污水处理厂温室气体减排研究

摘 要：温室气体排放增加导致的全球变暖对人类社会的影响日益明显，减少温室气体排放、控制气候变化已达成全球共识，但目前我国污水处理厂并未充分重视温室气体减排问题。本文首先分析了污水处理厂的温室气体来源，然后从污水处理工艺的选择、污泥处理处置工艺的选择、污水处理厂的总体设计这三个方面来探讨温室气体减排策略，为污水处理行业的可持续发展提供一定科学依据。

关键词：污水处理厂；温室气体；减排

中图分类号：X511 文献标识码：A

1 污水处理厂的温室气体来源

污水處理厂在运行过程中会直接或间接排放温室气体。污水收集输送、污水处理、污泥处理处置过程以及处理水中残留物降解过程中都会存在温室气体的直接排放；污水污泥收集处理过程中消耗的电能、热能和药剂造成温室气体的间接排放。另外，如果回收利用污水污泥处理处置产生的沼气，直接排放可以得到部分抵消。污水处理厂排放的温室气体主要有CO2、CH4和N2O。其中直接排放的CO2是生物成因，不会导致大气中CO2含量的净增长，所以不应计入温室气体排放总量。因此本文认为污水处理厂的温室气体主要是污水污泥收集输送、处理处置过程中直接排放的CH4、N2O及能源消耗所带来的CO2的间接排放。

2 污水处理厂温室气体减排策略

2.1 污水处理工艺的选择

不同地方的环境条件、经济水平和居民生活习惯不同，污水水质水量、处理要求也会差异较大，因此在选择污水处理工艺时必须遵循的原则就是因地制宜。在经济落后的地区，可以先采用强化一级污水处理工艺待条件相对成熟后再过渡到二级处理；土地资源丰富时可选择利用当地的自然地形，如塘沟、洼地等作为污水处理的场地，优先考虑采用人工湿地、稳定塘等生态处理工艺。

厌氧工艺不需供氧因而消耗的能量少，并可将进水有机物转化为CH4，若回收利用这一能源既能降

低CH4排放量，还可减少化石化石燃料的消耗。当进水BODu浓度大于300 mg/L时（见图1），厌氧生物处理工艺排放的温室气体更少，并且减排效果随着进水BODu浓度的增大而越发显著。另外，一般厌氧工艺产生的污泥量较少，使其经济性和环保性更好。因此，条件适宜时选用厌氧工艺有利于减少温室气体的排放量。

下面以某污水处理厂为例分析污水处理工艺确定的过程。该污水厂进水为生活污水和工业废水的混合污水，其中工业废水所占比例较大。进水几乎不含有重金属和有毒有害物质，但生化可行性较差，氮磷浓度较大，所要求的污水处理程度较高，水量水质不够稳定，与大城市相比水量较小。从处理效果来看，A2/O、SBR、氧化沟三个系列工艺均可满足要求，但每种工艺均具有一定的优点和局限性。进行工艺选择时，应充分考虑技术的可靠性、先进性，同时要与工程项目污水厂进出水水质及当地自然、经济条件等方面相适应。根据该规划污水处理厂进水水质特点和出水水质要求，选择具有脱氮除磷功能，且经济、高效、节能、环保、科学的工艺。

氧化沟多为分建式，回流量大，且通常采用机械曝气，电耗较大；还会因动态沉淀影响出水水质。而A2/O工艺和SBR系列中的CASS工艺的脱氮除磷效果都比较稳定，其次，A2/O工艺成熟可靠、脱氮除磷效果更好、运行成本较低，不易发生污泥膨胀；CASS工艺具有处理流程简单、节省投资及占地、抗冲击负荷能力强、运行稳定、技术先进且成熟等特点。因此，根据本项目的特点，暂排除氧化沟法，而将A2/O工艺和CASS工艺作为备选方案再进行比较（见表1）。

两工艺方案技术成熟可靠，对水质水量有较强的适应性，不易发生污泥膨胀，都能保证出水水质稳定且能达到设计要求。A2/O工艺方案构筑物数量多，占地多，投资大；CASS工艺流程简单，无二沉池及污泥回流泵房，布置紧凑，节省投资、占地及能耗，更适应当地的自然条件。CASS方案自动化控制要求较高，需提高污水厂员工的素质，这与社会人类的发展方向相适应。CASS工艺一般产生的污泥较少，更凸显其在经济上和温室气体减排方面的优越性。

综上所述，并充分考虑到 CASS 工艺的先进性、成熟性，且占地少、投资省、易实现设备的集成化和自动化，因而更适应当地自然条件和未来的发展，推荐采用水解酸化+CASS法作为本工程的处理工艺。在该工艺的设计中，可通过选取最佳工艺运行参数、采用节能技术与设备，最大限度地降低工程造价、运行费用及温室气体排放量，实现污水厂工艺方案的整体优化。

2.2 污泥处理处置工艺的选择

不同污泥处理处置工艺的温室气体排放量和减排程度比较见表2。由表2可以看出，在各种污泥处理处置工艺中填埋的温室气体排放量最大；污泥厌氧消化+沼气发电的减排程度最高，其次是污泥余热干化+焚烧、余热干化后混烧、好氧堆肥等。

在确定污泥处理处置工艺时，应综合考虑安全、经济、高效、环保等因素。污泥量较大时，建议选择厌氧消化+沼气发电的方式，其温室气体排放量较少，所产沼气纯度高、稳定，便于回收利用，且污泥经消化后脱水性能好。例如巴姆堡污水厂（9万m3/d污水）将污泥厌氧消化产生的沼气净化处理后用于发电发热，2011年电力热力已完全实现自给。如果厌氧消化设施的建设受到限制时，污泥经余热干化后可在当地的工业窑炉混烧或焚烧发电，这既可以降低投资和运行费用又可节省化石燃料而减少温室气体的排放。污泥量很少时，湿污泥可不经干化而直接混烧。经济相对落后的地区，适宜采用好氧堆肥的方式，污泥经堆肥后可代替化肥并增加碳汇，抵消污泥处理过程中的大部分的温室气体排放量。若受条件限制只能选择填埋时，可将污泥与生活垃圾混合经好氧预处理后再填埋，改善填埋作业条件，减少填埋过程中的温室气体排放。

为减少温室气体排放还改善现有工艺。当污泥消化设施容积有剩余时，可通过投加过期食品、废油脂、厨房垃圾、屠宰场废弃物等增加产沼原料，从而增加沼气产量。例如德国的阿伦斯堡污水处理厂投加了大约3%体积的废油脂等，电力自给率由30%提高到100%。污泥厌氧消化过程中的水解阶段比较缓慢，若通过碱处理、热处理、超声波、射线、臭氧氧化等方法进行预处理，污泥中的颗粒成分被破坏，释放出厌氧微生物所需的有机质，从而提高水解效率，增加沼气产量。

2.3 优化污水厂的总体设计及管理体系

污水处理厂的平面布置时应结合污水厂中各构筑物的功能和特征进行。为便于管理、减少温室气体排放、节约占地、减少连接管渠的长度，布置要紧凑，生产关系密切的应互相靠近，甚至组合在一起。连接各构筑物的管渠要简短，避免不必要的拐弯和立体交叉。立面布置时，要充分利用地形，减少挖填方量，尽量做到重力自流。若实现不了重力自流时应尽量实现污水污泥的一次提升，避免多次提升。合理确定各构筑物的标高、进出水口形式、管渠的尺寸及构筑物和管渠之间的连接方式等，尽量减少水头损失。

目前我国污水处理厂大多采用政府建设、政府运营的管理模式，这样浪费了很多资源，运行效率也不是很高，对此，可以实行污水处理厂建设与运营的市场化和产业化。国家和污水处理行业应制定相应规范指导温室气体排放评价的进行，建立减排管理评价体系，以检验低碳运行成果，并采取相关经济措施鼓励低碳运行。行业协会或环保部门等非盈利组织可实时监控全国污水处理系统的运行状况并进行汇总分析，提出相应各处理环节的温室气体排放平均值和优化指导值，方便运行管理人员参考。此外，也可在条件允许的地区开展示范项目，向社会公开其运行结果，以便于其他污水处理系统进行各方面运行状态的比较，由此了解温室气体减排潜力和方向进而开展相应减排工作。

3 结论与建议

为响应低碳城市的号召，在规划、建设和运行污水处理厂时必须要考虑温室气体减排问题。本文从污水处理工艺的选择、污泥处理处置工艺的选择、污水处理厂的总体设计这三个方面来探讨了温室气体减排策略，认为污水处理厂需要综合考虑当地的自然环境、经济状况、环境标准、居民生活习惯、污水水质水量、处理要求及各种污水处理工艺类型及运行条件等因素，确立合理可行的减排策略。

由于污水处理厂系统复杂，涉及环节较多，不同处理单元、处理工艺的参数和指标各异，而污水处理厂的温室气体排放研究在我国相对较少，很多资料的获取存在困难。因此，为减少温室气体排放，必须要加强在这方面检测和研究。

参考文献：

[1] 张秀梅.考虑碳排放的中小城镇污水处理系统规划研究[D].西南交通大学，2014.

[2] 郝晓地.可持續污水—废物处理技术[M].中国建筑工业出版社，2006.

[3] 杨顺生，陈钰，曹洲榕.德国污水处理考虑减排的工程实例及思考[J].四川环境，2012（1）.

[4] 梅小乐，周燕.城市污水处理厂节能水平评估标准探讨[J].给水排水，2011（3）.

[5] 陈功，周玲玲，戴晓虎，董滨.城市污水处理厂节能降耗途径[J].水处理技术，2012（4）.

[6] 李欢，金宜英.污水污泥处理的碳排放及其低碳化策略[J].土木建筑与环境工程，2011（2）.

[7] 杨博，杨长军.城市污水处理厂的节能降耗[J].华北水利水电学院学报，2011（4）.

（本文审稿 戴定兰）