摘 要：在全球溫室氣體排放問題日益凸顯的背景下， 各國紛紛加大碳減排的力度， 而污水處理廠作為一個潛在的高碳排放源，其碳減排策略的研究變得尤為迫切。 本文著眼于能源回收、 提高處理效能以及開發(fā)可持續(xù)新工藝三個關(guān)鍵方面， 深入研究污水處理和污泥處理的節(jié)能減排路徑， 致力于實現(xiàn)碳中和運行的目標。

關(guān)鍵詞：污水處理廠；污水污泥處理；碳減排文章編號：2095-4085（2024）09-0070-03

0 引言

隨著城市化進程的加速和人口增長，污水處理廠面臨著日益嚴重的污水和污泥處理問題。國外對于污水污泥處置碳排放的研究主要聚焦于尋求高效的污泥管理技術(shù)，以實現(xiàn)能源和材料的有效回收，從而降低污泥處置的碳足跡。在國內(nèi)，隨著我國致力于在2030年前實現(xiàn)二氧化碳排放峰值，并在2060年前實現(xiàn)碳中和的承諾，污水處理廠的污水污泥處理在碳減排領(lǐng)域日益引起廣泛關(guān)注［1］。為實現(xiàn)雙碳目標并更進一步減緩全球變暖，迫切需要準確量化和分析污水處理系統(tǒng)的碳排放水平。

1 能源回收技術(shù)

1.1 污水處理能源回收

污水處理過程會產(chǎn)生大量甲烷和一氧化二氮，是重要的直接碳排放源。城市污水屬于優(yōu)秀的可再利用熱源，可作為熱泵的低品位熱源。通過污水源熱泵系統(tǒng)獲取原生污水及二級出水中的熱能，一部分用于污水處理廠內(nèi)部建筑及構(gòu)筑物的供熱，另一部分可通過熱力站將熱能用于廠內(nèi)供熱場所［2］。污水源熱泵的合理應(yīng)用將帶來可觀的CO2排放消減量（見圖1）。

1.2 污水能源回收

污水能源回收的實施通常包括以下關(guān)鍵步驟。

（1）前處理。先對污水中的固體顆粒、油脂等雜質(zhì)進行物理和化學(xué)處理，可確保后續(xù)處理過程能夠高效進行。

（2）生物處理。通過采用厭氧消化和好氧生物處理等生物技術(shù)，將污水中的有機物質(zhì)降解為簡單的化合物，其中厭氧消化產(chǎn)生甲烷氣體，好氧生物處理產(chǎn)生二氧化碳和水［3］。

（3）能源回收。從生物處理中產(chǎn)生的甲烷氣體和釋放的熱能中提取能源，用于供熱、發(fā)電或其他能源需求。甲烷可作為可燃氣體替代天然氣。

（4）剩余污泥處理。通過生物氣化、焚燒等方式將生物處理過程中產(chǎn)生的剩余污泥轉(zhuǎn)化為更多的能源，以實現(xiàn)對污泥的資源化利用。

1.2.1 前端篩分COD技術(shù)

該技術(shù)的主要目的是在污水處理的初期階段有效地去除污水中的COD，從而減少后續(xù)生物處理過程中的有機物負荷，提高處理效率。通過物理和化學(xué)手段，前端篩分技術(shù)能夠?qū)⑽鬯械墓腆w顆粒、油脂等雜質(zhì)剔除，從而為后續(xù)的生物處理和能源回收創(chuàng)造良好的條件。這一技術(shù)的應(yīng)用不僅有助于提高污水處理系統(tǒng)的整體性能，還為后續(xù)階段的污泥處理和能源提取提供了更為優(yōu)越的處理基礎(chǔ)［4］。工藝流程（見圖2）。

1.2.2 污泥高溫厭氧消化技術(shù)

通過在高溫環(huán)境下進行厭氧消化，使污泥中的有機物質(zhì)更為充分地分解產(chǎn)生甲烷氣體，這一過程既能減少剩余污泥的體積，又能夠回收污泥中的有機能源。該技術(shù)不僅在提高能源利用效率方面具有顯著優(yōu)勢，還實現(xiàn)了污泥的無害化、減量化，并產(chǎn)生可用于能源回收的沼氣［5］。下圖展示了采用污泥高溫厭氧消化技術(shù)的污水處理廠發(fā)電系統(tǒng)（見圖3）。

1.2.3 污泥厭氧共消化技術(shù)

污泥厭氧共消化技術(shù)是在傳統(tǒng)污泥厭氧消化的基礎(chǔ)上，引入外部有機廢物進行共同消化的一種創(chuàng)新處理方式。通過將城市有機廢物與污水處理廠的污泥進行共同消化，可以提高厭氧發(fā)酵過程中產(chǎn)生的甲烷氣體的產(chǎn)量。這種技術(shù)不僅能夠有效減少城市的有機廢物排放，還能夠提高能源回收效益。在共同消化的過程中，城市有機廢物中的有機物質(zhì)與污泥中的有機物相互作用，促使厭氧發(fā)酵反應(yīng)更為充分，從而增加甲烷的生成量。通過污泥厭氧共消化技術(shù)，不僅實現(xiàn)了有機廢物的資源化利用，還提高了能源回收的可持續(xù)性。

2 提高處理效能的措施

2.1 選用高效能設(shè)備

為了降低污水處理過程中的碳排放，應(yīng)當(dāng)選用高效能的設(shè)備。高效能設(shè)備通常具有更先進的技術(shù)和更高的能效，能夠在降低能耗的同時提高處理效率。例如，可以選擇采用先進的生物處理技術(shù)，如MBR（膜生物反應(yīng)器）和MBBR（流動床生物反應(yīng)器），這些技術(shù)能夠在相對較小的空間內(nèi)高效去除污水中的有機物質(zhì)，減少處理過程中的能耗和碳排放。在設(shè)備選型過程中，需綜合考慮其性能、成本和維護方便性，以實現(xiàn)在減排的同時保障處理質(zhì)量。

2.2 加強設(shè)備管理

在設(shè)備管理方面，應(yīng)建立定期巡檢和維護制度，確保設(shè)備處于良好的工作狀態(tài)。定期的設(shè)備檢查和保養(yǎng)能夠及時發(fā)現(xiàn)并解決潛在問題，防止設(shè)備故障對處理效能的影響。同時，通過實時監(jiān)測設(shè)備運行狀態(tài)、能耗情況以及效果參數(shù)，可以迅速發(fā)現(xiàn)異常情況并采取相應(yīng)的措施。這有助于提高對設(shè)備運行的掌控能力，確保在最佳狀態(tài)下運行，減少不必要的能耗和排放。

2.3 建立需求響應(yīng)機制

需求響應(yīng)機制的建立涉及到運營管理和技術(shù)創(chuàng)新兩個方面。在運營管理方面，可以通過合理的排班和工藝調(diào)整，使污水處理廠在不同時間段保持最佳運行狀態(tài)。例如，在低負荷時采取節(jié)能運行模式，而在高峰時段增加處理能力，以應(yīng)對突發(fā)的大量污水排放。技術(shù)創(chuàng)新方面，可以引入智能化控制系統(tǒng)和先進的處理工藝。通過實時數(shù)據(jù)分析和預(yù)測，智能化控制系統(tǒng)能夠更精準地調(diào)整設(shè)備運行參數(shù)，提高處理效率。同時，還可采用更高效的處理工藝，如深度脫氮脫磷工藝，能夠更徹底地去除有害物質(zhì)，減少后續(xù)處理過程中的碳排放。

3 可持續(xù)新工藝分析

3.1 脫氮工藝

傳統(tǒng)的污水處理廠生物脫氮工藝通常采用先硝化后反硝化的方式，其中A/O（Anaerobic/Anoxic/Oxic）和A2/O（Anaerobic-Anoxic-Oxic）工藝是比較典型的代表。這些工藝通過在不同的處理階段引入?yún)捬鹾秃醚鯒l件，利用不同的微生物群體完成氮的硝化反應(yīng)和反硝化過程［6］。然而，這些傳統(tǒng)工藝在基建投資和運行費用方面存在較高的問題，需要大量的設(shè)備和能源支持，因此逐漸出現(xiàn)了一些重點關(guān)注氮素轉(zhuǎn)化途徑優(yōu)化的生物脫氮工藝，如由荷蘭Delft技術(shù)大學(xué)開發(fā)的短程反硝化原理的脫氮工藝（SHARON工藝）和基于厭氧氨氧化的ANNAMOX/DEMON工藝［7］。SHARON工藝通過短程反硝化原理實現(xiàn)氮的高效去除，而 ANNAMOX/DEMON 工藝則利用厭氧氨氧化的方式，更為優(yōu)化地完成氮素的轉(zhuǎn)化?，F(xiàn)有數(shù)據(jù)表明，以上兩種工藝與傳統(tǒng)的A2/O工藝相比，均能在一定程度上減少能耗和碳源消耗，其中ANNAMOX工藝減少的尤為明顯，可節(jié)約90%的碳源消耗和60%的能耗。

3.2 碳氮兩段法

碳氮兩段法是一種污水處理工藝，能更有效地去除有機物和氮化合物。該工藝的核心思想是通過兩個不同的處理階段，分別處理有機物和氮。在第一階段，采用生物處理方式去除有機物，然后在第二階段通過生物或化學(xué)方式去除氮化合物。這種分段處理的方式能夠更好地適應(yīng)不同水質(zhì)特點，提高處理效率。例如，在第一階段通常采用好氧條件，有機物被氧化成二氧化碳和水；而在第二階段通常采用厭氧或缺氧條件，進行氮的硝化和反硝化［8］。這樣的處理方式在提高處理效能的同時，減少了對氮源和有機物的過量利用。

3.3 光伏發(fā)電技術(shù)

光伏發(fā)電技術(shù)作為一種直接將太陽能轉(zhuǎn)換為電能的可再生能源技術(shù)，在污水處理廠中的應(yīng)用為環(huán)保和可持續(xù)發(fā)展提供了有力支持。在光伏發(fā)電系統(tǒng)中，通過安裝光伏組件或建設(shè)光伏電站，太陽能光伏板將陽光轉(zhuǎn)化為直流電能。隨后，逆變器將直流電能轉(zhuǎn)換為交流電能，供電給污水處理設(shè)備。通過減少對電網(wǎng)的依賴，污水處理廠可以降低能源采購成本。其次，光伏發(fā)電技術(shù)的使用可以減少碳排放，有助于實現(xiàn)低碳環(huán)保目標。這符合社會對于環(huán)境友好型污水處理廠的期望，同時也有助于企業(yè)樹立良好的社會形象。

4 結(jié)語

盡管資源回收策略在理論上表現(xiàn)出很大的潛力，但在實踐中仍然面臨著技術(shù)的成本效益、運營的可行性、廢水處理廠規(guī)模的適應(yīng)性等挑戰(zhàn)。本文在研究內(nèi)容上更加全面，考慮了多個層面的問題。在技術(shù)深度上，對污水處理能源回收方面提出了多種技術(shù)，如前端篩分COD技術(shù)、污泥高溫厭氧消化技術(shù)等，展現(xiàn)了相對獨特的技術(shù)深度。未來的研究應(yīng)重點關(guān)注資源回收策略的實施效果，通過長期監(jiān)測和評估，量化其對環(huán)境、經(jīng)濟和社會的影響。還需要深入研究技術(shù)成本、可行性和社會接受度等方面的問題，以促進這些策略的廣泛應(yīng)用。

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