城市污水處理系統(tǒng)碳排放研究

文_茍少康 新疆聯(lián)潤環(huán)境工程有限公司

2021年10月，《國務(wù)院關(guān)于印發(fā)2030年前碳達(dá)峰行動方案的通知》指出，要將碳達(dá)峰貫穿于經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展全過程，重點(diǎn)開展節(jié)能降碳活動，要求我國重點(diǎn)行業(yè)能源利用效率得到大幅提升，二氧化碳排放比2005年下降65%以上。因此我國各重點(diǎn)行業(yè)的碳排放工作進(jìn)程亟需加快，向可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)快速邁進(jìn)，以此緩解生態(tài)環(huán)保壓力，推動生態(tài)文明建設(shè)。本文以某城市污水處理系統(tǒng)為例，探究碳排放的實(shí)踐核算方法。

1 城市污水處理系統(tǒng)的工藝流程

某地區(qū)污水處理廠主要承擔(dān)該城市與周邊數(shù)十個城鎮(zhèn)的污水及廢水處理，年均污水處理量為32457413m3，該污水處理廠的出水指標(biāo)能夠常年穩(wěn)定達(dá)到當(dāng)?shù)厮|(zhì)指標(biāo)。該地區(qū)污水處理系統(tǒng)的工藝流程主要包括初級與一級處理、生物處理、深度處理、旁路水處理單元4種污水平行處理線。

1.1 初級與一級處理

初級與一級處理屬于機(jī)械處理，需要將污水處理廠進(jìn)水管道的污水提高到和初級與一級處理單元相對標(biāo)高的位置，處理單元主要為粗/細(xì)格柵、沉砂池和初沉池，沉砂池能夠去除污水中的砂礫和油脂，所分離出的油脂還需要經(jīng)過廢物處理廠實(shí)現(xiàn)回收利用。但在后續(xù)的污水處理線中缺少生物除磷功能，所以需要在污水經(jīng)過粗格柵后摻入硫酸亞鐵進(jìn)行除磷，與其他化學(xué)產(chǎn)品相比，硫酸亞鐵會降低處理設(shè)備對污水微生物的代謝作用。當(dāng)水進(jìn)入二沉池后還需再次添加硫酸亞鐵，可大幅度提高除磷效果，初沉池所形的沉淀污泥會與二沉池的污泥進(jìn)行混合，并排入污泥儲泥池，將污泥進(jìn)行離心脫水處理后再運(yùn)往污泥處理廠進(jìn)行厭氧消化處理，即可完成污水處理。

1.2 生物處理

生物處理線主要運(yùn)用活性污泥法的好氧處理工藝。在污水處理過程中，水流可直接進(jìn)入曝氣池獲取碳源，并基于碳源需求適當(dāng)調(diào)整污水進(jìn)入曝氣池的總量。在碳源足夠時就無需加入額外碳源進(jìn)行反硝化脫氧，污水的除氮量就可達(dá)到86%。在不考慮厭氧池的情況，在污水進(jìn)入二沉池前加入硫酸亞鐵就可達(dá)到99%的除磷率。在二沉池所沉淀的污泥會流回曝氣池，并隨其他污泥共同排出曝氣池，所排出的污泥和污水會形成混合液進(jìn)入初沉池，能有效吸附污水中的溶解物或膠狀體的有機(jī)物，并與沉淀污泥共同進(jìn)行離心干化處理，再送往污泥處理廠進(jìn)行厭氧消化處理。

1.3 深度處理

污水水流由二沉池流出后，再經(jīng)過砂濾池時會得到深層過濾，砂濾池的過濾層由0.5m石英砂和由燒焦粘土和淺礫石構(gòu)成的過濾材料組成，過濾后的水可直接排入附近河道。污水經(jīng)過砂濾池的過濾后，水中的細(xì)菌、病毒等有機(jī)污染物能夠得到有效去除，確保出水達(dá)到質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。

1.4 旁路水處理單元

在春夏季的雨水流量集中時期，污水處理廠的污水量也會增加，為污水處理系統(tǒng)帶來嚴(yán)重的運(yùn)行負(fù)荷。對此，為強(qiáng)化污水處理系統(tǒng)的承受力和抗沖擊能力，可在初沉池后增設(shè)旁路水處理單元，在污水處理系統(tǒng)難以應(yīng)對水流量負(fù)荷時，部分污水會分流至旁路水處理單元。旁路水處理單元可以運(yùn)用Actiflo水處理技術(shù)，可高效去除污水中的有機(jī)微污染物，耐沖擊負(fù)荷能力強(qiáng)，且出水水質(zhì)好，實(shí)現(xiàn)污染物的快速沉降與過濾。

2 城市污水處理系統(tǒng)的碳排放核算模型

2.1 碳排放量的核算

該污水處理廠的能耗主要來自能源消耗與能源產(chǎn)生兩個單元，其中污水處理耗能、污泥處理耗能、系統(tǒng)運(yùn)行供熱供電、燃料運(yùn)輸?shù)拳h(huán)節(jié)都會排放大量的二氧化碳，而太陽能電池板、TSE熱泵站、通風(fēng)系統(tǒng)等熱回收、沼氣廠等項(xiàng)目是污水處理廠節(jié)能減排的重要措施。該污水處理系統(tǒng)依托熱能與化學(xué)能的回收就能夠資源與能源的循環(huán)利用，但污水處理廠的運(yùn)行能耗會影響碳排放量。為明晰污水處理廠的碳排放總量，推動污水處理系統(tǒng)的低碳化，應(yīng)建立碳排放核算模型，掌握污水處理廠碳排的具體數(shù)值。城市污水處理系統(tǒng)的碳排放核算模型主要分為直接碳排和間接碳排兩部分，碳排放模型的主要核算二氧化碳、甲烷、氧化亞氮等，若污水處理廠中的化學(xué)需氧量有大量的化石碳成分，所轉(zhuǎn)化的二氧化碳是生源性的化石碳，所以不會被計(jì)入碳排放的核算中。基于此，該污水處理廠的碳排放核算應(yīng)主要圍繞甲烷和氧化亞氮。

污水處理系統(tǒng)的運(yùn)作需要消耗電能，則會隨之產(chǎn)生二氧化碳，所以應(yīng)將二氧化碳計(jì)入碳排放核算模型中。但該污水處理廠的電力生產(chǎn)主要采用清潔能源，沉淀污泥的運(yùn)輸也是厭氧消化后的沼氣，所以該廠的二氧化碳排放可直接計(jì)為零。同時，在污水或污泥的化學(xué)藥劑使用以及生產(chǎn)運(yùn)輸都會產(chǎn)生二氧化碳，應(yīng)將此部分計(jì)入模型核算中。其中污水處理系統(tǒng)運(yùn)作所產(chǎn)生的甲烷與氧化亞氮屬于直接碳排，在藥耗碳排、污泥處理和生產(chǎn)運(yùn)輸所產(chǎn)生的碳排放為間接碳排。該污水處理廠總碳排量核算數(shù)據(jù)如表1。

表1 某城市污水處理廠總碳排放量核算數(shù)據(jù)

2.2 碳減排量的評估

該城市污水處理廠的碳減排方式主要運(yùn)用了廢水余熱回收技術(shù)和厭氧消化技術(shù)，并為評估各類碳減排項(xiàng)目的碳排放效能，分別采用了TSE熱泵站供能、太陽能電池板、通風(fēng)系統(tǒng)、沼氣廠等方式。由于TSE熱泵站主要運(yùn)用廢木料和農(nóng)業(yè)副產(chǎn)物作為燃料，比煤、天然氣能源更加清潔，能夠有效代替?zhèn)鹘y(tǒng)化石能源和生物能源，大幅度減少碳排放總量，并能增加該地區(qū)的總供熱量。太陽能電池板主要運(yùn)用具有清潔性、可再生性的太陽能，將太陽輻射通過光電效應(yīng)即可實(shí)現(xiàn)電能轉(zhuǎn)換，為污水處理系統(tǒng)的運(yùn)行提供能源，但太陽能電池板生產(chǎn)過程中會產(chǎn)生大量污染物，且發(fā)電成本高，所照射的能量分布密度小，需要占用巨大空間，所以太陽能電池板并不適用于污水處理廠的碳減排。通風(fēng)系統(tǒng)等熱回收是對室內(nèi)外空氣進(jìn)入和預(yù)排空氣的集中管理，回收室內(nèi)廢氣的蓄含熱量，運(yùn)用所回收的熱量進(jìn)行回收和預(yù)熱處理，以此實(shí)現(xiàn)熱能傳遞和熱能的循環(huán)利用，有效降低碳排放，但與TSE熱泵站相比，所產(chǎn)生的碳減排效能相對較低。污水處理廠的碳排還可運(yùn)用沼氣替代化石能源，將廢水轉(zhuǎn)化為可再生能源，并能夠產(chǎn)生大量碳匯，具有較為理想的碳減排效能。該污水處理廠運(yùn)用各類碳減排項(xiàng)目所產(chǎn)生的凈產(chǎn)能和碳減排量如表2。

表2 某城市污水處理廠總碳減排量的評估數(shù)據(jù)

2.3 碳中和效果

通過對碳排放量的核算與各類碳減排項(xiàng)目的評估，能夠清晰明確污水處理系統(tǒng)可應(yīng)用的碳減排方式以及其碳排放效能，通過構(gòu)建碳排放核算模型即可計(jì)算出該污水處理廠的碳減排量高于碳排放量，真正實(shí)現(xiàn)了碳中和，將核算數(shù)據(jù)和評估數(shù)據(jù)進(jìn)行合并即可得到該污水處理廠的碳排放總量與碳中和率。并且，根據(jù)該污水處理廠的碳排放核算模型可知，碳中和的實(shí)現(xiàn)主要源于采取了高效的碳減排項(xiàng)目，并非依托污水處理系統(tǒng)中的循環(huán)回收，且該污水處理廠的碳減排核算能夠表明TSE熱泵站是最為理想的碳減排方式，通過回收污水中大量的余溫?zé)崮艽龠M(jìn)了污水處理的低碳化。該污水處理廠的總碳排量和總碳減排量的核算匯總數(shù)據(jù)如表3。

表3 某城市污水處理廠碳排放核算模型匯總

3 結(jié)語

污水處理行業(yè)作為能夠降低全領(lǐng)域能源消耗碳中和壓力的重要環(huán)節(jié)，應(yīng)積極開展低碳工藝轉(zhuǎn)型，運(yùn)用高效的碳減排技術(shù)項(xiàng)目，降低污水處理全鏈條的碳排放量，以此提高污水處理的碳中和率。本文以某城市污水處理廠為例，通過構(gòu)建污水處理廠的碳排放核算模型，可得知若想真正實(shí)現(xiàn)碳中和，就需要通過回收污水中的大量余溫?zé)崮埽刹捎肨SE熱泵站技術(shù)，以此推動污水處理系統(tǒng)的碳負(fù)排放。