呂利平，李 航，李 偉，劉繼成，董立春

（1.長江師范學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院，重慶 408100；2.重慶大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，重慶 401331；3.重慶市三峽水務(wù)渝北排水有限責(zé)任公司，重慶 401120；4.重慶水務(wù)集團(tuán)股份有限公司，重慶 400015）

全球變暖與氣候變化促使人們努力減少碳足跡〔1〕。大多數(shù)國家已開始努力減少溫室氣體的排放〔2〕。傳統(tǒng)污水處理是一個“以能耗能”、“污染轉(zhuǎn)嫁”的過程〔3〕，在當(dāng)前污水收集處理率與污染物去除率雙提升的形勢下，污水處理廠的能耗問題越發(fā)突出且日趨嚴(yán)峻〔4〕。

鑒于此，筆者根據(jù)多年的污水處理廠運(yùn)營經(jīng)驗(yàn)，提出采取污水余溫?zé)崮芾?、污泥熱電?lián)產(chǎn)、原水碳源捕集、太陽能光伏發(fā)電、低能耗污水處理工藝應(yīng)用及高能耗設(shè)備節(jié)能改造等舉措，實(shí)現(xiàn)污水處理廠由高能耗、高排放、低品質(zhì)向低能耗、低排放、可持續(xù)轉(zhuǎn)變，以期為污水處理行業(yè)碳中和的早日實(shí)現(xiàn)提供理論參考與可行案例支撐。

1 碳中和的含義

2020 年9 月，習(xí)近平主席在第七十五屆聯(lián)合國大會上鄭重提出，中國“二氧化碳排放力爭于2030年前達(dá)到峰值，努力爭取2060 年前實(shí)現(xiàn)碳中和”?！半p碳”戰(zhàn)略為全社會的碳減排目標(biāo)任務(wù)進(jìn)行了頂層設(shè)計，而污水處理廠作為傳統(tǒng)能耗大戶，更應(yīng)該多措并舉，適度超前，提早開啟低碳變革，為未來的發(fā)展贏得更大的主動權(quán)與更廣闊的空間。所謂碳中和是指污水處理廠在一定時期內(nèi)直接或間接排放的二氧化碳總量，通過自產(chǎn)清潔能源、采用低能耗處理工藝、實(shí)施設(shè)備節(jié)能改造等途徑全部抵銷，實(shí)現(xiàn)污水處理廠溫室氣體的凈“零排放”。

2 碳中和的實(shí)踐途徑

2.1 污水余溫?zé)崮芾?/h3>

生產(chǎn)生活中因熱量輸入輸出使得經(jīng)處理后排放的污水水溫通常比環(huán)境溫度低（夏季）或高（冬季）。據(jù)統(tǒng)計估算，污水余溫?zé)崮芗s占城市總廢熱排放量的15%～40%〔5〕，加之污水流量穩(wěn)定、溫差較小，具有冬暖夏涼的特點(diǎn)，因此可以采用熱泵技術(shù)以熱交換方式利用污水余溫進(jìn)行供熱或制冷。通過能效比（Coefficient of performance，COP）對比發(fā)現(xiàn)，地源熱泵與空氣源熱泵的COP 分別為3.3～3.8 和2.8～3.4，均低于污水源熱泵（Wastewater source heat pumps，WSHP）3.5～4.6 的能效比〔6-7〕，這說明交換同樣的熱量，污水源熱泵比地源熱泵和空氣源熱泵都更省電。鑒于此，WSHP 技術(shù)被廣泛應(yīng)用于污水余溫?zé)崮艿奶崛　?/p>

然而，污水余溫?zé)崮軐儆诘推肺荒茉?，很難用于發(fā)電而只能被直接利用，且其相對經(jīng)濟(jì)有效的輸送半徑為3～5 km〔8-9〕。這就意味著污水余溫?zé)崮苤荒苡糜谖鬯幚韽S周邊或廠內(nèi)的空調(diào)制冷（或制熱）、工業(yè)水冷卻、區(qū)域供熱、溫室加溫等，以“碳交易”方式折算熱能，部分或全部抵消污水處理廠的碳排放。

目前，全球有500 余個WSHP 裝置在運(yùn)行〔10〕。位于芬蘭Turku 市的Kakolanm?ki 污水處理廠，日處理水量約9 萬m3，擁有4個平行處理系統(tǒng)，采用WSHP 技術(shù)回收污水中的余溫?zé)崮芎?，為周邊臨近區(qū)域內(nèi)15 000戶家庭提供了近200 GW·h的制熱輸出量和約30 GW·h的制冷輸出量，滿足了當(dāng)?shù)?4%的供暖需求與90%的制冷需求。據(jù)測算，該WSHP 的使用可為Turku 市每年減排約8 萬t 溫室氣體〔11〕。同樣地，泰晤士水務(wù)公司與金斯頓地方委員會協(xié)作推進(jìn)了Poo power 計劃，該計劃旨在通過WSHP 技術(shù)從Hogsmill 污水處理廠三分之一出水中回收余熱。經(jīng)嚴(yán)格的統(tǒng)計與估算，預(yù)計該項目每年可從污水余溫中回收高達(dá)7 GW·h 的熱能，相當(dāng)于每年減少約0.35 萬t CO2排放量〔12〕?？梢钥闯?，污水余溫?zé)崮艿睦脤τ谖鬯幚韽S碳中和的實(shí)現(xiàn)具有積極的推動作用。

2.2 污泥熱電聯(lián)產(chǎn)

污泥厭氧消化產(chǎn)生甲烷用于熱電聯(lián)產(chǎn)（Combined heat and power，CHP），因既產(chǎn)電又產(chǎn)熱的先進(jìn)能源利用形式而被世界各國所大力推崇。丹麥Aarhus 水務(wù)公司的Marselisborg 污水處理廠從2006 年開始籌劃實(shí)施節(jié)能降耗項目，經(jīng)過10 年的系統(tǒng)優(yōu)化，該污水處理廠采用中溫厭氧消化工藝從污水中回收甲烷，再通過CHP 回收能量，成功實(shí)現(xiàn)了污水處理廠能量的自給自足，此外，每年還會產(chǎn)生約2.5 GW·h 的熱能進(jìn)入當(dāng)?shù)氐墓峋W(wǎng)絡(luò)〔13〕。此種不添加外來有機(jī)物即可實(shí)現(xiàn)能量自給自足的情況較少，絕大部分污水處理廠由于進(jìn)水有機(jī)物濃度偏低，致使污泥產(chǎn)量較少，甲烷產(chǎn)量不足，難以實(shí)現(xiàn)能量自給。為此，位于美國威斯康辛州的Sheboygan 污水處理廠確立了“能源零消耗”的運(yùn)行目標(biāo)，積極參與了“威斯康辛聚焦能源（Wisconsin focus on energy，F(xiàn)OE）”項目，通過采取外加高濃度有機(jī)食品廢物方式實(shí)現(xiàn)有機(jī)廢物與污泥厭氧共消化，產(chǎn)生高濃度甲烷進(jìn)行CHP，且在2013 年，該污水處理廠產(chǎn)熱量與耗熱量比值便已達(dá)到了0.85～0.90，而產(chǎn)電量與耗電量比值更是高達(dá)0.9～1.15，已基本接近碳中和目標(biāo)〔14〕。Sheboygan 污水處理廠碳中和的實(shí)現(xiàn)路徑為我國大量存在的進(jìn)水有機(jī)物濃度偏低、污泥產(chǎn)量較少的污水處理廠實(shí)現(xiàn)碳中和提供了可復(fù)制的成功經(jīng)驗(yàn)，高濃度有機(jī)廢物如餐廚垃圾等與剩余污泥厭氧共消化完全可以彌補(bǔ)污水處理廠自身有機(jī)能源不足的問題。

2.3 原水碳源捕集

傳統(tǒng)的污水處理技術(shù)都是基于污染物的降解與水質(zhì)穩(wěn)定達(dá)標(biāo)而提出的，這些技術(shù)幾乎均是通過消耗大量能源來換取污染物的去除，同時還會向環(huán)境排放大量溫室氣體〔15-16〕，是一個極不經(jīng)濟(jì)且不可持續(xù)的過程。事實(shí)上，污水本身也是能源與資源的載體〔17〕。統(tǒng)計顯示，原水中所含有的碳源能量大約是污水處理所消耗能量的9～10 倍之多〔18〕。如果能將這些碳源部分或全部捕集，則污水處理廠的碳中和目標(biāo)是完全可以實(shí)現(xiàn)的，而且污水處理廠還能作為“能源工廠”向外界源源不斷提供清潔能源。為此，新加坡Ulu Pandan 再生水廠在“預(yù)處理+活性污泥+厭氧消化（Anaerobic digestion，AD）”技術(shù)路線基礎(chǔ)上提出了“AD+CHP”模式〔19〕。但該模式由于COD甲烷化效率較低，故逐步被強(qiáng)化預(yù)處理以實(shí)現(xiàn)碳源捕集轉(zhuǎn)向及滿足污泥增量的技術(shù)路線（簡稱A-B型）所取代〔20〕。A-B 型工藝中，A 段主要是實(shí)現(xiàn)原水碳源捕集并將其轉(zhuǎn)移到能源化途徑，而進(jìn)入B 段的廢水則呈現(xiàn)出明顯的“低C/N”特性，需要輔以厭氧氨氧化等低C/N 工藝確保出水水質(zhì)穩(wěn)定達(dá)標(biāo)。位于奧地利的Strass 污水處理廠采用A-B 型工藝與測流厭氧氨氧化工藝相結(jié)合的方式實(shí)現(xiàn)了原水碳源捕集及污泥產(chǎn)量最大化，通過污泥厭氧消化產(chǎn)甲烷實(shí)施CHP，早在2005 年便達(dá)到了碳中和運(yùn)行目標(biāo)，且能源自給率達(dá)到了108%，成為了碳中和運(yùn)行的國際先驅(qū)，在全球范圍內(nèi)都具有積極的示范意義〔21〕。

2.4 太陽能光伏發(fā)電

污水處理廠通常擁有較大的占地面積，而反應(yīng)池、沉淀池、濾池等工藝單元也都具有較大且空曠的表面，這為太陽能光伏發(fā)電技術(shù)在污水處理廠的應(yīng)用提供了先決條件。

太陽能以其“取之不盡、用之不竭”的特點(diǎn)被稱為“未來能源”。國際能源署（IEA）指出，太陽能作為廉價清潔能源，其開發(fā)應(yīng)用將帶來巨大的長期效益〔22〕。自20 世紀(jì)70 年代以來，太陽能光伏發(fā)電技術(shù)便在美國、德國等發(fā)達(dá)國家得到了迅速發(fā)展。1997年，美國便宣布實(shí)施了“百萬太陽能屋頂計劃”。而德國也在1990—1999 年期間實(shí)施了“千屋頂計劃”〔23〕，到2000 年左右，德國的太陽能光伏市場急劇增長了14 倍，光伏發(fā)電容量也達(dá)到了40 MW 之多〔24〕。大量“屋頂計劃”的成功實(shí)施，意味著太陽能光伏發(fā)電技術(shù)應(yīng)用于污水處理廠是可行的，不僅可以降低污水處理過程的能耗支出，降低污水處理成本，還可以實(shí)現(xiàn)碳減排任務(wù)，助推污水處理廠碳中和的實(shí)現(xiàn)。丹麥哥本哈根Damhus?en 污水處理廠嘗試性地在廠區(qū)部分工藝單元表面安裝了太陽能光伏板，滿足了廠區(qū)9%的能耗需求〔13〕。同樣地，河南省馬頭崗水務(wù)公司在廠區(qū)內(nèi)安裝了約15 萬m2的太陽能光伏板，總發(fā)電容量達(dá)17 MW，每年可為廠區(qū)節(jié)省生產(chǎn)用電約3 300萬kW·h，節(jié)約發(fā)電燃煤約1.32萬t，間接減排CO2約3.29萬t，減少粉塵排放約0.89 萬t〔25〕。而蕪湖市朱家橋污水處理廠也同樣利用太陽能光伏發(fā)電技術(shù)，采取“自發(fā)自用，余電上網(wǎng)”的運(yùn)營模式，每年向長江大保護(hù)項目提供綠色低碳電能超2 000 萬kW·h，節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤約0.65萬t，節(jié) 約 用 水 約8.53 萬t，減 排CO2約1.59 萬t，減 排SO2約165.50 t，減排NOx約142.20 t，減排煙塵約69 t，經(jīng)濟(jì)效益與環(huán)境效益顯著〔25〕。

2.5 采用低能耗污水處理工藝

短程硝化反硝化（Short-cut nitrification and deni?trification，SCND）、厭氧氨氧化（Anaerobic ammonium oxidation，Anammox）、好氧顆粒污泥（Aerobic granular sludge，AGS）等工藝因處理過程所擁有的低能耗優(yōu)勢而越發(fā)引起了研究人員與工程技術(shù)人員的廣泛關(guān)注。

SCND 工藝是在曝氣階段對過程溶解氧進(jìn)行系統(tǒng)優(yōu)化，將硝化反應(yīng)產(chǎn)物控制在-N 形態(tài)，隨后降低溶解氧進(jìn)行反硝化脫氮，此過程相比全程硝化反硝化而言，節(jié)省了-N 氧化為-N 的深度硝化需氧量，可節(jié)約25%左右曝氣能耗〔26〕。廣州興豐污水處理廠通過對過程溶解氧進(jìn)行不斷優(yōu)化，經(jīng)過一段時間的調(diào)試馴化后發(fā)現(xiàn)-N 累積率呈現(xiàn)穩(wěn)步上升趨勢并成功啟動了SCND〔27-28〕。對該污水處理廠穩(wěn)定運(yùn)行后的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，與運(yùn)行之初相比，平均電耗降低了38%?？梢钥闯?，SCND 工藝的應(yīng)用對污水處理廠碳中和的實(shí)現(xiàn)具有重大的現(xiàn)實(shí)意義。

Anammox 工藝指厭氧氨氧化菌在缺氧或厭氧條件下，以H2CO3或CO2為碳源，以-N 為電子供體，以-N 為電子受體，生成N2與-N〔29-30〕的過程，其涉及到式（1）所示的反應(yīng)。

國際 水 協(xié) 會（International Water Association，IWA）將AGS 定義為一種聚集密實(shí)，且沉降性能明顯優(yōu)于絮狀活性污泥的微生物集合體。與傳統(tǒng)絮狀活性污泥相比，AGS 具有生物量高、沉降性能優(yōu)越及處理高效等優(yōu)點(diǎn)，這就決定了AGS 技術(shù)能耗會大幅度低于傳統(tǒng)污水處理工藝能耗。目前，AGS 已被逐步應(yīng)用到工程實(shí)踐中。荷蘭第一座AGS 污水處理裝備于2011 年在Epe 污水廠投產(chǎn)使用，隨后該污水處理廠便立即成為全荷蘭能耗最低的污水處理廠〔32〕。緊接著，荷蘭北部格羅寧根市的Garmerwolde 污水處理廠在原有吸附-生物降解（AB 法）工藝基礎(chǔ)上引進(jìn)了AGS，能耗由原工藝的330 kW·h/km3穩(wěn)步降至170 kW·h/km3，下降了48.5%，運(yùn)行費(fèi)用下降了約50%〔32〕。上述成功案例為AGS 的規(guī)?；茝V起到了很好的示范作用。

2.6 設(shè)備節(jié)能改造

據(jù)統(tǒng)計，我國污水處理廠平均電耗為0.29～0.40 kW·h/m3〔33〕，其中，鼓風(fēng)曝氣機(jī)、污水提升泵等設(shè)備能耗約占污水處理總能耗的69%。因此，通過節(jié)流途徑降低能耗的關(guān)鍵是對曝氣系統(tǒng)、污水提升系統(tǒng)等關(guān)鍵能耗設(shè)備進(jìn)行升級改造。對于曝氣系統(tǒng)而言，既要防止曝氣不足影響出水指標(biāo)，也要防止過度曝氣導(dǎo)致能耗增加；而對于污水提升系統(tǒng)而言，既要防止設(shè)備老化、落后出現(xiàn)低效提升，也要防止設(shè)備頻繁啟停導(dǎo)致能耗增加。對此，丹麥Marselisborg 污水處理廠通過采用在線氨氮、磷酸鹽等參數(shù)儀表對污水處理過程工況指標(biāo)進(jìn)行動態(tài)實(shí)時監(jiān)控，再輔以變頻器控制措施應(yīng)對原水水質(zhì)、水量的動態(tài)變化，該舉措使該污水處理廠電耗降低了25%〔13〕。同樣地，Sheboygan 污水處理廠也通過對曝氣系統(tǒng)與污水提升系統(tǒng)進(jìn)行升級改造，降低了設(shè)備運(yùn)行過程中的電耗支出。其首先將建廠之初的4 臺186 kW 老式曝氣機(jī)改造為2 臺261 kW 高效、節(jié)能新設(shè)備，之后將原有6 臺提升泵中的2 臺提升泵的電機(jī)改造為150 kW 高效變頻電機(jī)，并為其分別配置了變頻驅(qū)動，這2 項升級改造共計為該廠節(jié)省電耗約33%〔34〕。

3 結(jié)論與展望

隨著“雙碳”戰(zhàn)略的提出，傳統(tǒng)高能耗、高排放、低品質(zhì)的水處理技術(shù)已然無法滿足當(dāng)今社會綠色低碳的發(fā)展要求。為盡快實(shí)現(xiàn)污水處理行業(yè)碳中和運(yùn)行目標(biāo)，降低污水處理過程中的能耗支出，減緩并扭轉(zhuǎn)因溫室氣體排放對全球氣候變化的不利影響，新興的低能耗、低排放、可持續(xù)的污水余溫?zé)崮芾?、污泥熱電?lián)產(chǎn)、原水碳源捕集、太陽能光伏發(fā)電以及低能耗工藝的應(yīng)用和高能耗設(shè)備的節(jié)能改造等技術(shù)得到了廣大科研人員與工程技術(shù)人員的廣泛關(guān)注。當(dāng)前，已有部分成功案例為污水處理廠碳中和的實(shí)現(xiàn)提供了思路。但就目前的應(yīng)用情況來看，仍存在諸多制約污水處理廠碳中和實(shí)現(xiàn)的瓶頸問題需進(jìn)一步解決：

（1）污水余溫?zé)崮芾迷谖鬯幚韽S碳中和的實(shí)現(xiàn)道路上具有舉足輕重的地位，但城市熱網(wǎng)建設(shè)滯后嚴(yán)重阻礙了這一資源再利用舉措的功能發(fā)揮。從政策渠道打通污水處理廠與用戶之間的熱網(wǎng)連接通道將是充分發(fā)揮污水余溫?zé)崮苜Y源價值的當(dāng)務(wù)之急。

（2）目前，國內(nèi)大部分污水處理廠進(jìn)水有機(jī)物濃度普遍偏低，致使污泥產(chǎn)量較少，甲烷產(chǎn)量不足，實(shí)施CHP 所實(shí)現(xiàn)的能量自給率不高。為此，大力推進(jìn)城市排水系統(tǒng)雨污分流改造，進(jìn)一步強(qiáng)化原水碳源捕集，對提升CHP 效率具有更現(xiàn)實(shí)的指導(dǎo)意義。

（3）太陽能光伏發(fā)電雖然能直接抵消污水處理廠部分能耗需求，但由于受光照時間、光照強(qiáng)度等變化的影響，使得太陽能光伏發(fā)電技術(shù)在污水處理廠的應(yīng)用穩(wěn)定性不好。后續(xù)工作應(yīng)結(jié)合現(xiàn)有研究成果，將開發(fā)具有高度穩(wěn)定性的太陽能儲能技術(shù)作為研究重點(diǎn)。

（4）部分已投入工程應(yīng)用的低能耗污水處理工藝雖然取得了一定的成效，但這些畢竟是個例，絕大部分污水處理廠采用的仍是傳統(tǒng)高能耗工藝，對全社會碳中和的實(shí)現(xiàn)助力不大，這主要受限于新興的低能耗工藝普遍存在啟動時間長、穩(wěn)定運(yùn)行難、環(huán)境依附度高等問題。加強(qiáng)低能耗工藝運(yùn)行機(jī)理與控制因素的研究將有助于該類工藝的進(jìn)一步發(fā)展與應(yīng)用。