王凱 梁渠 中國(guó)市政工程西南設(shè)計(jì)研究總院有限公司

在污水處理設(shè)施全生命周期（LCA）內(nèi)，碳排放主要發(fā)生在運(yùn)行期，據(jù)相關(guān)研究統(tǒng)計(jì)，污水處理廠運(yùn)行期間耗電所產(chǎn)生的碳排放量明顯大于藥劑使用導(dǎo)致的間接碳排放。隨著城鎮(zhèn)化率、污水處理率以及排放標(biāo)準(zhǔn)的不斷提高，如何有效降低污水處理廠碳排放，減少污水處理廠能耗和運(yùn)行成本，已經(jīng)成為行業(yè)關(guān)注的熱點(diǎn)問(wèn)題。

1 清潔能源利用

污水處理廠的能耗包括水耗、電耗、運(yùn)輸車(chē)輛所需的燃油等，其中主要為電耗，占總能耗的60%～90%，占運(yùn)行成本的1/3。赫曉地等人研究表明，污水處理廠利用光伏發(fā)電、污水源熱泵以及污泥熱電聯(lián)產(chǎn)可分別滿足該污水處理廠能耗的10.4%、51%（制冷）/83.6%（制熱）、53%。綜合利用光伏發(fā)電、污水中的熱能以及污泥熱電聯(lián)產(chǎn)等清潔能源作為污水處理廠運(yùn)行過(guò)程中電能的補(bǔ)充，從而減少對(duì)傳統(tǒng)能源的依賴是污水處理廠節(jié)能的重要措施，也是促進(jìn)降低碳排放的有效手段。

1.1 光伏發(fā)電

目前我國(guó)積極推廣太陽(yáng)能光伏發(fā)電技術(shù)，在新建建筑物安裝光伏發(fā)電系統(tǒng)。污水處理廠中的預(yù)處理池、二級(jí)生化池（厭氧、缺氧）、二沉池、深度處理池及綜合樓等構(gòu)（建）筑物具有較大的占地面積，這為光伏發(fā)電技術(shù)提供了有利的基礎(chǔ)條件。光伏發(fā)電產(chǎn)生的電能是一種重要的清潔能源，不僅可以降低污水處理廠能耗支出，同時(shí)污水處理構(gòu)筑物被光伏組件遮擋后，可以對(duì)污水處理設(shè)施進(jìn)行有效封閉，抑制水池內(nèi)部分藻類的生長(zhǎng)，提高污水處理效率和水質(zhì)。

光伏產(chǎn)品的碳排放集中在生產(chǎn)階段，使用階段碳排放較小，僅為生產(chǎn)階段的3%，且光伏發(fā)電能量回收周期較短，發(fā)電組件使用壽命長(zhǎng)，生命周期內(nèi)產(chǎn)生的環(huán)境效益高。張泳在地下污水處理廠綜合樓屋頂（建筑面積約125m2）布置光伏發(fā)電系統(tǒng)，按照20串、4 并連接方式進(jìn)行方陣布局安裝，該系統(tǒng)每年發(fā)電量約15×104kWh，相當(dāng)于可減少CO2排放量約12.2t，有效降低了污水處理廠的電能成本。許威等人對(duì)安徽省蕪湖市某污水處理廠引入光伏發(fā)電系統(tǒng)，總裝機(jī)容量17.458MW，年發(fā)電量為1787.25 萬(wàn)kWh，相當(dāng)于每年可節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤5451.11t，減少SOX排放量約110.81t，CO2排放量約14548.2t，NOX排放量約37.53t。李美艷等人在某小型污水處理廠活性砂濾池、二氧化氯消毒池和水解酸化池構(gòu)筑物上部架設(shè)光伏發(fā)電系統(tǒng)，日均發(fā)電量約965.37kWh，預(yù)計(jì)25 年累計(jì)可節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤約2861t，累計(jì)可減少CO2排放量7620t，年收益約29.65 萬(wàn)元。

污水處理廠引進(jìn)光伏發(fā)電系統(tǒng)在環(huán)境、經(jīng)濟(jì)、社會(huì)效益等方面均是可行的，對(duì)于節(jié)約能源，促進(jìn)清潔能源生產(chǎn)利用具有積極作用。

1.2 水源熱泵

城市污水一般來(lái)源相對(duì)穩(wěn)定、水溫恒定，水源熱泵即借助少量電能驅(qū)動(dòng)內(nèi)部熱泵做功，將污水中低品位的熱源，通過(guò)熱泵機(jī)組轉(zhuǎn)化為高品位能源的措施。當(dāng)前的水源熱泵根據(jù)熱源側(cè)的形式分為直接式與間接式兩類，兩類系統(tǒng)各有優(yōu)劣，長(zhǎng)期以來(lái)，污水源熱泵主要采用間接式系統(tǒng)，但是直接式系統(tǒng)省去了中間換熱環(huán)節(jié)，可以減少投資并且性能系數(shù)相對(duì)較高。

呂燕對(duì)比分析了上海市區(qū)某污水處理廠的污水源熱泵系統(tǒng)與空氣源熱泵的節(jié)能減排效益，結(jié)果表明污水源熱泵系統(tǒng)更具有環(huán)保潛力。戚明喆等人采用直接式污水源熱泵為淮北某污水處理廠綜合樓供熱供冷，通過(guò)理論計(jì)算，制冷時(shí)主機(jī)能效達(dá)到4.59，制熱時(shí)主機(jī)能效達(dá)到3.62。閻亮等人將青島市海泊河污水處理廠污水源熱泵運(yùn)用到周邊小區(qū)進(jìn)行供熱，與傳統(tǒng)能源系統(tǒng)比較，污水源熱泵全年CO2排放量減少約7.41t，SO2排放量減少約0.29t，NO2排放量減少約0.45t，煙塵排放量減少約0.07t，灰渣排放量減少約2.79t。

1.3 污泥熱電聯(lián)產(chǎn)

目前我國(guó)常用的污泥處理工藝主要有脫水-填埋、生物堆肥、厭氧消化和干化焚燒。根據(jù)使用經(jīng)驗(yàn)，生物堆肥+土地利用和厭氧消化+沼氣發(fā)電工藝路線對(duì)于降低碳排放量具有明顯的效果。吳百苗等人通過(guò)全生命周期評(píng)價(jià)（LCA）比較污泥填埋和污泥-餐廚垃圾共消化熱電聯(lián)產(chǎn)，其中污泥熱電聯(lián)產(chǎn)技術(shù)碳中和率可達(dá)到133%，經(jīng)濟(jì)效益是污泥填埋的1.6 倍。對(duì)青島某污水處理廠，崔濡川提出污泥中溫厭氧消化沼氣熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)，每年可多發(fā)電量165.21 萬(wàn)kWh，2.2 年后可回收投資，具有較高的經(jīng)濟(jì)和環(huán)境效益。威海龍崗市某造紙企業(yè)采用焚燒污泥的熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)后，在焚燒鍋爐中摻雜污泥混燒，年均總熱效率可以達(dá)到81.07%，保持生產(chǎn)總量不變的情況下，每年節(jié)約1829tce。

2 污水處理工藝優(yōu)化

當(dāng)前全國(guó)有較多污水處理廠推進(jìn)排放標(biāo)準(zhǔn)從一級(jí)B 標(biāo)提升到一級(jí)A 標(biāo)，部分地區(qū)提出排放標(biāo)準(zhǔn)提升到地表Ⅳ類水標(biāo)準(zhǔn)，提標(biāo)改造常用措施為優(yōu)化二級(jí)生物處理以及深度處理工藝。

2.1 二級(jí)生物處理工藝優(yōu)化

污水處理廠主要核心工藝仍以脫氮除磷為主，而污水處理廠生物處理階段能耗比例達(dá)到62.2%～71.1%，是運(yùn)行期間耗能的關(guān)鍵階段。

針對(duì)二級(jí)生物處理工藝的進(jìn)水改造，周亞梁等人對(duì)1 座處理規(guī)模為8×104m3/d 的污水處理廠沉砂池出水口末端跌水復(fù)氧現(xiàn)狀進(jìn)行改造，通過(guò)在曝氣沉砂池出水位置加裝蓋板，阻斷、改變跌水復(fù)氧區(qū)域的空氣交換流態(tài)，以降低復(fù)氧值，有效降低了二級(jí)生物處理階段碳源投加量。有研究表明，巢湖流域22 座污水處理廠采用的氧化溝、厭氧/缺氧/好氧（AAO）、序批式活性污泥（SBR）工藝平均碳排放強(qiáng)度分別為0.3278、0.3283、0.2495kg/m3，從低碳的角度出發(fā)，SBR 工藝更具有低碳優(yōu)勢(shì)。未來(lái)低碳處理工藝的發(fā)展方向是碳氮兩段法，即首先分離污水中的有機(jī)物，將分離出的污泥通過(guò)厭氧消化工藝后產(chǎn)生甲烷氣體，或?qū)⑽勰嘀苯舆M(jìn)行厭氧處理，通過(guò)主流的厭氧氨氧化工藝對(duì)分離后的氨氮污水進(jìn)行脫氮處理。新型污水生物處理技術(shù)將厭氧氨氧化和微藻結(jié)合，利用產(chǎn)氧微生物取代傳統(tǒng)的機(jī)械曝氣系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)污水處理系統(tǒng)的能源自給，從而達(dá)到循環(huán)經(jīng)濟(jì)的效果。

2.2 深度處理工藝選擇

目前，污水處理廠深度處理除磷工藝以高效沉淀池為主，但其存在加藥量較大等問(wèn)題。隨著污水處理廠提標(biāo)改造的需求增加，需要投加的混凝劑也將大幅增加。以某2×104m3/d 污水處理廠實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)為例，綜合比較高效沉淀、加砂沉淀以及磁沉淀三種處理工藝，其中磁沉淀具有加藥量更少，間接碳排放更少的優(yōu)點(diǎn)。詳見(jiàn)表1。

表1 某2×104m3/d污水處理廠三種沉淀工藝比較

目前污水處理廠污水深度處理中的除氮工藝主要采用反硝化濾池，而大部分反硝化濾池采用的是異養(yǎng)反硝化濾池，為了保證能夠達(dá)到出水標(biāo)準(zhǔn)，需要在硝化過(guò)程中投加碳源。與異養(yǎng)反硝化相比，自養(yǎng)反硝化工藝可以利用無(wú)機(jī)碳源，產(chǎn)生的細(xì)胞數(shù)量更少。周婭等人采用硫代硫酸鈉聯(lián)合硫鐵礦處理抗生素的生化尾水研究表明，反應(yīng)停留時(shí)間（HRT）為0.75h 時(shí)，反應(yīng)器對(duì)NO3-N 的去除率可達(dá)到72%以上。

3 精準(zhǔn)智能控制

目前國(guó)內(nèi)早期建設(shè)的污水處理廠自動(dòng)化程度不高，通過(guò)精準(zhǔn)曝氣與精準(zhǔn)加藥系統(tǒng)的構(gòu)建，可以對(duì)各項(xiàng)運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行秒級(jí)監(jiān)控，在工藝模型中實(shí)時(shí)計(jì)算相關(guān)設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)并及時(shí)調(diào)整，保證出水水質(zhì)穩(wěn)定的同時(shí)降低曝氣與藥劑投加成本。

3.1 精準(zhǔn)曝氣系統(tǒng)

根據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)污水處理廠平均電耗為0.2～0.3kWh/m3，鼓風(fēng)曝氣機(jī)用電量占污水處理總能耗的60%。傳統(tǒng)污水處理廠在運(yùn)行過(guò)程中為滿足生化池正常需求，鼓風(fēng)曝氣機(jī)需持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，但是污水處理廠進(jìn)水水質(zhì)和水量并不是固定的，所需消耗的氧量也會(huì)相應(yīng)的發(fā)生變化，因此存在能源浪費(fèi)的現(xiàn)狀。

精確曝氣通過(guò)控制溶解氧使生化系統(tǒng)處于動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)，提高出水COD 和氨氮的達(dá)標(biāo)率，也可以間接促進(jìn)出水總氮、總磷的達(dá)標(biāo)率，同時(shí)降低污水處理廠運(yùn)行能耗和成本，達(dá)到節(jié)能減排的目的。荊玉姝等人在青島張村河水質(zhì)凈化廠引進(jìn)曝氣精準(zhǔn)分配與控制系統(tǒng)，通過(guò)曝氣精準(zhǔn)控制1 天內(nèi)2/3以上的時(shí)間段將曝氣池中溶解氧（DO）濃度控制在設(shè)定值±0.3mg/L 范圍內(nèi)，保證出水水質(zhì)更加穩(wěn)定，降低曝氣能耗約24.8%，乙酸鈉藥劑消耗降低15.1%。唐鑫偉等人研究表明精準(zhǔn)曝氣系統(tǒng)對(duì)提高AAO+MBR 工藝總氮去除率有良好效果，通過(guò)采用德國(guó)VACOMASS 曝氣精確分配與控制系統(tǒng)，根據(jù)AAO+MBR 工藝特點(diǎn)及運(yùn)行情況，對(duì)曝氣控制區(qū)的曝氣量進(jìn)行實(shí)時(shí)精準(zhǔn)定量分配，實(shí)現(xiàn)生物池末端溶解氧的穩(wěn)定控制，可以在不投加碳源的情況下提高總氮去除率，而且該系統(tǒng)可以根據(jù)曝氣量調(diào)解鼓風(fēng)機(jī)的總風(fēng)量，避免電力浪費(fèi)，從而實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗的目的。

3.2 精準(zhǔn)加藥系統(tǒng)

目前，污水處理廠需要投加碳源（甲醇、乙酸、乙酸鈉）、除磷藥劑（絮凝劑PAM、混凝劑PAC）和消毒劑（次氯酸鈉）等多種化學(xué)藥劑，而藥劑是污水處理廠運(yùn)行過(guò)程間接碳排放主要源頭之一，優(yōu)化加藥環(huán)節(jié)，是減少碳排放的重要途徑。

我國(guó)大部分污水處理廠進(jìn)水濃度存在低碳/氮現(xiàn)象，在反硝化脫氮過(guò)程中，需要投加碳源，部分污水處理廠需要通過(guò)增加碳源使用量以實(shí)現(xiàn)提高出水水質(zhì)的要求。吳宇行等人針對(duì)污水處理過(guò)程反硝化碳源的動(dòng)態(tài)需求，提出基于在線實(shí)時(shí)檢測(cè)碳源投加量的智能控制系統(tǒng)，在污水處理廠經(jīng)過(guò)4 個(gè)月生產(chǎn)性試驗(yàn)，結(jié)果顯示乙酸鈉使用量降低21.2%，每月可節(jié)省藥劑費(fèi)用約4.72 萬(wàn)元，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益。

部分污水處理廠生物除磷效果不理想，出水總磷排放不能穩(wěn)定達(dá)標(biāo)，需要投加除磷藥劑，影響配藥比，成本增加較大，另一方面也對(duì)微生物系統(tǒng)產(chǎn)生影響。賈玉柱等人通過(guò)將人工手動(dòng)加藥改造為P-RTC 自動(dòng)加藥裝置，建立能夠協(xié)同生物與化學(xué)除磷的動(dòng)態(tài)控制系統(tǒng)，噸水藥劑消耗降低約17%，提高了除磷效果，同時(shí)污泥產(chǎn)量減少了30%。

4 結(jié)語(yǔ)

加強(qiáng)污水處理廠清潔能源的利用，綜合利用太陽(yáng)能、污水中的熱源以及污泥燃燒處理熱能，是降低污水處理廠間接碳排放的有效手段。

對(duì)污水處理廠工藝進(jìn)行改造，選擇合理的低碳高效處理工藝，從源頭降低污水處理的能耗指標(biāo)。

通過(guò)智能精準(zhǔn)控制系統(tǒng)對(duì)曝氣和加藥過(guò)程進(jìn)行優(yōu)化，節(jié)約運(yùn)行成本，減少能源消耗。隨著城市不斷地發(fā)展，國(guó)家碳排放戰(zhàn)略目標(biāo)的提出，污水處理作為能源密集型行業(yè)，低碳建設(shè)與運(yùn)行尤為重要，以“開(kāi)源節(jié)流”為主要路徑，從清潔能源的綜合利用，處理工藝優(yōu)化以及曝氣和加藥智能精準(zhǔn)控制系統(tǒng)等措施出發(fā)，可有效降低污水處理廠碳排放，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的目標(biāo)。