小E研学 | 污水处理行业碳减排路径探讨
撰稿 | 呼佳宁
审核 | 林子吟
根据住房与城乡建设部发布的《中国城镇排水与污水处理状况公报：2006-2015》和《2015年城乡建设统计公报》显示，从2005年到2014年，城镇污水处理能力从不到7000万立方米/日增加到1.7亿立方米/日，增幅高达143%；城镇污水处理厂数量从1000座增加到4436座。城镇生活污水厂正常运转是削减生活污水污染的最主要的途径，生活污水和污泥处理过程含碳、氮污染物的降解转化会伴随着甲烷、氧化亚氮和二氧化碳等温室气体的产生和排放，并且废水处理设施需要消耗大量电力和化学药剂，不可避免的会产生大量的温室气体和消耗大量的能源。传统污水处理实际上为“以能消能、污染转嫁”方式，碧水的同时未必是蓝天。确实，COD+O2→CO2+H2O的传统有机物去除方式是用能量（曝气）去摧毁能量（有机物），并且随着污水厂出水标准日益提高，其所需能源也将大幅提升，结果，污水处理有可能让水环境变干净，但因耗能导致的CO2等气体则会贡献温室气体。
据研究表明2015年全国整个污水处理行业（市政污水、农村生活污水、工业污水和畜禽与水产养殖废水）的碳排放总量为1.97亿吨CO2eq，占全国温室气体排放总量的1.71%。其中市政污水行业的碳排放强度稳定在0.92kgCO2eq/m3左右，若沿用当前的排放强度，我国市政污水行业将在2030年排放8316万吨CO2eq温室气体，整个污水行业将产生碳排放3.65亿吨CO2eq，占全国总排放量的2.95%。所以污水处理系统产生碳排放的量是巨大的，是我国碳排放的重要一环，为实现我国的“双碳”目标，污水处理厂的碳减排工作意义重大。
图1 碳中和（图片摘自网络）
一、污水处理厂典型工艺
污水处理厂典型工艺为污水通过污水管网收集，然后泵送至污水处理厂进行处理。污水进入污水处理厂后先经过一级处理，去除污水中所含的固体和悬浮物；然后，经过生物处理去除大部分有机物和氮磷，并产生剩余污泥；为了达到严格的出水标准，常常采用三级处理以进一步去除氮磷。符合出水标准的出水将被排放到自然水体中，产生的污泥经浓缩、调质、脱水后，进行无害化处置。
其中污水处理的主体生物处理工艺中除了传统的活性污泥法（CAS），还包括厌氧－好氧工艺（AO）、厌氧－缺氧－好氧活性污泥法（AAO）、氧化沟工艺、序批式活性污泥法（SBR）、膜生物反应器（MBR）、曝气生物滤池（BAF）、生物膜法等。实践发现不同工艺的耦合可以得到更高质量的出水，比如AAO与生物膜法的耦合，AO与MBR的耦合，氧化沟工艺与BAF的耦合等等。
图2 污水处理典型工艺流程（摘自论文）
污水处理过程会产生大量剩余污泥，一般污水厂将剩余污泥脱水后委外处理，常见污泥处理步骤为：重力沉淀，加入氯化铁、石灰或有机髙分子絮凝剂促进固液分离，最后使用带式压滤、板框压滤或离心脱水等技术进行脱水。脱水后的污泥进行无害化处置，国内外常用的污泥处置方法有卫生填埋、焚烧、建筑材料利用等。
二、污水处理厂碳排放现状
污水处理系统中碳排放是一个多部门多流程的复杂过程，污水厂的碳排放分为直接排放和间接排放。直接排放是指污水生物处理过程有机物转化为CO2的排放，脱氮过程中N2O的排放，污泥处理过程中CH4的排放；间接排放主要来自污水处理系统中电耗，比如能耗较高的处理单元有污水提升设备单元，曝气系统单元，物质流循环单元，污泥处理单元及其他环节的机械设备，具体排放情况见下表。
表1 污水处理系统碳排放途径
排放 分类 | 产生途径 | 碳排放 气体 |
直 接 排 放 | 污水生化处理 | CO2 N2O |
污泥生化处理 | CH4 N2O | |
间 接 排 放 | 污水及污泥处理过程中的电力 及燃料消耗 | CO2 |
污水及污泥厌氧处理的 供热过程 | CO2 | |
污水处理厂所需电耗、燃料 和药剂的生产和运输 | CO2 | |
处理水排放到受的水体后 残余物降解 | CO2 CH4 N2O | |
污泥最终处置 | CO2 CH4 N2O | |
污水管道输送 | CH4 |
以某城镇污水厂为例，直接排放碳排放占总排放的70%以上，间接排放占30%，其中甲烷的碳排放量折算后达到82%以上，所以通过甲烷等沼气产能的回收可大幅降低碳排放的总量。
三、污水处理厂碳减排路径展望
从碳排放尺度而言，污水处理过程是一个高耗能行业，未来污水处理行业的碳减排首先应该从全局入手，在规划理念、工艺选择、运行管理的方案比选中引入“碳尺”概念，污水收集、输送、处理、处置全方位采用低碳技术，削减“碳源”，增加“碳汇”。所以未来污水厂“碳中和”目标的实现可以从两个方面进行，一是“开源”，即挖掘污水中潜在能量，例如从生化处理过程、污泥处理过程进行能量回收利用，探索能源自给模式可行性，从而降低能源损耗；二是“节流”，即通过技术革新、智能装备、工艺优化等方式降低电耗，从而降低碳排放。
国外工程实例
芬兰Kakola污水处理厂处理规模为10×104m3/d，为了实现低碳排放，Kakola热泵厂毗邻Kakola污水处理厂建设，利用出水余热，为图尔库地区的公共建筑和家庭供热/供冷。
图3 芬兰Kakola污水处理厂
波兰一污水厂采用热电联产方式，实现发电1.02MWe、7700MWh/a、产热1.05MWt、28647GJ/a。利用生物质能源替代化石能源，是碳减排同时减少大气污染的重要途径之一。
图4 波兰Poznan(波兹南)
日本岩手县以都南污水处理厂(处理能力195600m3/d)能源自给为目的，优化设备运转方式，降低电耗。具体措施为水泵避免转速过低和频繁启停，风机根据处理负荷选择最合适风量和最佳机型，搅拌器厌氧池和污泥储槽中的搅拌器间歇运行。以2015年为基准，2019年(试验后)电耗减少3.3%。
图5 都南污水处理厂
国内案例——污水处理概念厂
在深入研究了解国外先进污水处理厂理念、工艺、技术和工程实践的同时，中国学术界和产业界也在积极探索新的污水处理模式。2014年，中国工程院院士曲久辉等6位专家提出“建设面向未来的中国污水处理概念厂”的构想。污水处理概念厂将实现以下需求：
1
出水水质满足水环境变化和水资源可持续循环利用；
2
大幅提高污水处理厂能源自给率，在有适度外源有机废物协同处理的情况下，做到零能耗；
3
追求物质合理循环，减少对外部化学品的依赖与消耗；
4
感官舒适、建筑和谐、环境互通、社区友好。
2020年4月，宜兴概念厂正式破土动工，于2021年全部建成投运。宜兴概念厂采用水质净化中心、有机质协同处理中心和生产型研发中心“三位一体”生态综合体“构造肌理”，颠覆了传统污水厂形态，将示范污水处理厂从污染物削减基本功能扩展至城市能源工厂、水源工厂、肥料工厂等多种应用场景。该厂的投运，将引领“污水是资源，污水厂是资源工厂”的新环保理念，将重新诠释污水厂和城市的关系，打造出生态、生活、生产“三生”融合一体、开放共享的新型城市空间。
图6 宜兴概念厂
综上所述，未来污水处理行业碳减排应该借鉴各类经验，采用全生命周期管理理念，从污水厂建设初期关注工艺、技术、装备、循环经济；运营过程提高综合能效、减少物料消耗，实现低碳运行；以碳减排思路建立碳排放监管体系，为实现我国未来污水处理行业碳中和、碳减排奠定扎实基础。
参考文献：
[1]刘智晓.未来污水处理能源自给新途径——碳源捕获及碳源改向[J].中国给水排水,2017,33(8):10.
[2]陆家缘.中国污水处理行业碳足迹与减排潜力分析[D].中国科学技术大学,2019.
[3]柏茜,徐冰峰.某城镇污水厂处理的碳排放分析[J].中国水运(下半月),2018,18(03):133-134.
[4]中国水网：张辰再谈城镇污水系统碳排放研究
[5]微信公众号江苏生态环境：第一！全国首座城市污水资源概念厂在宜兴建成投运！
欢迎投稿、转载、合作，敬请联系
猜您喜欢