污水处理厂碳中和方向及污水处理技术

谢佳 张春晓 张涵仪 董光瑞

摘 要：污水厂中含有大量的能源物质、营养物质，具有一定的热能和动能。在传统的污水处理厂中，污水处理是一个耗能工厂，本文从开源和节流两个方向，通过光伏发电、物质回收、能量回收、厌氧氨氧化、反硝化吸磷、精确曝气、精确加药等调控措施，增加污水处理厂的能量来源，减少能量消耗，从而使污水处理厂变成一个能够自给自足的工厂，甚至变成一个具有一定产能的工厂，从而达到污水处理厂的碳中和。

关键词：开源;节流;污水处理厂;碳中和

习近平主席在第七十五届联合国大会一般性辩论上宣布，中国将提高国家自主贡献力度，采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力争与2030年达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和。碳中和是锁定未来低碳发展路径，以技术突破带动新一轮产业和科技革命，推动疫情后京津绿色复苏，在化解全球气候危机、营造良好外部环境的同时，实现能源安全、经济高质量发展和生态高质量保护。从中国当前的现状来看，能源类、工业类以及交通是碳排放的主要来源。相应而言，污水处理能耗虽然没有发电、钢铁、化工等行业高，但总能耗占比并不小，同样属于能耗大户。本文将从开源和节流两个方面考虑如何实现污水处理厂绿色低碳发展[1]。

1开源措施

1.1光伏发电

传统污水处理厂占地面积较大，厂区内地势大多平坦开阔，大部分区域可以铺设太阳能光伏发电板，利用太阳能发电。同时在二沉池和高效沉淀池铺设太阳能发电板不仅可以为污水处理厂提供电能，而且对绿藻的形成具有一定的抑制作用。在厂区内光伏发电自产自用，减少了电能因长距离运输产生的损耗，提高了能源利用率[2]。

1.2物质回收利用

污水实际上一种资源和能源的载体，污水往往含有大量的有机物，有机物是一种含能物质，同时水中含有大量的植物营养素（N，P，K）。传统的处理工艺是利用活性污泥法，利用电能，对污水进行曝气，通过微生物作用把有機物转化为CO2和H2O，氮通过硝化、反硝化作用，转化为N2，磷通过厌氧释磷、好氧吸磷，通过污泥排除。传统的处理工艺不仅不能回收污水中的物质，并且为了达到理想的处理效果，还需要提供较多的能源（电能）和物质（碳源）。

与其让有机物被氧化为CO2，以这种以能消能的方式去除，步入尽可能转化为可再生的能源物质（例如：CH4）加以利用。奥地利的Strass污水处理厂，采用AB工艺，把74.3%的进水COD以剩余污泥的形式进入污泥处理单元，通过厌氧发酵产生CH4，产生的CH4用于热电联产。2008年又通过投加厨余垃圾进一步提高产气量。有效的回收了废水中的碳源。

磷是一种不可再生、不可替代资源，污水处理厂中磷的回收不仅是磷资源的可持续发展的需要，也是改善环境污染的有效措施。目前以鸟粪石形式回收磷是一种研究较多的方法，通常采用磷酸钙盐和鸟粪石沉淀的形式从污水中回收磷。Durham污水处理厂为解决污泥消化上清液、脱水回流液等对主体工艺造成的氨氮和磷的冲击负荷，以及解决鸟粪石积累对污泥厌氧消化系统、管道等的堵塞问题，同时考虑“变废为宝”，将磷、氨氮加以回收利用，实现污水、污泥的资源化。通过Pearl ?工艺和WASSTRIPTM工艺的联合使用，Durham污水处理厂在实际操作过程中能够将聚磷菌中约三分之一的磷释放出来用于形成鸟粪石颗粒[3]。

1.3能量回收利用

污水中蕴藏了巨大的热能和动能，其自身也是一种重要的资源。

污水中蕴藏了相当可观的热量，这部分可以通过污水源热泵技术对其进行收集和传输，为厂区或者厂外周边生活办公区提供暖气或者制冷，能够节约大量的能源。污水源热泵的合理应用将极大的减少CO2的排放。

污水中同样蕴含了巨大了动能，可以通过在管道内设置涡轮机利用污水水力进行发电，在获得电能的同时又可以增加水中的溶解氧。但是这样方式往往会增加投资成本，具体使用过程中需要具体分析。

污水本身的再生利用也是碳减排的有效措施。污水经过处理可以用于农田及景观灌溉、景观用水、冲厕以及补充地表水和地下水。有效的节约了自来水，减少了碳排放。

2节流措施

2.1提质增效

2.1.1厌氧氨氧化

厌氧氨氧化（anaerobic ammonium oxidation，ANAMMOX）是指在缺氧或厌氧条件下，以亚硝酸盐作为氧化剂将氨氧化为氮气或者以氨作为电子供体将亚硝酸盐还原成氮气的生物反应。是一种新型废水脱氮处理方法，具有经济简便等特点。但因氨氧化微生物对反应底物的浓度比例（理论值：NO2--N：NH4+-N=1：1.32）要求严格，为此，前置部分亚硝化工艺稳定生成NO2--N 通常被认为是氨氧化得以发生的前提，即部分亚硝化-厌氧氨氧化（Partial nitrification-anammox，PN/A）。与传统硝化-反硝化脱氮工艺相比，PN/A 工艺无需外加碳源，能节约57.3%的曝气量，并减少83.7%的污泥产量，应用前景广阔。目前PN/A工艺常常被用于污泥消化液、焦化废水、垃圾渗滤液。例如：奥地利Strass 污水厂、北京小红门污水处理厂污泥消化液处理应用PN/A工艺脱氮[1， 4]。

2.1.1反硝化吸磷

传统的生物除磷的原理是利用聚磷菌在厌氧释磷好氧吸磷，通过排除剩余污泥，除去生物系统的磷。但在实际应用中存在很多问题，例如反硝化菌和聚磷菌间存在着碳源竞争的关系，而在传统的城市污水中碳源普遍较低，难以同时满足脱氮除磷的需要。硝化除磷技术作为一种新型高效低能耗的技术成为近年来水处理领域的热点。反硝化除磷作用可以在缺氧段无碳源的情况下进行，不仅实现同时除磷脱氮，还克服了生活污水中基质缺乏的问题，尤其适用于高氮磷废水及产生挥发性脂肪酸潜力低的城市污水。应用反硝化除磷工艺处理城市污水时不仅可节省曝气量，而且还可减少剩余污泥量，即可节省投资和运行费用[5]。

2.2节能降耗（精确曝气、精确加药）

据统计，目前国内污水处理厂A2O、A/O、氧化沟工艺占比达65%以上，吨水电单耗在0.3度以上，运行电耗偏高。在生产成本中，电费约占直接生产成本的60%-90%，搅拌设备和鼓风机的耗电量又占到总用电量的50%-70%。从某种程度上说，搅拌设备的耗电量和曝气量的控制决定着整个污水处理厂的能耗水平和处理效果。精确曝气系统是近年发展起来的一套较好控制鼓风曝气的节能技术，既能保障污水处理厂设备连续稳定运行，又可实现节能降耗，对于污水处理厂的碳中和具有一定的促进作用。

除磷和消毒是污水处理厂重要生产工艺，由于污水处理的生物特性以及水流的物理特性导致加药和消毒系统的过程存在滞后性、非线性等特性。多数污水处理厂的除磷、消毒工艺仍然只能用手动方式，部分新建的污水處理厂也仅仅实现了远程手动操作，这就导致了除磷药剂和消毒药剂的加药量偏大。为了在保证出水稳定达标的前提下，降低除磷药剂和消毒药剂的投加量，精确加药系统应运而生。精确加药系统通过对比进水水质和出水水质与数据模型相结合，计算出相应的投加比，投加比结合进水水量，工艺参数等，系统自动计算加药量，系统的阀门和泵自动调节。实时投加。使得出水水质始终保持最佳效果。

3总结

污水含有大量的能量物质、无机营养物质（N，P，K）以及巨大的热能和动能，污水处理厂中也有巨大的土地面积。充分利用这些优质资源，通过上述方法，开源节流，把我们的污水处理厂变成一个能够自给自足的工厂，甚至变成一个具有一定产值的工厂。

参考文献：

[1] 郝晓地， 程慧芹， 胡沅胜. 碳中和运行的国际先驱奥地利Strass污水厂案例剖析 [J]. 中国给水排水， 2014， 30（22）： 1-5.

[2] 房镇， 傅洪波， 丁良才. 分布式光伏发电系统在污水处理厂的应用 [J]. 节能与环保， 2019， 09）： 86-7.

[3] 孟勇彪， 李志， 王林， et al. 中试鸟粪石流化床反应器回收污泥强化厌氧释磷上清液中的磷及产品分析 [J]. 环境工程学报， 2021， 15（04）： 1377-85.

[4] 王振毅， 李欣宇， 赵大密， et al. 厌氧氨氧化耦合反硝化技术反应机理及其影响因素研究进展 [J]. 煤炭与化工， 2021， 44（05）： 120-4+56.

[5] 王一鑫. 一种新型双污泥反硝化除磷系统的工艺参数调控及优化运行 [D]; 扬州大学， 2021.