)場溶解氧儀表的實際監(jiān)測示數(shù)進行開度調(diào)節(jié)，從而達到精確曝氣實現(xiàn)降低電耗的目的。國外也有類似的技術嘗試，捷克的VFL 工藝正是通過ORP 控制實施間歇式精準曝氣，使單噸水電耗較傳統(tǒng)工藝得到大幅降低。另外，曝氣的方式也在很大程度上影響電耗。丹麥哥本哈根的BIOFOS 水務將其管理的污水處理廠由表面曝氣升級為微孔曝氣，使曝氣電耗降低約57%。

1.4 采用能耗更低的處理工藝

目前，污水處理行業(yè)中采用的低能耗生物工藝主要集中在污泥處理階段，主要包括厭氧氨氧化工藝、好氧顆粒污泥工藝等。厭氧氨氧化工藝主要建設在具有板框壓縮脫水能力的污水處理廠，主要作用是處理板框機壓榨泥餅后產(chǎn)生的濾液。厭氧氨氧化（Anammox）是厭氧氨氧化菌（An AOB）在缺氧或厭氧環(huán)境下，以HCO3-（IC）為碳源，以NH4+（-N）為電子供體，以NO2-（-N）為電子受體生成N2，從而完成脫氮過程。為保證厭氧氨氧化（Anammox）反應的順利進行，往往將厭氧氨氧化（Anammox）工藝與短程硝化工藝組合為短程硝化-厭氧氨氧化（Sharon-Anammox）工藝，與傳統(tǒng)脫氮工藝相比，該工藝僅需將部分NH4+（-N）氧化為NO2-（-N），節(jié)省了剩余NH4+（-N）的進一步氧化需氧量以及NO2-（-N）轉化為NO3-（-N）的深度氧化需氧量，從而可節(jié)約大量因曝氣產(chǎn)生的電耗。同時該工藝以IC 為碳源，無需額外投加有機碳源，可以大幅度降低脫氮成本。此外，該工藝流程的出水會進入廠前區(qū)總進水，對于后續(xù)污水處理區(qū)域的生產(chǎn)壓力有大幅降低，一定意義上也降低了單噸水處理成本。

前端污水處理技術——反硝化除磷，一種具有兼性的厭氧反硝化除磷細菌，能夠在厭氧的條件下對磷進行吸收。反硝化除磷菌以硝酸鹽作為電子受體，在反硝化的同時完成吸磷的作用，反硝化除磷工藝就是運用這一原理來實現(xiàn)的，將反硝化與除磷合二為一，同時實現(xiàn)脫氮除磷的目的。從除磷的過程來看，是將反硝化與除磷這兩個不同的生物過程利用同一個細菌在同一過程中完成。其中聚羥基脂肪酸酯不僅是反硝化除磷菌的碳源，也是能量儲存物質，具有雙重的效果?？梢哉f該種除磷原理既可以達到除磷的目的，還能夠節(jié)省碳源，屬于一種可持續(xù)的生活污水除磷技術。

1.5 提高熱電聯(lián)產(chǎn)回收能力

要提高污泥中的能量回收率就必須極力改善污泥消化處理工藝，在進水有機物充足的情況下，最大程度的開發(fā)污泥中有機物能量。國外的一些城市在污水處理碳中和上做出了各種嘗試，采用了柵渣沖洗壓榨機（Screening washing press），為了更徹底地將格柵截留的這部分碳源導流到消化池，還將鐵鹽（FeCl3）添加至污泥脫水工藝中并對其效果進行測試，目的是為了減少殘留污泥量和鳥糞石的沉淀。此外，他們也在探索在初沉池對新聚合物的添加進行測試。總之，想盡各種辦法將進水中的碳源盡可能多的送入消化池。在國內(nèi)的污泥處置領域，北京小紅門和高碑店污泥處理中心采用熱水解+厭氧消化工藝的成功運行，通過污泥熱壓水解技術（THP）在高溫高壓下裂解污泥中有機物的細胞結構從而提高污泥產(chǎn)氣率，除滿足熱水解能量平衡的需要外還有余量，這部分余量經(jīng)過干式脫硫后可以通過沼氣發(fā)電機轉化為電能或通過沼氣拖動鼓風機直接為污水處理生化反應段提供曝氣，減少大功率電力拖動單級離心式鼓風機的運行時間，降低電耗和設備損耗。在具備單獨供暖條件的水廠冬季時還可以通過熱水鍋爐為廠區(qū)提供供暖，減少辦公區(qū)域和生產(chǎn)車間的空調(diào)使用，熱電聯(lián)產(chǎn)余熱最大限度的被回收。這充分表明，污泥高級厭氧消化技術已經(jīng)比較可靠、穩(wěn)定，既為國內(nèi)污泥處理探索出了新思路，同時也為實現(xiàn)碳中和提供了有力支撐。

1.6 加大自產(chǎn)清潔能源力度

對于污水處理廠來說，得天獨厚的廠區(qū)面積是大力建設光伏項目的有利因素，獨特的工藝建筑結構使得各處理單元的頂部均可用于光伏板的安裝，生物處理池及初沉池、二沉池等單元具有龐大的表面面積，可以為太陽能光伏發(fā)電創(chuàng)造必要的場地條件。安裝光伏組件后不僅可以實現(xiàn)太陽能發(fā)電并入電網(wǎng)供水廠使用，還能在冬季利用光伏板來覆蓋這些處理單元，實現(xiàn)對生物處理的保溫作用和臭氣收集。

污水處理廠所處理的污水中存在著一直以來被人們忽視的能量，即熱能。有關數(shù)據(jù)表明，污水中的熱能儲量遠高于污水中的化學能（有機物能量），實際可回收的熱能為化學能的9 倍。為更直觀的體現(xiàn)污水中熱能回收的巨大潛力，在此也基于某污水處理廠對可回收的熱能進行了計算。北京地區(qū)污水處理廠二級出水在6～9 月的平均水溫為23.4～26.5 ℃，比同時期平均氣溫低約4～5 ℃；二級出水水溫在供暖季（11 月至次年3 月）平均在12.9～20.7 ℃，比同時期平均氣溫高10～20 ℃；這一條件均能滿足GB/T 19409—2003《水源熱泵機組》要求。因此，通過污水源熱泵所產(chǎn)生的冷、熱源可以直接為廠區(qū)提供制冷和供暖，余量可以輸出廠外供其他商業(yè)或民用用戶使用，以“碳交易”的方式實現(xiàn)“碳中和”。

2 碳中和愿景下的發(fā)展方向

污水處理廠未來的發(fā)展方向是聚焦建設智慧化、無害化、資源化的未來水廠，其中包括一個中心（可持續(xù)）兩個基本點（碳回收與磷回收）。從之前的探索經(jīng)驗來看，實現(xiàn)碳中和甚至能量盈余均非某個單點的突破，甚至不是依靠前沿的工藝技術，而是需要全流程的系統(tǒng)優(yōu)化；也不是僅僅通過一系列的升級改造，而是需要從工藝和設備等各方面挖掘潛能，提高能量回收效率，降低能耗，這并不是哪個單項的技術突破所能帶來的成果。未來要做的不是將污水處理廠改造為單一的營養(yǎng)物、能源或再生水廠，而是要盡可能多的發(fā)掘污水資源潛力，在同一污水處理廠內(nèi)實現(xiàn)營養(yǎng)物、能源和再生水三位一體的生產(chǎn)廠。

3 結語

實現(xiàn)碳中和是一項長期持續(xù)的系統(tǒng)性工程，不能只等待前沿技術的出現(xiàn)，也不能單靠科技研發(fā)的突破，需要共同努力、持續(xù)探索節(jié)能降耗的途徑，制造與供應鏈更貼合、性能更優(yōu)異的設備，總結成功的技術經(jīng)驗，創(chuàng)新高效的生產(chǎn)模式。2021 年3 月召開的中央財經(jīng)委員會第九次會議上，將碳達峰、碳中和工作在國家經(jīng)濟社會中的定位進行了說明，明確把碳達峰、碳中和納入生態(tài)文明建設整體布局中。因此，實現(xiàn)污水處理的碳中和要跳出行業(yè)圈子，站在生態(tài)文明建設、城鄉(xiāng)融合發(fā)展、污水資源化、能量自給、環(huán)境友好等更多層面去綜合考量。碳中和下的水環(huán)境治理是一個多層面整體規(guī)劃、綜合考量、系統(tǒng)性解決問題的過程，這不單是行業(yè)技術和理念的更新，更是整個社會思想和認知的革命，要有堅定的信心和決心為我國污水處理行業(yè)的碳中和戰(zhàn)略做出積極貢獻。