導 讀

 

污水處理碳排放包括間接排放和直接排放。

 

污水處理是社會中較小的行業，但屬于能源密集型行業，美國、德國、日本等國家污水處理行業電耗占全社會總電耗的1%左右，高能耗導致大量間接碳排放。

 

污水處理過程會產生并逸散大量CH4和N2O，是重要的直接碳排放源。

 

據歐洲統計辦公室2014年歐洲統計報告，污水處理與固體廢棄物處理組成的廢物處理行業是第五大碳排放行業，占全社會總碳排放量的3.3%。

 

美國EPA統計預測，全球污水行業2015年CH4和N2O逸散量分別為5.4億t 和0.9億t CO2當量，預測2020年將分別達到5.65億t和0.94億t CO2當量，2030年將分別超過6億t 和1億t CO2當量，約占非CO2總排放量的4.5%。

 

總體上，污水處理行業碳排放量占全社會總排放量的1%～2%。

 

而碳達峰、碳中和目標的提出，對“十四五”水污染防治工作也將產生深遠影響。

 

首先中國很多地方缺水，而污水治理達標后又白白排放掉了，非常可惜。如果把這些再生水循環利用起來，對每一個城市來講就都是一個巨大的穩定的水源，在確保安全的前提下可以利用起來。

 

一方面，這樣可以減少污染源的排放；另一方面，也可以減少碳的排放，因為這些水的回用就意味著處理過程的能耗、藥耗省掉了。

 

按照國際經驗，采用高效的設備，對水廠運行過程進行優化控制，電耗可降低20-50%，則進行水廠的提效改造可節省耗電量為28-70億kWh，相當于減少排放CO2e 279-698萬t/a，產生效益約為22.4-56 億元人民幣。

 

目前我國污水處理廠在運行過程中，既有由于運行調控的不合理以及管理不當所導致的能源浪費，也有各處理單元設備效率低下造成的碳排放量過高。

 

對于中國污水處理廠的低碳運行有兩個方面需要重視：一是基于全生命周期的碳排放量低，主要面向污水處理過程中所用的構筑物、產品或服務；另一種是終端消耗的碳排放量低，需要關注處理電耗、藥耗以及運營過程中的節能減排。

 

1. 提高污水處理綜合能效 　　

 

第一，采用高效機電設備，新建設施直接采購高效設備，已有設施逐步更新成高效設備。污水處理機電設備主要包括水力輸送、混合攪拌和鼓風曝氣三大類。采用高效電機通常可實現5-10%的效率提高。

 

第二，加強負載管理，滿足工藝要求的前提下要使負載降至最低，同時，設備配置要與實際荷載相匹配，避免“大馬拉小車”。

 

主要包括以下幾個方面：① 污水提升以及污泥回流等單元的水力輸送設備絕大部分時段在低效工況運行，應予以改造。②污泥混合攪拌設備的設計攪拌功率普遍偏大，處于過度攪拌狀態，準確把握攪拌器與介質之間力和能量的傳遞關系，可以準確衡量實際工況所需攪拌器的大小，有效避免電耗浪費。③優化推進器和曝氣系統的位置和距離，可以使系統的能量損失最小。④ 曝氣系統的電耗約占污水處理總電耗的50-70%，是加強負載管理的重點。

 

第三，建立需求響應機制，根據實際工況的需求及其變化，動態調整設備的運行狀態。目前污水行業已經出現感應式調速和線性調速的水力輸送和攪拌設備，此類設備可以有效優化水力輸送和攪拌系統的整體運行情況，實現節能降耗。

 

采用內置智能控制系統的水力輸送設備和攪拌器，在特定工況條件下，與傳統設備相比，甚至可以節省50%以上的能耗。

 

2. 大力回收能源 　　

 

污水中蘊含著大量的能量，理論上是處理污水所需能量的很多倍。污水經處理后，其中的能量大部分轉移到了污泥中，因此開發回收污泥中的能量具有極大的潛力。

 

污泥能源化主要集中在厭氧方向，污泥厭氧能源化包括厭氧發酵產乙醇、厭氧發酵產氫和厭氧消化產甲烷三個技術路徑。

 

傳統厭氧消化技術能源轉化率在30-40%，而高級厭氧消化技術可提高到50-60%。高級厭氧消化技術包括高溫厭氧消化、溫度分級厭氧消化(TPAD)、酸—氣兩相厭氧消化和延時厭氧消化。

 

采用傳統厭氧消化技術可使污水處理廠實現20-30%的能源自給率，預處理、高級厭氧消化、渦輪發動機或燃料電池以及熱電聯產(CHP)等技術的耦合使用，有望使污水處理實現30-50%的能源自給率，及大大降低間接碳排放量，又降低甲烷產生并逸散導致的直接排放。

 

3. 探索可持續新工藝 　　

 

(1)針對有機物去除的工藝

 

基于有機污染物去除的可持續污水處理新工藝主要是厭氧處理技術，能耗低，且可回收能源。

 

高濃度有機廢水的厭氧技術已成熟，但城市污水有機物濃度低，厭氧處理存在投資大和占地大等障礙。

 

可以尋找市場上相關新材料新技術，如特種吸附材料相關配套工藝進行針對性有機物的去除。

 

(2)針對脫氮的低能耗、低藥耗工藝

 

低能耗、低碳源消耗的脫氮工藝主要包括基于短程反硝化原理的SHARON工藝和基于厭氧氨氧化的ANNAMOX/DEMON工藝。與傳統的AAO工藝相比，SHARON可節約25%的能耗、40%的碳源消耗，而ANNAMOX工藝可節約60%的能耗、90%的碳源消耗。

 

目前，SHARON和ANNAMOX在高濃度氨氮污水處理中已較成熟。ANNAMOX工藝在典型城鎮污水處理上雖有進展，但離實際應用仍有差距。

 

(3)碳氮兩段法工藝

 

未來革命性的可持續污水處理工藝方向是碳氮兩段法：首先對污水中的有機物進行分離，分離出的污泥通過厭氧消化產生CH4，或對污水直接進行厭氧處理產能，分離后含有氨氮的污水通過主流厭氧氨氧化進行脫氮。

 

根據理論估算，采用上述碳氮兩段法，處理1人口當量的污染物將產生24瓦時能量，使污水處理廠真正成為“能源工廠”，且污泥產量僅為活性污泥法的四分之一。

 

專家們認為，在投資建設領域，應貫穿生命周期成本理念，關注工藝、技術、機電裝備建設成本，更要注重運營過程的節能低耗，要低碳建設污水處理設施；在運營生產領域，應構建清潔生產技術體系，提高綜合能效、降低物料消耗，實現污水處理設施的低碳運營；在監督管理領域，應提出減排目標，建立以碳審計為核心的碳排放監管制度體系，引導行業實現低碳發展。