近年来,碳中和是一个热门话题,不断增加的CO2排放已经成为世界的基本难题之一。2015年《巴黎气候协定》规定将气温上升限制在2 ℃以内,为了达到这个目标,我国采取了严格的法规和排放标准。现阶段国内大部分的污水处理厂仍不能满足可持续发展的要求,随着国家和地方采取越来越严格的排污标准,我国现有老式污水处理厂普遍暴露出达标难、不稳定、能耗高、污染治理难等问题。

统计结果表明,2020年,我国共有4 496座城镇污水处理厂,总处理规模为23 070万m3/d。对于许多城镇而言,污水处理厂是最大的能源消耗者,如果采用常规技术处理,污水处理能耗可占全球电力的3%,如果不尽快优化目前和未来的处理厂处理技术,污水处理设施的能源消耗将持续增加。依据2005年《关于严格执行〈城镇污水处理厂污染物排放标准〉的通知》及2006年修订的《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918—2002)要求,城市污水处理设施向国家、省属重要河流、湖泊、水库等封闭、半封闭的水体进行排污时,要达到一级A标准,开启了国内“提标改造”的帷幕。

目前,国内大部分的城市污废水处理都是以生物法为主,在处理过程中,为了达到水质净化的目的,必须消耗很多化学物质和能源,同时还会排放出许多的CO2、甲烷(CH4)等温室气体(GHG)。这种处理方式是“以能消能”的不可持续手段,如何实现“零碳型”排放,是污水厂实现碳中和运行的一个重要环节。

本文整合了目前污水处理厂的部分主流处理工艺及未来可突破的技术，归纳优缺点,以期为我国污水处理厂低碳绿色运行，实现碳中和运行的目标提供借鉴与参考。

1 污水处理厂节能减排的实现途径

污水处理是能源密集型的高耗能产业。目前,我国污水处理规模大,能耗高,CO2排放量始终位居世界第一位。通过采取节能措施和调整处理工艺,大部分的污水处理厂可减少30%以上的能源投入。

1.1 污水处理综合能效的提升分析

1.1.1 污水处理设备提质增效

电耗在污水处理厂的能源消耗中占比较大,对污水处理设备进行合理的改造优化,可以实现节能降耗、提高设备能效的目的。具体地说,在污水处理厂中,曝气系统、提升泵和污泥脱水装置占据总电力消耗的主要份额，鼓风曝气机和污水提升泵等装置的能源消耗占了69%。所以,研发曝气系统、污水提升系统等节能技术是降低能源消耗的重要措施。

在多种污水处理工艺中,氧化池作为一种天然的污水处理系统,其能源效率最高,但其占地面积大、散发异味等缺点严重限制了其应用。对于污水处理厂来说,最实用的方法是升级陈旧的设备,并针对污水的水量和水质总是波动的特点采用实时控制器,使设备在合适的工况运行。于洪波等的研究结果表明,选用空气悬浮和磁浮等高效率的鼓风机与采用传统的罗茨风机相比,可以节省30%左右的能源消耗。主体处理工艺的选取对整个污水处理厂的能源消耗总量也有一定的影响。蒋富海等采用低氧曝气等节能操作,改进后的Bardenpho悬挂链曝气器充氧动力效率高、曝气均匀性好,可有效减少曝气的能源消耗,使吨水电耗节能16%;吨水药费同比节约28%,改造后节水节能降耗效果显著。吴军伟等针对某污水处理厂,结合变频调速电动机的节能技术,根据集水池水位的动态特性,提出了一种基于智能节电装置的污水提升泵变频节能方案,经过变频调速后,两台水泵的每月耗电量下降至57 000 kW·h,节能效果>22%。

1.1.2 更新污水处理管理方法

当前,我国污水厂的运营管理过程还面临着很多的问题,比如药剂投加不精准、设备配置与实际荷载不相匹配等。解决污水厂运营管理方面的问题成为当务之急。重庆G污水处理厂通过加入辅助碳源和除磷剂来保持生物化学体系的稳定运转,但调节操作滞后、加入量不精确等情况造成污水质量不稳定。后期,该污水处理厂安装了进水在线监测仪表,科学测算碳氮比、碳磷比的值,合理地控制外加碳源或药剂投加量,并对添加位置进行了优选,确保调控措施及时、准确、高效,从而达到节能减排的目的。

在污水处理厂中应用自动控制,可实现多重效益,节省能源并减少高达9.6%的GHG排放。Baroni等在全尺寸操作过程中实现了一个模糊的逻辑系统,意大利污水处理厂的氨和溶解氧浓度的波动显著降低,通过对1/4的反应器应用模糊控制器,污水处理厂的能耗降低了4%。在我国广西桂林市,陈俊江对城市排水生产运营管理系统进行评价分析,该系统可以进一步提升污废水的综合处理能力,减少故障停机的次数,同时减少人力、材料、药剂等费用。

为了降低污水厂的碳排放,要从工艺、设备、管理、能源等多个环节入手,多措并举,在确保水质达到要求的前提下,加强对污水处理厂日常运营的监督。

1.2 加大能源回收力度的工艺措施

传统的污水生物处理工艺是能源密集型的工作,回收的资源很少或根本没有,通常需要大量的外部化学物质投入。通过碳捕集技术,结合厌氧消化-热电联产、光伏发电、污水源热泵等技术,实现污水处理的碳中和目的。

1.2.1 污水源热泵技术

污水含有大量的化学、热能和水动力能。据统计,城市社区产生的余热有40%包含在污水中。由于温度存在差异,污水中所含的热能提供了另一个间接抵消污水处理的能源需求的能量来源,其中可回收的热能比厌氧回收的化学能多6～8倍。因此,如果能将回收的热能与城市热网有效地结合起来并充分利用,水源热泵技术在促进污水处理厂接近碳中和目标方面具有巨大潜力。污水源热泵其中一部分热能可用于满足污水处理厂的采暖需要,另外一部分则被送往城镇供热系统,污水源热泵系统的详细流程如图1所示。以北欧国家为例,据报道,在瑞士和德国,3%的建筑可以通过污水源热泵供暖或制冷。与传统的空调系统相比,应用污水源热泵的中央空调系统,CO2的排放减少40%～51%,NOx的排放减少36%～49%;污水源热泵分布式空调系统减少了13%的CO2排放,以及13%的NOx排放。郝晓地等的研究结果显示,采用朗肯循环,能够充分利用余热供电,使污水处理厂达到碳中和86%的能量要求,并能进一步降低CO2的排放。青岛市团岛污水源热泵利用低品位热能,实现了传统的节能减排,年节电量为5.2×104MW·h,标煤节约1.91×104t,并减少50 042 t/a的CO2、162.4 t/a的SO2和141.3 t/aNOx-排放。

Zhang等提出一种新型组合型污水热泵供暖方式,其节能性、经济性、适用性强,能够将大量的热能通过管网向集中供暖系统输送,有助于降低燃煤和大气污染。

如图2所示,分析了不同工况下不同加热方式的一次能源利用效率。在设定的条件下,与传统的加热方法相比,污水源热泵可以充分利用污水热能资源,能够减小对环境的影响。与传统集中供热方式相比,在相同典型工况下,污水源热泵组合式集中供热方式一次能源效率提高了14%。而且,污水源热泵是一种环境友好型技术,不排放空气污染物。因此,借助污水源热泵提取热量是一种节能的有效途径,既可以节省污水厂的运行热能,又可以达到“碳中和”的目的,从而达到间接减少碳的排放量。

1.2.2 光伏发电

在环境保护压力和国家政策的双重推动下,太阳能光伏技术作为一种低碳排放的方法,成为了当前众多新建污水处理厂的选择。由于工艺流程的需要,大多数污水处理厂的结构较大,如生物反应池、二沉池等,光伏系统的安装空间通常较大。同时,相关政策指出,要大力支持污水处理厂对土地进行充分地利用来进行光伏发电建设。

刘扬等分析了首都某污水处理厂,发现利用光伏发电系统一年生产的电能为1.5×104kW·h左右,其生产的电能可以节省5.4 t煤,同时还可以降低12.2 t左右的CO2排放量,降低碳氧化合物排放量0.06 t左右。河南郑州马头岗污水处理厂开发的“光伏+水务”新的运行方式,已经在亚洲形成了“智能化+高效太阳能回用系统”的典范,该模式节能减排效果显著。安装4 000 m2光伏电池板的法国戛纳Aquaviva污水处理厂已经实现了碳中和。宾夕法尼亚州污水处理厂完成了一个3 MW的太阳能项目,该项目预计每年生产超过300万kW·h的电力,足以减少3 515 t的CO2排放。

这种单一的光伏-污水厂虽然可以达到节能的目的,但是也存在电力供应不稳定的问题。为了解决这个问题,姜放提出可以引进一种新型的锂离子蓄能发电装置,组成一个太阳能-蓄能装置-污水处理厂,其电力供应流程如图3所示。采用储能器技术对提高太阳能光伏发电的性能和降低能耗具有重要意义。除了采用太阳能外,还可以引入风能、污水热能、生物质能等新能源,从而实现多种能源的补充。近年来,许多污废水处理厂都在积极地研究多能补充的系统。

孙振宇等将污水源热泵和分布式太阳能-市电系统联合使用,使污水处理厂年可节省387.1 t的标准煤,减少483.9 t CO2排放量,减少了大气中的其他污染,取得了良好的环保和经济效益。Buller等研究了一个基于光伏能源、生物质气化炉和电网的混合系统,与沼气燃烧的混合组合可作为中型污水处理厂的替代方案,可以增加经济效益和环保效益。

但是,因为太阳能板使用氢氟酸、硝酸、三氯氧磷、异丙醇等化学成分对环境造成的危害不容忽视。太阳能产业带来的相关污染问题还需要认真对待并采取积极措施加以解决。

1.2.3 污泥厌氧消化与热电联产

文献统计表明,运行一个污水处理厂所需的电量通常为0.3～0.6 kW·h/m3。污水中有机化合物的燃烧热能为该值的9～10倍,因此,回收污水中含有的化学能具有经济效益。最可行的方法是利用厌氧消化产生的沼气发电和供热。污泥是污水处理厂生产中必然产生的副产物,由于其数量不断增加和处理不完全,污泥自身稳定性和无害化处置的结果与预期的目标有很大的差距。污泥的处理需要耗费很多的化学物质和能量,而采用填埋法进行处理会加剧温室效应,所以在污水处理厂中,对污泥处理过程碳减排的控制有着十分关键的作用。

戴晓虎等归纳分析我国典型的污泥处理处置工艺碳排放如表1所示,目前已有的污泥处理工艺流程碳排放量排序为:深度脱水-应急掩埋最多;干化焚烧-建材利用次之;好氧发酵-土地利用较少;厌氧消化-土地利用最少。由表1可知,污泥的处置主要碳排放来源于设备的电耗、油耗以及药物消耗,相应碳补偿措施也较易实现。赵阳悦等在吉林某公司改造扩建后的污泥厌氧化工程中,提出一种将污泥和有机助剂混在一起进行的厌氧消化技术,能够达到回收能源的目的,并且减少9 414 t CO2-eq的GHG排放。

污水处理厂有大量的污泥,经过厌氧法处理后得到的沼气是一种非常洁净的能源,其中以沼气的热电联产在污水厂中最为普遍。为了促进CH4生产,增强过程稳定性,可以添加共基质,如城市固体废物的有机组分;或污泥预处理方法,如应用热水解工艺。我国大力推广采用中温发酵的污泥厌氧法,其中青岛麦岛和北京高碑店等污水处理厂的工艺效果最好。崔濡川等根据能源阶梯利用原理,结合沼气热电联产技术对现有的发电设备进行了改造,与传统的燃煤工艺比较,本工艺可节省558 t标准煤炭,降低了SO2和NO2对大气的污染,并取得了明显的环保和经济效益。邵彦青等考察马来西亚Pantai污水处理厂,该污水厂采用热电联产技术,降低了60%的污泥含量,年节约标煤19.85 Mt。

污泥的厌氧消化使污水厂实现了剩余污泥的稳定化和资源化处理。污水厂设置的厌氧消化装置可为污水厂提供40%～60%的运行电耗。综上,污水污染物的主要厌氧降解在经济上和技术上看来可行,而且就GHG的产生而言,对环境有重大好处。

针对以上不同污水处理厂节能技术路线的碳中和研究,得出了表2所示的优缺点。

再生水源热泵比污泥厌氧消化技术结合沼气热电联产具有更高的碳中和效果,再生水源热泵可产生74.22 t标准煤热能,而污泥厌氧消化仅能回收3.03 t标准煤热能和2.97 t标准煤电。随着污水厂处理负荷的增加,再生水源热泵可以达到更高的碳中和效果。光伏发电的应用需要考虑地理位置,在太阳能资源丰富的地区,光伏发电体系的碳中和率可以接近厌氧消化体系的碳中和率。以5万m3/d的污水厂为例,拉萨碳中和率为35%,长春为24%,贵阳为13%。不同太阳能光强的城市碳中和率差异可达2～3倍。在太阳能丰富的地区,可以回收和利用更多的太阳能,这更有利于光伏发电系统的功率转换效率,并可获得更高的碳中和。但是在构筑物顶部安装太阳能电池板工程太过复杂,也使得该技术没有得到广泛应用。污泥厌氧消化技术可以处理有机物含量较高的污泥,并且可通过沼气热电联产系统提供热能和动力。随着污水厂规模的增加,污水源热泵可以从污水中回收更多的废热,其碳中和率将显著提高。同样,随着污水厂规模的增加,光伏板的可铺设面积也会变大,光伏发电系统回收的太阳能也会更多,碳中和率也会更高。然而,污水厂规模的变化对污泥厌氧消化系统影响不大。