楊 慶， 王亞鑫， 曹效鑫, 劉秀紅， 章世勇

(1.北京工業(yè)大學(xué)環(huán)境與能源工程學(xué)院， 北京 100124； 2.貴州筑信水務(wù)環(huán)境產(chǎn)業(yè)有限公司， 貴陽(yáng) 550000;3.北京工業(yè)大學(xué)城市建設(shè)學(xué)部， 北京 100124)

幾個(gè)世紀(jì)以來(lái)，隨著工業(yè)生產(chǎn)的急劇發(fā)展和人類生活質(zhì)量的快速提高，溫室效應(yīng)問題愈發(fā)突出，引發(fā)了全球氣候變暖、海平面上升、惡劣天氣頻出等一系列生態(tài)環(huán)境問題，降低碳排放量，減緩全球氣候變暖，已成為 21世紀(jì)世界各國(guó)的共識(shí)[1]. 為應(yīng)對(duì)和緩解日益突出的極端氣候問題，“碳中和”這一低碳運(yùn)行理念應(yīng)運(yùn)而生. 碳中和是指企業(yè)、團(tuán)體或個(gè)人在一定時(shí)間內(nèi)直接或間接產(chǎn)生的溫室氣體(greenhouse gas,GHG)排放總量，通過(guò)植樹造林、節(jié)能減排等形式將這些排放量抵消掉，使二氧化碳(CO2)在排放和吸收之間達(dá)成長(zhǎng)期平衡[2]，最終達(dá)到生態(tài)文明的目的.

污水處理行業(yè)是我國(guó)的耗能大戶，2020年全行業(yè)耗電約184億kW·h，且在社會(huì)總能耗中的比例逐年提高[3]. 目前我國(guó)城市污水處理主流工藝主要采用生化處理方式，在處理過(guò)程中會(huì)消耗大量能源和化學(xué)藥劑來(lái)實(shí)現(xiàn)水質(zhì)凈化，且會(huì)產(chǎn)生大量的CO2、氧化亞氮(N2O)、甲烷(CH4)等溫室氣體，是公認(rèn)的溫室氣體釋放源之一[4]，從某種程度講這是一種“以能消能”“污染轉(zhuǎn)移”“以能耗換水質(zhì)”的非綠色手段[5]. 與此同時(shí)，污水中有機(jī)污染物所蘊(yùn)藏的大量有機(jī)化學(xué)能(1.5～1.9 kW·h/m3[6])幾乎未被有效利用，這就需要不斷開發(fā)和利用污水/污泥中蘊(yùn)藏的潛在能源，亦要研發(fā)與應(yīng)用具有“低碳”潛能的污水處理工藝和技術(shù). 因此，本文從宏觀和微觀2個(gè)角度對(duì)目前污水廠中碳中和運(yùn)行的技術(shù)措施進(jìn)行了綜述，并介紹了國(guó)內(nèi)外污水處理廠在能源開源和節(jié)流方面的成功經(jīng)驗(yàn)，以期為碳中和運(yùn)行技術(shù)的實(shí)際工程應(yīng)用提供理論基礎(chǔ)，不斷向?qū)崿F(xiàn)碳中和的目標(biāo)邁進(jìn).

1 污水處理中碳排放及利用現(xiàn)狀

污水處理碳中和運(yùn)行的實(shí)質(zhì)就是實(shí)現(xiàn)整個(gè)污水處理過(guò)程能源的自給自足，依靠污水處理廠或污水自身的能量來(lái)彌補(bǔ)能耗[7]. 然而，傳統(tǒng)活性污泥處理過(guò)程通過(guò)曝氣設(shè)備供氧將污水中有機(jī)物(40%～50%)轉(zhuǎn)化為CO2的同時(shí)，將其余的有機(jī)物(50%～60%)通過(guò)微生物轉(zhuǎn)化為難處理的剩余污泥[8]. 換言之，該種方式在消耗大量外部能源進(jìn)行污水處理的過(guò)程中，實(shí)際上是將污染的方式從水污染轉(zhuǎn)化為空氣污染和污泥污染，同時(shí)還消耗了大量的外部能源，可謂是“以能消能”“污染轉(zhuǎn)嫁”，這顯然不符合可持續(xù)發(fā)展理念，城市污水處理廠中溫室氣體的排放情況見圖1. 污水中的COD也可以厭氧消化產(chǎn)CH4、發(fā)酵產(chǎn)氫等可持續(xù)的方式先被轉(zhuǎn)化為CH4或H2等含能載體，將其中的化學(xué)能利用之后再生成CO2. 無(wú)論采用哪種污水處理方式，CO2都是COD轉(zhuǎn)化的最終歸宿，但經(jīng)可持續(xù)途徑對(duì)外部能源的需求量大大降低，而且也間接減少了CO2的排放量.

圖1 城市污水處理廠溫室氣體的排放情況Fig.1 Emissions of greenhouse gas from municipal sewage treatment plants

此外，傳統(tǒng)的污水資源化處理也主要是針對(duì)水本身的回用，例如回用于綠化灌溉、洗滌或工業(yè)冷卻水等方面，卻忽略了污水本身含有豐富的碳資源這一問題[9]. 污水實(shí)際上是一種資源與能源的載體，據(jù)估計(jì)，COD為400～500 mg/L的城市污水潛在化學(xué)能為1.5～1.9 kW·h/m3[10]，每千克COD約能產(chǎn)生0.14×108J的代謝熱[11]，污水每升高或降低5 ℃所產(chǎn)生的熱量幾乎等于332座大型發(fā)電廠的年發(fā)電量，約為有機(jī)物代謝熱的4倍[12]. 污水中蘊(yùn)含著如此巨大的能量，如果合理利用其中部分COD的化學(xué)能甚至是熱能，并將其轉(zhuǎn)換為電能，理論上可以實(shí)現(xiàn)能耗的“自給自足”，甚至可以向廠外輸出能量(電能、熱能). 有大量的理論依據(jù)證明，未來(lái)的新型污水處理廠不應(yīng)是能源的消耗者，而應(yīng)成為能源的供應(yīng)方[6]. 然而傳統(tǒng)的污水處理工藝以耗能供氧來(lái)去除COD，使得污水中所蘊(yùn)藏的大量化學(xué)能和熱能遠(yuǎn)未被提取和利用，有悖于碳中和的發(fā)展理念. 因此，對(duì)污水處理中潛在能源進(jìn)行回收與利用有著重要的實(shí)際意義，對(duì)踐行低碳發(fā)展理念、推進(jìn)污水處理碳中和運(yùn)行有著不可估量的作用.

2 污水處理廠中碳減排的措施

針對(duì)上述污水處理中碳排放、利用現(xiàn)狀以及與碳排放的關(guān)系，應(yīng)充分利用污水中蘊(yùn)藏的潛在能源(COD)，并以可持續(xù)的方式將其轉(zhuǎn)化成CH4或H2等含能載體，將其中化學(xué)能利用后再穩(wěn)定至CO2，最終達(dá)到碳減排的目的. 在此基礎(chǔ)上，從宏觀和微觀2個(gè)角度開發(fā)污水處理廠潛能(COD、太陽(yáng)能)，并審視污水處理過(guò)程的低碳運(yùn)行策略，研發(fā)與應(yīng)用具有低碳運(yùn)行潛力的污水處理工藝與技術(shù).

2.1 宏觀角度

提升設(shè)備能效，優(yōu)化工藝運(yùn)行. 污水處理中提升泵房、鼓風(fēng)機(jī)房、內(nèi)外回流泵和污泥加熱設(shè)備是主要的耗能節(jié)點(diǎn)，其中鼓風(fēng)機(jī)電耗占污水處理廠總能耗的50%～70%[13]，因此高效鼓風(fēng)機(jī)的選擇對(duì)污水廠的節(jié)能降耗尤為重要. 有實(shí)例表明，空氣懸浮及磁懸浮等高效鼓風(fēng)機(jī)可節(jié)約30%以上的能耗[14-15]. 德國(guó)Gruneck污水處理廠通過(guò)更換高效風(fēng)機(jī)、優(yōu)化風(fēng)機(jī)性能等措施使污水廠能源自給率由64%提高至約72%，增幅達(dá)8%以上[15]. 國(guó)內(nèi)也有相關(guān)案例表明，通過(guò)對(duì)鼓風(fēng)機(jī)進(jìn)行節(jié)能改造，污水處理廠的耗電量明顯下降. 我國(guó)某市政污水廠用磁懸浮鼓風(fēng)機(jī)替代原有的羅茨鼓風(fēng)機(jī)，年節(jié)電達(dá)到 3.06×105kW·h，且兼具維護(hù)便捷、無(wú)須值守及噪聲污染小等特點(diǎn)，效益顯著[16]. 謝榮煥等[17]對(duì)某污水處理廠鼓風(fēng)機(jī)改造(羅茨風(fēng)機(jī)改造為空氣懸浮離心鼓風(fēng)機(jī))前后運(yùn)行情況進(jìn)行了分析. 結(jié)果表明，改造后風(fēng)機(jī)設(shè)備裝機(jī)功率由1 000 kW下降為900 kW，而出風(fēng)能力由536 m3/min上升為588 m3/min，節(jié)能22%，年節(jié)約電費(fèi)可達(dá)100萬(wàn)元.

一直以來(lái)，我國(guó)城市污水廠處理工藝的曝氣、回流等運(yùn)行環(huán)節(jié)一般采用固定數(shù)值運(yùn)行，造成一定的能源浪費(fèi)[11]. 因此，精細(xì)化智能控制(電耗、藥耗)對(duì)污水處理廠的節(jié)能降耗也起著至關(guān)重要的作用. 研究表明，采用德國(guó)Binder公司開發(fā)的精確曝氣控制系統(tǒng)——VACOMASS可降低25%～30%的曝氣能耗[18]. 北京排水集團(tuán)對(duì)鼓風(fēng)曝氣系統(tǒng)及藥劑投加系統(tǒng)進(jìn)行精準(zhǔn)控制，節(jié)省約10%的曝氣能耗、30%～50%藥劑投配率；每年可降低電耗1 500萬(wàn)～2 000萬(wàn)kW·h，減排CO2量9 000～12 000 t[3]. 但是精細(xì)化智能控制系統(tǒng)在實(shí)際工程運(yùn)行中仍存在一些問題，該系統(tǒng)對(duì)氣體流量計(jì)、水流量計(jì)等儀表的精度要求較高；對(duì)于精細(xì)化曝氣系統(tǒng)，若控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)后的曝氣量不能與理論需要的曝氣量一致，容易造成出水水質(zhì)不達(dá)標(biāo). 此外，該系統(tǒng)設(shè)備維護(hù)的要求也較高. 隨著使用時(shí)間的增長(zhǎng)，儀表可能會(huì)出現(xiàn)較大偏差，需要頻繁校正，因此對(duì)污水廠工作人員的技術(shù)要求較高. 綜上來(lái)看，我國(guó)污水處理廠應(yīng)根據(jù)自身運(yùn)營(yíng)情況，合理對(duì)鼓風(fēng)機(jī)等設(shè)備進(jìn)行改造，確保在對(duì)原水廠影響小、費(fèi)用低、后續(xù)節(jié)能效果明顯的情況下進(jìn)行改造.

2.2 微觀角度

2.2.1 開發(fā)污水廠潛能技術(shù)途徑

2.2.1.1 回收有機(jī)能源

隨著污水處理規(guī)模的增大，副產(chǎn)物污泥產(chǎn)生量不斷增加. 據(jù)估計(jì)，到2025年我國(guó)的污泥產(chǎn)量將突破9 000萬(wàn)t[19]. 污泥中富集了大量有機(jī)物、重金屬等污染物質(zhì)與氮、磷等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，是一種具有經(jīng)濟(jì)潛力的可持續(xù)利用資源[20]. 目前污泥主要通過(guò)焚燒發(fā)電、厭氧消化產(chǎn)甲烷及生物產(chǎn)氫等3種途徑進(jìn)行能源轉(zhuǎn)化[21].

污泥焚燒是指對(duì)污泥進(jìn)行熱處理，是最直接、有效實(shí)現(xiàn)污泥減量的方式之一[22]，且污泥直接焚燒進(jìn)行發(fā)電的能源轉(zhuǎn)化效率可達(dá)80%[21]. 目前國(guó)際上應(yīng)用較多的主要是污泥干化焚燒技術(shù)[19]，將污泥進(jìn)行干化預(yù)處理后再進(jìn)行焚燒，焚燒后的灰渣可以作為建筑材料資源化利用，且可以回收焚燒熱量，但是我國(guó)還尚未制定污泥干化焚燒的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，其臭氣、尾氣釋放、監(jiān)測(cè)及后續(xù)處理等問題急需解決. 另外，焚燒技術(shù)對(duì)設(shè)備、施工工藝要求較高，投資和能耗較大，在實(shí)際中應(yīng)用的實(shí)例并不多見. 污泥厭氧消化作為目前最簡(jiǎn)單、最有效的有機(jī)能量轉(zhuǎn)化途徑[23]，可將COD轉(zhuǎn)化為CH4，CH4燃燒熱值可高達(dá)8.4×104kJ/kg[24]，耦合熱電聯(lián)產(chǎn)技術(shù)可實(shí)現(xiàn)熱、電2種能源的回收利用. 目前污泥熱電聯(lián)產(chǎn)技術(shù)已應(yīng)用在我國(guó)多個(gè)工程項(xiàng)目上，并取得了顯著的碳減排效果. 北京小紅門再生水廠污泥處理采用厭氧消化工藝，年產(chǎn)沼氣1 300萬(wàn)～1 500萬(wàn)m3，可產(chǎn)生電能3 000萬(wàn)～3 300萬(wàn)kW·h. 高碑店等5座污泥處理中心通過(guò)逐步完善厭氧消化耦合熱電聯(lián)產(chǎn)技術(shù)，預(yù)計(jì)在2021—2022年沼氣產(chǎn)能可替代污水污泥處理全過(guò)程18%～20%的電能，每年預(yù)計(jì)可減少CO2排放約8萬(wàn)t[3]. 當(dāng)前，厭氧消化的強(qiáng)化技術(shù)也是國(guó)際上研究的熱點(diǎn)，且像熱水解預(yù)處理、混合基質(zhì)共消化、分級(jí)分相厭氧消化[25]等技術(shù)已在實(shí)際工程中規(guī)?；瘧?yīng)用. 北京高碑店及高安屯再生水廠的污泥處理均采用“污泥熱水解- 厭氧消化”技術(shù)，不僅顯著提高了污泥厭氧消化性能，還大大增加了CH4產(chǎn)量[26-27]. 鎮(zhèn)江市京口污水處理廠將污泥與餐廚垃圾等有機(jī)質(zhì)協(xié)同處理，促進(jìn)了厭氧消化系統(tǒng)的產(chǎn)氣能力，同時(shí)也減少了沼氣中H2S的含量[28]. 近年來(lái)，生物制氫也是國(guó)際關(guān)注的熱點(diǎn)研究領(lǐng)域之一. 污泥厭氧發(fā)酵制氫工藝簡(jiǎn)單，便于操作，并可減少有機(jī)廢棄物對(duì)環(huán)境的污染及對(duì)化石燃料的使用，具有效率高、能耗低、投資少等諸多優(yōu)點(diǎn)[22]，但因生物制氫完全是一種自然現(xiàn)象，產(chǎn)氫效率很低，只有理論氫轉(zhuǎn)化率的20%～30%[29]. 此外，雖然H2本身屬于一種清潔能源，但從COD中獲得H2的同時(shí)也會(huì)有CO2產(chǎn)生，并非不產(chǎn)生CO2的清潔能源. 且采用污水或污泥的厭氧發(fā)酵產(chǎn)氫研究大多停留在實(shí)驗(yàn)室小試研究，規(guī)?；瘧?yīng)用較少. 綜合分析，生物制氫途徑難以成為行之有效的污泥能量轉(zhuǎn)化的具體工程措施，因此如何實(shí)現(xiàn)污泥厭氧發(fā)酵產(chǎn)氫的工業(yè)化應(yīng)用是今后應(yīng)當(dāng)努力的方向.

然而，就污水中蘊(yùn)含的潛能而言，傳統(tǒng)剩余污泥厭氧消化雖然可以回收有機(jī)能量(CH4)[30]，但其能源轉(zhuǎn)化率較低. 據(jù)能量平衡計(jì)算可得，進(jìn)水COD為400 mg/L的市政污水在完成脫氮除磷后，產(chǎn)生的剩余污泥經(jīng)中溫厭氧消化產(chǎn)CH4后熱電聯(lián)產(chǎn)(combined heat and power,CHP)，僅有14%的理論化學(xué)能可實(shí)現(xiàn)回收[31-32]，約合0.20 kW·h/m3(污水)電當(dāng)量. 如果污水處理能耗為0.40 kW·h/m3(污水)，理論上進(jìn)水COD應(yīng)達(dá)到800 mg/L才能滿足碳中和目標(biāo). 但我國(guó)市政污水COD普遍偏低(200～400 mg/L)，若僅僅采取污水所蘊(yùn)含的化學(xué)能作為污水處理廠唯一的有機(jī)能源回收方式，僅能滿足50%甚至更低的能源自給率. 因此，要想實(shí)現(xiàn)污水處理碳中和運(yùn)行，僅僅依靠回收污水中的化學(xué)能不太現(xiàn)實(shí)，需要尋找有機(jī)能源之外的其他潛能.

2.2.1.2 回收利用污水中余溫?zé)崮?/p>

污水中亦蘊(yùn)藏著巨大的余溫?zé)崮?，約為污水中化學(xué)能的4倍[15]，占城市廢熱排放總量的15%～40%[33]. 據(jù)日本東京都下水道局計(jì)算，如果東京的污水量以500萬(wàn)m3/d計(jì)算，其年均熱能高達(dá)37億kW·h的發(fā)電量，可供40萬(wàn)戶家庭全年開設(shè)空調(diào)[34]. 污水處理廠熱能利用的主要方式是通過(guò)污水源熱泵技術(shù)提取污水中的余溫?zé)崮?，目前?guó)內(nèi)已建成多個(gè)污水源熱泵系統(tǒng)并投入使用. 污水源熱泵技術(shù)流程見圖2. 國(guó)內(nèi)外污水處理廠熱能應(yīng)用情況見表1. 污水源熱泵充分利用了污水四季溫度變化小、流量穩(wěn)定等特點(diǎn)，對(duì)低位熱能進(jìn)行回收，其貯存的大量熱能被公認(rèn)為是可開發(fā)的清潔能源[37]. 但污水中熱能屬于低品位能源，回收利用受距離的限制，熱量有效輸送半徑僅為3～5 km[33]，目前只能向污水處理廠內(nèi)或其周邊建筑、工業(yè)園區(qū)等場(chǎng)所供冷或供熱. 國(guó)內(nèi)實(shí)例研究表明，沈陽(yáng)北部污水廠周邊區(qū)域建筑冬季供暖改用污水源熱泵供暖之后，一個(gè)采暖期可以減少燃煤量7.1萬(wàn)t，SO2減排727 t，煙塵減排533 t，CO2減排14萬(wàn)t[38]. 周志平等[39]通過(guò)對(duì)長(zhǎng)沙市污水中可利用能量的計(jì)算分析，發(fā)現(xiàn)若按照利用60%的城市污水來(lái)計(jì)算，對(duì)CO2、SOx、NOx、粉塵等4種污染物的減排量很大，其中CO2的減少量最大，在制冷情況下削減量達(dá)到111 463.8 kg/d；在供熱情況下，達(dá)到287 846 kg/d. 北京排水集團(tuán)也積極推廣水源熱泵的開發(fā)與利用，在北京高碑店再生水廠、小紅門再生水廠、清河再生水廠、酒仙橋再生水廠、高安屯再生水廠、北小河再生水廠等11座再生水廠，均應(yīng)用了污水源熱泵. 在2016—2020年，上述水廠累計(jì)供熱量高達(dá)530萬(wàn)GJ，累計(jì)節(jié)約天然氣約1.6億m3，年供熱量為106萬(wàn)GJ，年節(jié)約天然氣3 180萬(wàn)m3，為集團(tuán)內(nèi)外共計(jì)160萬(wàn)m2范圍提供供暖及制冷服務(wù)[3]. 污水源熱泵技術(shù)的合理應(yīng)用能夠有效回收與利用污水中蘊(yùn)藏的巨大熱能，實(shí)現(xiàn)碳中和運(yùn)行的比例可達(dá)到487.63%，將污水處理廠由傳統(tǒng)的高耗能單位變?yōu)楣┠軉挝籟35]，對(duì)提高能源有效利用效率，實(shí)現(xiàn)污水處理廠低碳運(yùn)行具有重要的意義.

圖2 污水源熱泵技術(shù)流程圖[35]Fig.2 Technical flow chart of sewage source heat pump[35]

表1 國(guó)內(nèi)外污水處理廠熱能應(yīng)用案例

2.2.1.3 利用太陽(yáng)能及風(fēng)能等可再生能源

利用風(fēng)能、太陽(yáng)能等可再生能源發(fā)電也可提高污水處理廠的能源自給率. 因一般污水處理廠海拔較低，所以難以實(shí)現(xiàn)風(fēng)力發(fā)電. 對(duì)于具有較大占地面積的污水處理廠可利用太陽(yáng)能發(fā)電以提高能源自給率. 目前，我國(guó)采用太陽(yáng)能發(fā)電的污水處理廠仍處于探索階段，部分企業(yè)嘗試在初沉池、 曝氣池、清水池等構(gòu)筑物上方鋪設(shè)太陽(yáng)能板，在實(shí)現(xiàn)清潔發(fā)電的同時(shí)，也能除臭和保溫. 北京排水集團(tuán)在小紅門、清河、酒仙橋3座再生水廠利用太陽(yáng)能發(fā)電，年均發(fā)電量2 400萬(wàn)kW·h，可降低CO2排放約1.45萬(wàn)t. 近年間，北京排水集團(tuán)將進(jìn)一步擴(kuò)大鋪設(shè)太陽(yáng)能板范圍，預(yù)計(jì)年發(fā)電量達(dá)1 800萬(wàn)kW·h，每年可降低CO2排放約1.1萬(wàn)t[3]. 上海白龍港污水處理廠計(jì)劃在生化池上方鋪設(shè)太陽(yáng)能板，設(shè)計(jì)年均發(fā)電量約為1億kW·h，預(yù)計(jì)年均25%的總用電量可實(shí)現(xiàn)綠色能源替代[3]. 但太陽(yáng)能發(fā)電一次性投資比較大，且后期維護(hù)成本高[40]，對(duì)于建設(shè)費(fèi)用充足、運(yùn)營(yíng)水平高的污水處理廠而言，不失為一種清潔高效的能源供應(yīng)方式.

2.2.2 低碳工藝的研發(fā)與應(yīng)用

目前，單一的污水有機(jī)污染物去除處理已無(wú)法適應(yīng)現(xiàn)代化發(fā)展要求，大多數(shù)采用傳統(tǒng)活性污泥工藝的污水處理廠均以“達(dá)標(biāo)排放”向“能源和資源回收”革新轉(zhuǎn)變. 短程硝化反硝化、厭氧氨氧化、短程反硝化耦合厭氧氨氧化、反硝化除磷等具有巨大低碳運(yùn)行潛力的可持續(xù)處理工藝已成為日益盛行的污水處理工藝.

2.2.2.1 可持續(xù)脫氮技術(shù)

圖3 短程與傳統(tǒng)硝化/反硝化脫氮途徑Fig.3 Partial nitrification and traditional nitrification/ denitrification

圖4 SHARON-Anammox相結(jié)合的自養(yǎng)脫氮 工藝流程Fig.4 Process of SHARON-Anammox combined autotrophic nitrogen removal

圖5 短程反硝化耦合厭氧氨氧化與傳統(tǒng)硝化/反硝化脫氮途徑Fig.5 Partial denitrification coupled with Anammox and traditional nitrification/denitrification

表2 可持續(xù)脫氮技術(shù)比較

2.2.2.2 反硝化除磷工藝

反硝化除磷利用兼性反硝化聚磷菌(denitrifying phosphorus removing bacteria,DPB)將傳統(tǒng)意義上彼此獨(dú)立的脫氮除磷過(guò)程有機(jī)結(jié)合在一起，實(shí)現(xiàn)了同步脫氮除磷[53]. 在反硝化除磷過(guò)程中，細(xì)胞中的儲(chǔ)能物質(zhì)PHA不僅是反硝化脫氮的碳源，也是過(guò)量吸磷的碳源[54]，達(dá)到了“一碳兩用”的目的. 因此，與傳統(tǒng)的脫氮除磷方法相比(兩者對(duì)比詳見圖6)，反硝化除磷工藝可以節(jié)省約50%的COD和30%的O2[55]，相應(yīng)減少50%的剩余污泥量. 目前單污泥系統(tǒng)的代表性工藝——BCFS工藝[56]，已應(yīng)用于工程實(shí)踐當(dāng)中. 郝曉地等[57]以荷蘭某污水處理廠為例，通過(guò)數(shù)學(xué)模擬技術(shù)進(jìn)行對(duì)污水處理過(guò)程中耗能和產(chǎn)能潛力情況進(jìn)行分析，結(jié)果表明BCFS工藝中反硝化聚磷菌在同步脫氮除磷過(guò)程中能夠節(jié)約53%～59%的COD，增加CH4產(chǎn)量154%～274%，使得能量以及曝氣量等能耗相應(yīng)減少104%～119%，且降低16%～21%的CO2排放量[57]. 常飛[58]采用BCFS工藝進(jìn)行中試研究，以南京某污水處理廠初沉池出水為實(shí)驗(yàn)進(jìn)水，發(fā)現(xiàn)反硝化除磷率均在75%以上，平均達(dá)78.9%，并且在大幅度提高出水水質(zhì)的同時(shí)，也適當(dāng)?shù)亟档土颂幚砟芎? 但因硝化菌、聚磷菌、反硝化菌種共存于同一活性污泥中，不可避免地存在不同功能菌群間的生境矛盾，使得反硝化除磷效率難以大幅度提高[59].

圖6 反硝化除磷與傳統(tǒng)反硝化和除磷過(guò)程[55]Fig.6 Denitrification phosphorus removal and traditional denitrification and phosphorus removal process[55]

3 國(guó)內(nèi)外污水廠中碳中和運(yùn)行技術(shù)應(yīng)用實(shí)例

3.1 美國(guó)希博伊根(Sheboygan)污水處理廠

美國(guó)污水處理廠年能耗占社會(huì)總能耗的3%，是耗能最大的公共設(shè)施[15]. 為了實(shí)現(xiàn)污水處理能源自給自足、資源可持續(xù)利用等目標(biāo)，美國(guó)水環(huán)境研究基金(Water Environment Research Foundation,WERF)表明，至2030年美國(guó)全部污水處理廠均須實(shí)現(xiàn)碳中和運(yùn)行[64]. 美國(guó)希博伊根污水廠率先開始了碳中和運(yùn)行的實(shí)踐，通過(guò)開源和節(jié)流的雙重舉措進(jìn)行了一系列的節(jié)能改造，為其他污水處理廠提供了寶貴經(jīng)驗(yàn).

希博伊根污水廠建于1982年，最初采用傳統(tǒng)活性污泥法工藝. 后為實(shí)現(xiàn)脫氮除磷，在原有活性污泥法的基礎(chǔ)上增加了生物營(yíng)養(yǎng)物去除(biological nutrient removal,BNR)單元. 為達(dá)到污水處理可持續(xù)性和能源獨(dú)立的目標(biāo)，該水廠后來(lái)又進(jìn)行了一系列的節(jié)能降耗改造，形成了以A/O法為主流工藝，并結(jié)合剩余污泥水解- 酸化、混合基質(zhì)厭氧共消化、污泥濃縮等工藝為一體的工藝[64]，具體工藝流程見圖7.

圖7 希博伊根污水處理廠工藝流程[64]Fig.7 Process of Sheboygan wastewater treatment plant[64]

基于“威斯康辛聚焦能源”項(xiàng)目“能源零消耗”的運(yùn)行目標(biāo)和實(shí)施計(jì)劃，希博伊根污水處理廠于2002—2011年間，開展了一系列的能源回收計(jì)劃，增設(shè)12臺(tái)30 kW微型燃?xì)廨啓C(jī)和4臺(tái)熱回收處理設(shè)備，到2012年，該廠可利用熱電聯(lián)產(chǎn)技術(shù)產(chǎn)電16 800 kW·h/d、產(chǎn)熱16 120 kW·h/d，約能抵消污水廠耗電量的90%、需熱量的85%，基本上實(shí)現(xiàn)了能源自給自足[64].

此外，該污水廠自籌資金近110萬(wàn)美元，進(jìn)行了一系列節(jié)能升級(jí)改造和運(yùn)行優(yōu)化，更新了水泵、鼓風(fēng)機(jī)等機(jī)械設(shè)備，更新后分別節(jié)能20%和13%，并安裝氣流控制閥(節(jié)能17%)，更新消化池加熱設(shè)備，升級(jí)智能控制系統(tǒng)(programmable logic controller,PLC)、監(jiān)視控制和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(super visory control and data acquisition,SCADA)等，大大降低了能耗. 到2013年希博伊根污水處理廠已實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)電量與耗電量比值達(dá)90%～115%、產(chǎn)熱量與耗熱量比值達(dá)85%～90%，基本接近碳中和運(yùn)行目標(biāo). 希博伊根污水處理廠的工藝十分值得國(guó)內(nèi)污水處理廠借鑒，對(duì)于污泥的能源化處理不但可以有效緩解我國(guó)污泥處置困難的狀況，還可以緩解化石能源消耗的壓力，使得對(duì)環(huán)境的影響大大減少.

3.2 芬蘭Kakolanm?ki污水處理廠

Kakolanm?ki污水處理廠于2009年1月1日建成并投入運(yùn)行，其位于芬蘭重要工業(yè)基地圖爾庫(kù)市，該市計(jì)劃至2029年全面實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)，不斷提高可再生能源使用比例. Kakolanm?ki污水處理廠將能源利用和熱能回收有效結(jié)合，成功轉(zhuǎn)型為“能源工廠”，其能源利用方式可讓圖爾庫(kù)市的可再生能源供熱比例從22%提高至30%[65].

Kakolanm?ki污水處理廠采用傳統(tǒng)活性污泥法A/O工藝，剩余污泥隨O段排出，進(jìn)入初沉池，將初沉池作為AB法的A段，吸附部分溶解或膠體狀COD，與初沉污泥混合一并排出，通過(guò)無(wú)害化處理、堆肥、厭氧發(fā)酵等環(huán)節(jié)產(chǎn)生沼氣進(jìn)行熱電聯(lián)產(chǎn)用于該地區(qū)供暖/制冷和電力，部分處理后的污泥被加工為肥料制劑或用作土地改良劑，工藝流程見圖8. 經(jīng)核算，該廠污泥產(chǎn)沼氣加CHP過(guò)程產(chǎn)生的能量(21.9 GW·h/a)足夠滿足污泥處理加熱、攪拌及運(yùn)輸?shù)冗^(guò)程的能源消耗量(14.2 GW·h/a)，且有7.7 GW·h/a的能量盈余可以另作他用，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了資源、能源回收和污泥穩(wěn)定化、減量化的目標(biāo). 此外，Kakolanm?ki污水處理廠采用污水源熱泵技術(shù)，以該廠二級(jí)出水為熱源回收污水余溫?zé)崮?，每年的制熱輸出量高達(dá)2 000多萬(wàn)kW·h，能為當(dāng)?shù)亟?5 000戶家庭進(jìn)行供暖(占圖爾庫(kù)市供熱量的14%)，制冷輸出量為200萬(wàn)kW·h，能夠滿足圖爾庫(kù)市90%的制冷需求，每年可為該市減少8萬(wàn)t的碳排放[3].

圖8 Kakolanm?ki污水處理廠工藝流程Fig.8 Process of Kakolanm?ki wastewater treatment plant

經(jīng)測(cè)算，Kakolanm?ki污水處理廠平均耗電總量為35.23 GW·h/a，而通過(guò)熱電聯(lián)產(chǎn)和回收余溫?zé)崮艿确绞交厥漳茉吹目偭?熱能+電能)高達(dá)225.58 GW·h/a，在運(yùn)行能耗的6倍之上[65]. 其中，回收的余溫?zé)崮転楫a(chǎn)生能量的主要來(lái)源，占全部產(chǎn)能的比例高達(dá)90%，由于余溫?zé)崮艿幕厥绽茫搹S不僅實(shí)現(xiàn)了能源中和，還使得碳中和率高達(dá)333%[66]. Kakolanm?k污水處理廠的工藝十分值得國(guó)內(nèi)污水處理廠借鑒. 經(jīng)核算，北京高碑店污水處理廠的理論潛熱為Kakolanm?ki污水處理廠的8倍[66]，由此看來(lái)，國(guó)內(nèi)污水處理廠具有很大的余溫?zé)崮芑厥諠摿?，我?guó)應(yīng)充分意識(shí)到污水余溫?zé)崮芑厥绽玫闹匾?，重點(diǎn)推廣污水源熱泵技術(shù)或其他合理的熱能利用方式，并協(xié)調(diào)政府部門與其他行業(yè)的運(yùn)營(yíng)，使污水處理廠實(shí)現(xiàn)能源回收利用及碳中和運(yùn)行.

3.3 國(guó)內(nèi)污水處理廠面向碳中和的探索及初步成效

美國(guó)、芬蘭、奧地利等國(guó)家通過(guò)一系列開源和節(jié)流等措施，在能源回收、水資源再生等方面取得了一定成效，不斷出現(xiàn)碳中和成功應(yīng)用的案例，我國(guó)的污水處理廠也充分借鑒其成功經(jīng)驗(yàn)，不斷踐行國(guó)際上低碳綠色發(fā)展的先進(jìn)理念，集中應(yīng)用已經(jīng)或即將工業(yè)化的全球先進(jìn)污水處理技術(shù)，朝著資源化、能源化、低碳化的方向發(fā)展.

睢縣第三污水處理廠是中國(guó)首座按照概念廠“水質(zhì)永續(xù)、資源循環(huán)、能量回收、環(huán)境友好”4個(gè)追求建造的污水處理概念廠. 概念廠采用高溫干式厭氧發(fā)酵技術(shù)，協(xié)同處理污泥、畜禽糞便、秸稈及水草，既解決了困擾污水廠污泥處置利用問題，又幫助當(dāng)?shù)卣鉀Q了畜禽糞便的點(diǎn)源污染難題，且有效回收了有機(jī)廢棄物中的生物質(zhì)能. 產(chǎn)生的清潔能源(沼氣)可通過(guò)熱電聯(lián)產(chǎn)技術(shù)對(duì)廠區(qū)進(jìn)行供電和供熱，產(chǎn)生的電量已可滿足廠區(qū)20%～30%的能耗[67]. 雖然僅實(shí)現(xiàn)了20%～30%的碳減排，但相比我國(guó)傳統(tǒng)污水廠，已經(jīng)取得了較大突破，對(duì)國(guó)內(nèi)污水處理碳中和事業(yè)的發(fā)展也起到了推動(dòng)作用. 目前，江蘇宜興市正在興建概念廠2.0版本，預(yù)期能量自給率可達(dá)到85%[68]. 北京排水集團(tuán)也于2021年7月份發(fā)布了碳中和規(guī)劃與實(shí)施方案，計(jì)劃到2050年，實(shí)現(xiàn)近零碳排放. 并計(jì)劃從提高新能源和可再生能源的消費(fèi)量以及降低能源消耗強(qiáng)度兩方面入手，逐步實(shí)現(xiàn)新能源和可再生能源比重從2020年的6%提高到2050年的80%以上，處理每立方米污水電耗較2020年下降10%以上，逐步向國(guó)際領(lǐng)先水平邁進(jìn)[69].

4 結(jié)語(yǔ)及展望

隨著碳中和目標(biāo)的推進(jìn)，未來(lái)污水處理應(yīng)以節(jié)能降耗及能源資源回收為目標(biāo)，在污水處理過(guò)程中應(yīng)不斷開創(chuàng)和完善低碳運(yùn)行技術(shù)手段，以不斷接近碳中和的目標(biāo).

1) 在宏觀運(yùn)行層面，污水處理廠的低碳運(yùn)行可以從曝氣系統(tǒng)改造、合理回流、精準(zhǔn)適量投藥等節(jié)能措施入手，例如可采用高效節(jié)能的空氣懸浮和磁懸浮鼓風(fēng)機(jī)，精細(xì)化智能控制系統(tǒng)、水質(zhì)水量在線監(jiān)測(cè)技術(shù)，從而實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)曝氣，合理控制回流，最終降低污水處理能耗.

2) 在微觀機(jī)理層面，應(yīng)積極研發(fā)并應(yīng)用將剩余污泥轉(zhuǎn)化為能源的適用性技術(shù)以及具有“低碳”潛能的工藝，并開發(fā)像風(fēng)能、太陽(yáng)能等可再生能源. 例如，可采用短程硝化反硝化、厭氧氨氧化、短程反硝化耦合厭氧氨氧化、反硝化除磷等低碳工藝實(shí)現(xiàn)氮磷的去除，通過(guò)厭氧消化- 熱電聯(lián)產(chǎn)、污水熱源泵、太陽(yáng)能板發(fā)電等形式來(lái)開發(fā)污水潛能，從而實(shí)現(xiàn)污水廠“能源自給自足”.

3) 我國(guó)未來(lái)的污水處理廠也應(yīng)充分借鑒國(guó)內(nèi)外污水處理廠碳中和應(yīng)用成功的經(jīng)驗(yàn)，以利用污水中有機(jī)潛能和研發(fā)低碳新工藝為核心，以提高設(shè)備能效、優(yōu)化工藝運(yùn)行方式為手段，實(shí)現(xiàn)污水處理低碳運(yùn)行，直至最后達(dá)到或接近碳中和的終極目標(biāo).