“雙碳”背景下污水廠的低碳設計分析

李慶桂

[上海市政工程設計研究總院（集團）有限公司，上海市200092]

0 引言

2020 年9 月22日，習近平總書記在第七十五屆聯合國大會一般性辯論上鄭重宣布：“中國將提高國家自主貢獻力度，采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力爭于2030 年前達到峰值，努力爭取2060 年前實現碳中和[1]?！边@是中國應對全球氣候問題作出的莊嚴承諾。

目前，歐盟、美國和日本均已實現碳達峰，其實現碳中和的時間均為2050 年。從碳達峰到碳中和，歐盟間隔約70 a，美國和日本間隔約40 a，但我國僅有30 a 時間，任務艱巨。“雙碳”目標的提出，為各行業未來的發展指明了新的方向。城鎮污水處理廠是污染減排的主要承擔者，同時也是碳排放大戶?？傮w上，污水處理行業碳排放量占全社會總排放量的1%～2%[2]。因此在“雙碳”背景下，如何進一步降低城鎮污水處理廠碳排放量是全體排水工作者孜孜以求的目標。

目前，我國城鎮污水處理廠的低碳化之路剛剛起步，國家各部門也陸續出臺了一系列引導政策。2021 年2月，《國務院關于加快建立健全綠色低碳循環發展經濟體系的指導意見》（國發〔2021〕4 號）發布，要求加快建設污泥無害化資源化處置設施，因地制宜地布局污水資源化利用設施[3]。2021 年6月，國家發展改革委、住房城鄉建設部聯合印發《“十四五”城鎮污水處理及資源化利用發展規劃》（發改環資〔2021〕827 號），要求加快形成布局合理、系統協調、安全高效、節能低碳的城鎮污水收集處理及資源化利用新格局[4]。

污水處理廠碳排放包含直接排放和間接排放[2]，其中間接排放主要是生產過程中的電力、藥劑等消耗。優化工藝和清潔生產是低碳的首要控制因素，通過選擇先進的處理工藝和設備，可從源頭控制能量的消耗，加強資源的回收和綜合利用，減少碳排放，實現可持續發展的目標。本文將從清潔能源的利用、工藝設計、設備選型、智能控制等方面對城鎮污水處理廠低碳設計展開詳細論述。

1 清潔能源的利用

采用綠色可再生能源替代傳統能源是促進碳減排的有效手段，綜合利用太陽能、污水中的熱能等清潔能源，作為對電能的補充，減少對傳統能源的依賴是減少人類對環境負面影響，是實現“雙碳”目標的重要舉措。

1.1 太陽能的利用

我國太陽能資源較為豐富，城鎮污水處理廠占地面積較大，空間開闊，為太陽能的利用提供了有利條件。隨著除臭要求的逐步提高，目前大多數城鎮污水處理廠內構筑物如沉砂池、初沉沉、生物反應池等，池上均進行了加蓋，池上有大量空間可利用，適合布置光伏發電設施；對于無除臭要求的構筑物，如二沉池、高效沉淀池、氣水反沖洗濾池等，也可在頂部布置太陽能板，既能實現能源利用，又可起到遮光作用，防止池內藻類滋生。目前，該技術在安徽王小郢污水處理廠、武漢北湖污水處理廠等工程中得到了應用，節能減排效果顯著。

目前，技術成熟且應用較多的光伏組件包括薄膜、單晶硅和多晶硅。薄膜光伏組件多附著于建筑物表面，其柔性好，但光電效率比晶體硅低，因此城鎮污水處理廠內光伏發電不推薦薄膜組件。晶體硅光伏組件以絕對優勢占據著光伏組件市場，主要是由于地球上硅原材料貯量豐富，晶體結構穩定，硅半導體器件工藝成熟，對環境的影響很小，而且有希望進一步提高光電效率以降低生產成本。晶體硅光伏組件中多晶硅組件以其成熟度較高，效率穩定，價格相對較低等優點在國內外相關工程得到了較大規模的應用。

1.2 污水源熱泵

污水源熱泵的主要工作原理是借助污水源熱泵壓縮機系統，在冬季把存于水中的低位熱能“提取”出來為用戶供熱，夏季則把室內的熱量“提取”出來，釋放到水中，從而降低室溫，達到制冷的效果[5]。水源熱泵系統負責為廠區綜合樓、鼓風機房、變電所等建筑物提供冷風或熱風，保持人體的舒適感和部分設備設施的正常運行溫度。

系統采用閉式污水源熱泵系統，分為污水側開式子系統、中介水閉式循環子系統和末端循環水子系統三個子系統，水源取自處理后的廠區尾水，尾水先將熱量或冷量傳遞給中介水，中介水再進入熱泵機組進行冷熱量轉換。設計時先根據建筑面積進行冷熱負荷的計算，然后根據負荷分別計算得到冬季和夏季的最大小時取水量，最后根據計算結果選取對應的設備。目前，該技術在上海嘉定南翔污水處理廠、北京高碑店再生水廠等工程中得到了應用。

上海嘉定南翔污水處理廠水源熱泵系統為廠區綜合樓和科普館等建筑物提供冷風或熱風，服務總建筑面積約9 975 m2，熱負荷總計637.5 kW，冬季最大小時取水流量為66 m3/h；冷負荷總計1 167.1 kW，夏季最大小時取水流量為360 m3/h。通過水源熱泵技術，年可回收熱量9 355 GJ，年標煤減少254.13 t，可達到年碳減排量約666 t 的CO2。

2 工藝設計

（1）選擇低碳處理工藝

隨著國家對環保事業的重視程度不斷提升，污水處理廠的出水標準也在逐步提高。傳統工藝在將污水處理達標的同時，碳排放量也隨之增加，因此要實現低碳處理，需要重新梳理和評估處理工藝。在“雙碳”背景下，污水處理工藝未來發展方向需從“以能消能”轉變為能源利用、資源回收和低碳和諧。未來低碳處理工藝方向是碳氮兩段法，即首先對污水中的有機物進行分離，分離出的污泥通過厭氧消化產生沼氣，或對污水直接進行厭氧處理產能，分離后含有氨氮的污水通過主流厭氧氨氧化進行脫氮。

目前，高效沉淀池在市政污水深度處理中得到廣泛應用，但其存在加藥量較大等問題。隨著出水TP 要求逐步提高，需要投加的混凝劑量將會大幅增加。在“雙碳”背景下，未來具有加藥量少，除磷效果優的氣浮工藝將會得到進一步推廣應用。

選用先進成熟的除臭工藝，根據各工序不同的臭氣性質和處理目標要求優化除臭工藝組合方案，在滿足除臭效果的前提下盡可能采用低凈空加罩方式，減少除臭風量。

（2）減少提升能耗

構筑物非對稱布置時，存在為滿足流程最長的處理線而使流程短的處理線大量跌水的問題，不利于節能。因此，構筑物布置時建議采用同程布置法，利用超高通過堰板調節構筑物的水位，從而使不同處理線上構筑物間總水頭損失相同，節省提升水頭達到節能目的。大型城鎮污水處理廠設計盡量采用大型渠道配水，優化水力計算，節省配水及管道水頭損失，節省提升能耗。

（3）提高污水回用率

污水再生利用對每個城市而言都是巨大的穩定水源，在確保安全的前提下，污水的再生利用，意味著降低了能耗、節省了藥耗，既可減少污染物的排放，又可減少碳的排放。在“雙碳”背景下，建議提高污水回用率，減少碳排放。針對除臭用水、建構筑物沖洗用水、廠區道路綠化澆灑、車輛沖洗等對水質要求不高的用水點，可采用廠區尾水直接回用。針對混凝劑溶解稀釋用水等對水質要求稍高的溶藥用水，可將尾水進一步處理后回用。為促進城市資源節約型、環境友好型社會的建設，根據區域的用水情況，處理后的再生水可作為周邊小區生活雜用水。

3 設備選型

高效低耗設備的選用是節能的重要措施，通過優選先進設備淘汰替換落后低效設備，可以大幅降低單位工程的能耗指標，相比設備增加的投資，節能效益顯著。

（1）機械設備

目前，絕大多數污水處理廠采用鼓風曝氣工藝，而鼓風機是此工藝中最為關鍵的設備，鼓風機的能耗有時可占城鎮污水處理廠的總能耗的60%左右，風機選擇正確與否與投資大小和運行管理費用密切相關。建議選用國內外效率高、能耗低的鼓風機，電動機選擇時應避免“大馬拉小車”現象。當流量在90%～100%范圍內變化時，可以通過風門、閥門、閥門開度等調節，超出該范圍時可采用調速裝置進行節能。曝氣器建議選用低阻力的剛玉曝氣器，減少曝氣能耗。水泵選型時確保經常工作點位于高效區，采用“變頻水泵和普通水泵”組合的方案，水泵可根據集水井內液位高度自動調整變頻水泵運轉頻率，避免小流量頻繁啟動，達到節能的目的。

（2）除臭設備

藥劑洗滌裝置建議選用高效填料塔，并設置進氣量和噴淋藥劑的連鎖調節，減少藥劑投加量；生物濾池進氣加濕和噴淋采用一體化設計，縮短管道線路，減少動力消耗，噴淋水進行循環利用；土壤濾池噴淋水采用高效噴淋器，并自動控制。

（3）電氣設備

合理選擇變電所的位置，使其深入負荷中心，合理選擇電纜截面，減少配電干線電纜長度，減少損耗。合理選用變壓器，在保證供電可靠性的同時，使其長期負載運行在高效區，降低損耗[6]。采用新型無功補償裝置，提高功率因數，減少電力網無功損耗。廠區路燈采用綠色能源-光伏發電供電，各建筑物室內照明選用高效節能燈具，采用感光控制及智能控制照明時間，以節約電耗。地下廠建議采用智能照明系統，根據不同運維模式自動控制。

（4）暖通設備

選用空調機組時，選擇其額定工況下性能系數滿足節能規范的產品，并考慮在實際運行工況和部分負荷時段內的綜合性能系數。空調通風系統中的各類設備建議選用效率高、能耗小的產品，空調機組的風機單位風量耗功率≤0.48 W/（m3·h），普通機械通風系統的單位風量耗功率≤0.27 W/（m3·h）。

4 智能控制

（1）采用智能生物控制系統對內外回流比進行優化

普通城鎮污水處理廠內外回流比相對恒定且按最不利條件設計，當污泥沉降性能良好，回流濃度高或反硝化速率高，出水NO3-N 很低的情況下，大回流比不僅沒有必要且耗能浪費。采用智能生物控制系統可根據實際水質條件和運行情況，自動給出最佳工況點的各項控制參數，配合變頻回流泵可實現能耗和運行狀態的最優化，節電效益顯著。

（2）采用智能加藥系統對加藥量進行優化

污水處理工藝多樣，在處理環節需要投加碳源和多種化學藥劑，不可避免會產生碳排放。優化加藥環節，有助于減少碳排放。智能加藥系統是一套獨立的應對城鎮污水處理廠出水總磷達標優化的控制系統，其目的就是將城鎮污水處理廠化學除磷工藝段做到“按需加藥”，該系統自動根據進水總磷的負荷對于城鎮污水處理廠所采用的前端/ 中端/ 后端化學加藥除磷工藝中投加的PAC 進行全自動的計算與控制，確保出水總磷的達標率以及優化加藥量，以降低藥劑的用量，從而減少碳排放。

（3）采用智能曝氣控制系統對曝氣量進行優化

智能曝氣控制系統是一個集成軟件和硬件的智能化系統，其主旨功能是針對城鎮污水處理廠的污染負荷和工藝運行狀況的變化，實時跟蹤和評估各個曝氣控制區的曝氣量需求，自動控制鼓風機和空氣調節閥，按需調節和分配曝氣量，穩定精確控制好氧區的溶解氧的同時，實現活性污泥系統的高效穩定運行，從而降低鼓風機的電耗以及藥劑的投加量，實現污水處理廠的運行管理的精細化，從高效邁向卓越。

為響應國家“碳中和、碳達峰”要求，建設低碳型現代化污水處理廠，可在生物反應池應用智能曝氣控制系統。應用智能曝氣控制系統后，在單臺風機穩定運行在60%以上風量時，系統可實現以下效果：

（1）生物池好氧區溶解氧的實際測量值，其90%以上的波動范圍可穩定控制在目標設定值±0.5 mg/L以內。

（2）應對污水處理廠的實際運行和新型污水處理技術的對生物池好氧區的溶解氧控制值需求，當生物池溶解氧的低至設定值0.3～0.5 mg/L時，仍能實現穩定精確控制。

（3）通過曝氣就地控制系統和鼓風機優化控制系統，根據進水負荷變化自動調整和分配風量，可降低生物池鼓風曝氣系統能耗15%以上。

5 結語

（1）采用綠色可再生能源替代傳統能源是促進節能減排的有效手段，綜合利用太陽能、污水中的熱能等清潔能源，作為對電能的補充。

（2）選擇低碳處理工藝，廠內構筑物采用同程布置，節省提升能耗；提高污水回用率，廠內生產用水盡可能利用回用水，減少自來水的消耗。

（3）高效低耗設備的選用是節能的重要措施，通過優選先進設備淘汰替換落后低效設備，可以大幅降低單位工程的能耗指標，相比設備增加的投資，節能效益顯著。

（4）通過智能控制系統對內外回流比、加藥量和曝氣量進行優化，節約運行能耗。

城鎮污水處理廠是污染減排的主要承擔者，同時也是主要的碳排放大戶，因此在“雙碳”背景下城鎮污水處理廠的低碳設計顯得尤為重要。本文從清潔能源的利用、工藝設計、設備選型、智能控制等方面對城鎮污水處理廠低碳設計要點進行總結，以期為城鎮污水處理廠低碳設計提供可參考借鑒的解決方案。