低碳氮比进水AAO污水处理厂低碳运行

周 政,李怀波,王 燕,2,王 硕,3,4,李 激,3,4*

低碳氮比进水AAO污水处理厂低碳运行

周 政1,李怀波1,王 燕1,2,王 硕1,3,4,李 激1,3,4*

(1.江南大学环境与土木工程学院,江苏 无锡 214122；2.无锡普汇环保科技有限公司,江苏 无锡 214122；3.江苏省厌氧生物技术重点实验室,江苏 无锡 214122；4.江苏高校水处理技术与材料协同创新中心,江苏 苏州 215009)

为探明低碳氮比进水条件下AAO污水处理厂的碳排放特征,提出可行的低碳运行策略,基于排放因子法对7座低碳氮比进水AAO污水处理厂(分为AAO组和AAO-MBR组)运行1a产生的碳排放进行核算与评价,对具有显著低碳表现的污水处理厂开展全流程分析剖析其碳减排途径.结果表明,电耗和N2O排放是主要碳排放来源,分别贡献49.43%和25.75%的碳排放. AAO-MBR组以间接碳排放为主,电耗碳排放占至约60%,而AAO组生物作用导致的直接碳排放占主导. AAO组平均吨水比碳排放显著低于AAO-MBR组(0.47和0.79kgCO2eq/m3),更具低碳运行潜力. 7座污水处理厂中,WWTP7各项比碳排放评价指标均为最低,意味着其最具低碳运行能力.充分利用进水碳源,多路径协同脱氮除磷同时精准控制溶解氧浓度避免过曝气是其大幅削减能耗和物耗,实现碳减排的关键路径.

低碳氮比；AAO污水处理厂；碳排放特征；多途径协同脱氮除磷；低碳运行

污水处理厂不仅是水质净化的主要场所,同时也是潜在的重要碳排放源,其碳排放可分为直接碳排放和间接碳排放,其中污水处理和污泥处置过程中各类温室气体的排放称为直接碳排放,以非CO2类温室气体排放最显著:污水处理厂CH4排放量约占人类活动CH4总排放量的4%, N2O排放量约占人类活动N2O总排放量的5%[1-2];间接碳排放主要包括能耗、物耗等的碳足迹,当前我国污水处理厂具有高能耗、物耗特征[3],一般电耗导致的间接碳排放可占总碳排放的50%以上[4].随着城镇化规模的扩大,市政污水管网服务人口将不断增加,污水处理总量将持续增长;同时水环境安全地位的提升[5]及污水回用需求的增加[6],将推动污水处理标准逐步提高,意味着污水处理厂的碳排放影响将愈发显著.

运行阶段是污水处理厂碳排放的主要来源[7],通过有效的工艺运行调控可获得显著的碳减排效益.采用碳排放模型研究表明[8],改进运行策略可以在提升30%总氮(TN)去除率的同时降低20%的碳排放.AAO工艺是我国城镇污水处理厂应用最广泛的工艺类型[9],但作为单污泥系统,其存在聚磷菌(PAOs)与异养反硝化菌竞争碳源的固有矛盾,而我国市政污水普遍具有低碳氮比(C/N)特征[10],在日趋严苛的氮磷排放标准下,为达标排放,污水处理厂通常外加大量碳源和除磷药剂强化脱氮除磷.但碳源和除磷药剂消耗本身会导致间接碳排放,碳源氧化产生CO2或进入污泥中以CH4形式释放又会增加直接碳排放,外加碳源在好氧池氧化还会消耗额外的溶解氧(DO),增加曝气能耗.此外,低C/N条件下微生物的代谢活性会受到抑制,导致实际生物需氧量降低,出现过曝气问题[11],造成高污染物去除比能耗[12]和比碳排放水平.

目前针对低C/N进水AAO污水处理厂碳排放特征的研究较少,缺少对其低碳运行可行性和碳减排路径的探讨.为此,本研究对7座基于AAO工艺的低C/N进水污水处理厂进行碳排放核算,并对具有显著低碳运行特征的污水处理厂开展全流程分析,剖析其碳减排路径,旨在为低C/N进水AAO污水处理厂的低碳优化运行提供参考.

1 材料与方法

1.1 污水处理厂概况

7座基于AAO工艺的污水处理厂均以生活污水为进水,出水执行《城镇污水处理厂污染物排放标准》GB18918-2002一级A标准[13],基本信息见表1.

表1 7座城镇污水处理厂基础信息

1.2 碳排放核算

1.2.1 数据来源 以7座污水处理厂2020年实际运行的数据作为碳排放核算基础数据,数据来源于全国城镇污水处理管理信息系统,见表2.

表2 7座污水处理厂碳排放核算基础数据

注: ()内数据为药剂有效含量;-为未添加.

1.2.2 核算边界与方法 核算污水处理与污泥处置过程产生的碳排放.核算基于排放因子法,参照《IPCC 2006年国家温室气体清单指南 2019修订版》[14],《城镇污水处理厂污染物去除协同控制温室气体核算技术指南(试行)》[15]和《污水处理厂低碳运行评价技术规范》[16]提供的方法和参数设置进行,分直接排放和间接排放2部分:直接排放核算各功能单元CH4和N2O排放量及外加碳源氧化产生的CO2排放量(污水自身有机质氧化产生的CO2被IPCC认定为生源性排放,不纳入核算范围);间接排放核算所消耗电力和除磷药剂生产过程产生的碳排放.计算如下:

①污泥处置产生的碳排放量:

式中:1为剩余污泥处置过程释放的CH4折算为CO2当量的年碳排放量,tCO2eq/a;s为污泥干物质年去除量t/a;s为污泥干物质中可降解有机碳的含量,根据郭恰等[17]对我国不同地域污水处理厂污泥泥质的测试,取0.15tC/t; DOCf为实际分解的可降解有机碳比率,取50%; MCF为CH4排放修正因子,根据我国泥质特征取0.92[18];为可降解有机碳中可产生CH4的碳的比例,取值0.5;为CH4/C分子量比值,为16/12;为CH4全球增温潜势,为21.

②污水处理过程中去除有机物产生的碳排放:

③污水处理过程中去除TN产生的碳排放:

④外加碳源完全氧化产生的碳排放:

⑤电力消耗产生的碳排放:

⑥除磷药剂消耗产生的碳排放:

⑦碳排放总量核算:

⑧比碳排放量核算:

式中:EW,EC,EN分别为吨水比碳排放,kgCO2eq/m3;COD为有机物比碳排放,kgCO2eq/kgCOD;TN总氮比碳排放, kgCO2eq/kgTN.

1.3 数据统计分析

以7座污水处理厂进水水质特征参数(进水BOD、进水TN和进水C/N)为解释变量,污水处理厂运行性能评价参数(吨水COD去除量、吨水TN去除量、吨水比电耗、单位电耗COD去除量、单位电耗TN去除量和电耗碳排放比重)为响应变量进行冗余分析(RDA),使用Canoco 5.0软件完成.通过Pearson检验分析参数间的相关性显著水平;通过双尾T检验分析AAO组和AAO-MBR组之间比碳排放和运行性能评价参数的差异性,*代表<0.05, **代表<0.01.使用Excel软件分析.

1.4 全流程测试

1.4.1 取样点设置及功能区水质分析 在污水处理厂运行过程中,二级生物处理单元最耗能[24],同时也是温室气体产生和排放的主要场所,是影响污水处理厂整体碳排放水平的关键运行控制单元,故本研究对二级生物处理单元沿程布点并分析污染物指标的沿程变化特征.WWTP7生化段工艺流程如图1所示.水样常规水质指标TN, TP, PO43--P, NH4+-N, NO2--N, NO3--N以及污泥参数混合液挥发性悬浮固体浓度(MLVSS)按照标准方法测定[25]; DO, pH值和氧化还原电位(ORP)采用便携式测量仪(WTW Multi 3630IDS SET G,德国)测定.各项指标重复测量三次取平均值.

图1 WWTP7生化段工艺流程

1.4.2 功能区污泥性能测试 1)硝化速率n:取一定量好氧池活性污泥,水洗后取8L泥水并投加1.2g氯化铵和1.0g碳酸氢钠,以实际运行DO浓度测定搅拌条件下1h内混合液中NO3--N的浓度变化;2)反硝化速率d:取4L活性污泥加入4L原水并投加1.2g硝酸钾,在搅拌条件下连续2h测定NO3--N的浓度变化并计算污泥反硝化速率;3)反硝化潜力p:取8L活性污泥,投加1.2g硝酸钾并另投加1.2g乙酸钠作为碳源,在搅拌条件下测定2h内NO3--N的浓度变化,计算反硝化潜力;4)反硝化除磷:取4L厌氧池浓缩污泥并注入4L纯水,连续搅拌至混合液DO浓度降至0mg/L,然后投加0.58g硝酸钾和0.44g磷酸二氢钾,测定3h内混合液NO3--N和 PO43--P浓度变化.

2 结果与讨论

2.1 低碳运行污水处理厂识别

2.1.1 总体碳排放特征分析 如图2所示,电耗导致的间接碳排放(5)是最大碳排放源,平均占比达49.43%.在AAO-MBR组中(WWTP1,WWTP3, WWTP6),间接碳排放占主导,电耗碳排放约占60%,与呼永锋等[26]的研究结果一致;相比之下,AAO组(WWTP2,WWTP4,WWTP5,WWTP7)除WWTP4均以直接碳排放为主,即生物作用产生的碳排放占主要地位,电耗碳排放占比仅在40%左右.WWTP4表现出了异常高的电耗碳排放占比(61.38%).N2O排放(3)是主要直接碳排放源,对总碳排放贡献达25.75%,Bao等[27]对北京市某AO工艺污水处理厂连续1a的实测研究同样发现N2O排放是主要碳排放源,可占总碳排放的43.5%.污泥处置过程产生的CH4碳排放量(1)同样可观,占比达20.22%,可见开发并应用污泥资源化、能源化技术可成为污水处理厂碳减排的有力措施.污水处理过程产生的CH4排放(2)占比仅为0.42%,并不显著,碳源(4)和除磷药剂(6)消耗对总体碳排放贡献同样较小,仅为1.33%和2.85%,与Huang等[28]模型模拟所得结果一致.

图2 AAO污水处理厂碳排放特征分析

图(b)中只标注占比>10%的碳排放源

2.1.2 电耗碳排放分析 电耗碳排放在7座污水处理厂总碳排放中比重均最高,决定了污水处理厂的总体碳排放水平.其核算基于污水处理厂的电耗水平,与具体工艺类型、运行管理水平均有关联.由表3、图3可知,所选进水水质参数共同解释了63.92%的污水处理厂运行性能差异.电耗碳排放比重与吨水比电耗显著正相关(相关系数=0.87,<0.01),与单位电耗COD去除量(=-0.93,<0.01)和单位电耗TN去除量显著负相关(=-0.98,< 0.001),意味着具有高电耗碳排放比重的污水处理厂同时伴随有较高吨水比电耗和较低单位电耗COD和TN去除量.此外,电耗碳排放占比独立于吨水TN去除量和吨水COD去除量,与进水BOD浓度和进水TN浓度相关性不强,但与进水C/N有一定负相关性(=-0.59),同时进水C/N与单位电耗TN去除量正相关(=0.63),与单位电耗COD去除量显著正相关(=0.79,<0.05),表明更低的进水C/N可能导致污水处理厂单位电耗COD和TN去除量更低,导致更高的电耗碳排放比重.WWTP4相比AAO组其他污水处理厂表现出异常高的电耗碳排放比重.由表3可知,该厂进水C/N和吨水COD去除量均最低,这在碳排放核算中会降低污染物去除所产生直接碳排放的比重.同时该厂吨水比电耗明显高于AAO组其他污水处理厂,单位电耗COD和TN去除量仅为WWTP2,WWTP5,WWTP7的50%左右,这是其异常高电耗碳排放比重的直接原因.其较低的单位电耗COD和TN去除量主要由两方面原因造成:①由于曝气设备选型不合理及运行管理水平不足出现过曝气问题,导致能耗浪费;②该厂位于江边,汛期难以自排,需依靠排水泵强排污水,增加了额外运行的电耗.AAO-MBR组吨水比电耗显著高于AAO组(=0.002<0.01),相应的电耗碳排放占比也明显高于AAO组(=0.069),但两组间吨水污染物去除量并无显著性差异,因此增加MBR后,相比污染物的强化去除,电耗增加更突出,进而导致更高的电耗碳排放水平.

表3 7座污水处理厂运行性能评价参数比较

图3 进水水质特征参数与运行性能评价参数间的冗余分析

2.1.2 比碳排放量比较 通过EW,EC和EN对7座污水处理厂的碳排放水平进行比较和评价,其中EW可用于评价处理达标前提下污水处理厂的表观碳排放水平,是污水处理厂碳排放评价最常用的指标[29];EC和EN可指示污水处理厂的低碳处理效能.如图4(a)所示,AAO组EW,EC,EN平均值均低于AAO-MBR组,分别为其58.9%、78.8%和77.0%,两组间EW存在显著性差异(SEW=0.002),表明AAO组更具低碳运行潜力.两组间EC和EN差异性不显著(SEC=0.286,SEN=0.100)而同组内又表现出较大波动性,说明相比工艺类型,运行管理水平对低碳处理效能的影响更显著.如图4(c),WWTP6的EC显著低于WWTP1和WWTP3,同时也低于AAO组部分污水处理厂,表明该厂MBR运行管理较好,在强化污染物去除的同时,运行电耗、物耗也得已有效控制.相比之下, WWTP4的EW较低,但其EN明显高于其他厂,具有“表观低碳,隐含高碳”的特征.综合来看污水处理厂运行管理方面仍有较大碳减排空间,运行优化有助于实现低碳运行.

本研究7座污水处理厂中,WWTP7各项比碳排放指标均为最低,低碳运行能力显著,故结合全流程分析方法对其低碳运行模式进行探讨.

2.2 WWTP7低碳运行分析

2.2.1 运行条件分析 DO浓度的控制对污染物去除起决定性作用,一般AAO工艺要求缺氧段和厌氧段DO浓度分别控制在0.5和0.2mg/L以下,好氧池DO浓度控制在2mg/L以上.如图5所示,WWTP7生物选择区、厌氧池及缺氧池DO浓度均控制在0.2mg/L以下,好氧池约2.1mg/L,各工艺段DO控制良好,均满足处理要求且控制在较低水平.这不仅有利于污染物去除,对控制污水处理厂碳排放也至关重要.具体来说,DO控制不仅决定了总体运行电耗水平[28],也是影响N2O产生和排放的关键因素.维持较高DO浓度所需的高曝气速率会带来高额电耗,同时将液相中溶解的大量N2O和CH4吹脱至气相中,此外,较高水平DO浓度还会促进NH2OH不充分氧化产生N2O;而低DO水平(<1.5mg/L)尽管可以大幅削减电耗碳排放,但需牺牲污染物去除率,同时还将推动硝化细菌反硝化产N2O路径[30].因此WWTP7对DO浓度的精准控制是其实现低碳运行的基础.ORP和pH值可反映工艺运行状态,该厂进水pH值在7.5左右,在缺氧池发生反硝化pH值上升,好氧池内由于硝化反应pH值呈下降趋势,出水pH值约7.3,总体满足生物脱氮需求.此外,pH值<7时会显著降低N2O还原酶活性,导致N2O积累,因此对pH值的良好控制也可减少N2O的直接排放.从ORP来看,厌氧池为-50mV左右,可提供良好的厌氧释磷环境.进入缺氧池ORP快速升高变为正值,这一方面与进水低C/N有关[31],厌氧释磷和异养反硝化对碳源的竞争使有限的碳源及其他还原性物质在生物选择池、厌氧池和缺氧池消耗殆尽;另一方面高内回流比下大量硝酸盐和部分DO进入缺氧池致使ORP升高.缺氧池ORP升高可能对异养反硝化造成不利影响[32],降低脱氮效果.

2.2.2 脱氮分析 如图6所示,进水TN主要以NH4+-N形式存在,仅有少量NO3--N.进入生化段后,10%的原水进入生物选择池,在回流污泥稀释下,TN和NH4+-N浓度均明显降低,同时在生物选择池内部NH4+-N浓度有所下降,可能是由生物吸附去除.外回流液中有较高浓度的NO3--N,而在污泥回流后生物选择池未出现NO3--N累积,表明在生物选择池中存在反硝化反应,避免了NO3--N进入厌氧池破坏厌氧释磷环境.一般来说,缺氧池是异养反硝化的主要场所,但该厂缺氧池中NO3--N浓度无明显变化,这可能是由于缺氧池中碳源等还原性物质已被消耗殆尽,限制了反硝化进行.但结合内回流核算来看,缺氧池前段实际NO3--N浓度相比核算浓度有明显降低,说明缺氧池前段可能存在快速反硝化过程.硝化反应主要在好氧池进行,好氧池出水NH4+-N浓度降至1mg/L左右,而NO3--N浓度升至10mg/L,表明好氧池DO浓度维持在2mg/L可确保硝化反应充分进行.NO2--N积累被认为是影响N2O产生的关键因素[33],在该厂运行过程中,仅在好氧池后段出现了轻微的NO2--N积累(约0.2mg/L),随即在后置缺氧池中经反硝化去除.理论上,DO浓度为2mg/L条件下亚硝酸盐氧化菌(NOB)的代谢活性高于氨氧化菌(AOB)的活性,不会造成NO2--N积累.但在缺氧/好氧交替条件下NOB活性会受到短暂的抑制,抑制程度与其处于缺氧环境的持续时间正相关,而AOB的活性不受影响[34-35],因此较长的缺氧段停留时间和频繁的缺氧/好氧环境交替会导致NO2--N的积累.WWTP7具有较高的硝化液回流比(500%),会加速缺氧/好氧环境的交替[36];同时其缺氧池和好氧池停留时间之比约为2.11:1,提供了相对较长的缺氧环境持续时间.以上两点可能最终促成了好氧池后段NO2--N的轻微积累.在二沉池和外回流液中, NO3--N浓度均有明显降低,说明其中可能存在内源反硝化反应.内源反硝化主要利用聚糖菌(GAOs)在厌氧环境下富集的碳源脱氮,一定程度可避免有限的碳源在好氧条件下被生物氧化去除,从而提高碳源利用率,同时降低好氧池需氧量[37].

结合污泥硝化和反硝化性能测试来看,如图7(a),好氧池活性污泥硝化速率为6.12mg/(gVSS·h),高于一般污水处理厂硝化速率[38],意味着在DO浓度为2mg/L和相应温度条件下,好氧池仅需2h即可完成原水NH4+-N的硝化反应.反硝化速率测试结果如图7(b)所示,反硝化过程可分为两段,第一段具有较高反硝化速率,为4.73mg/(gVSS·h),随后第二段降至仅1.24mg/(gVSS·h).这与李怀波等[39]对低C/N污水处理厂缺氧池污泥反硝化速率的测试结果类似,其认为在第一段反硝化过程中易降解碳源被快速消耗,第二段反硝化碳源不足,仅能利用慢速碳源,导致反硝化速率显著降低.反硝化潜力测试结果印证了这一点(图7(c)),在碳源充足的条件下,缺氧池活性污泥反硝化潜力约为5.01mg/(gVSS·h),略高于第一段反硝化速率.反硝化过程分段进行的结果与实际运行中缺氧池NO3--N的沿程变化趋势一致,证明内回流后缺氧池中存在短暂的快速反硝化过程,随后受碳源制约缺氧池NO3--N无明显变化.

2.2.3 除磷分析 如图8(a)所示,进水TP和PO43-- P浓度约为1.77, 0.9mg/L,经生物选择池和厌氧池后分别升高至约6.47和6.1mg/L,有明显的厌氧释磷现象,且此时TP主要以PO43--P形式存在,占比在90%以上.在缺氧池中经内回流液稀释PO43--P浓度大幅降低,且略低于核算浓度.考虑到缺氧池中DO浓度较好地控制在0.2mg/L以下,推测可能存在反硝化除磷反应:反硝化聚磷菌(DNPAOs)利用NO3--N作为电子受体完成摄磷.取缺氧池活性污泥进行反硝化除磷测试,结果如图8(b).在厌氧且零碳源条件下,NO3--N和PO43--P浓度同步线性减少,表明有反硝化除磷反应发生,污泥中富集有DNPAOs.保证缺氧池具有较高的NO3--N负荷是DNPAOs富集的关键[40],该厂较高的内回流比为缺氧池提供了大量NO3--N,为反硝化除磷反应发生创造了有利条件[41-42].此外,充足的缺氧段停留时间也是富集DNPAOs的重要条件,因为当缺氧反应时间不足,缺氧摄磷反应进行不完全时, PAOs将比DNPAOs更具竞争优势.Zhang等[43]的研究表明在AAO工艺中缺氧段和好氧段的体积比(ano/aer)在2.5:1和6:1之间时DNPAOs活性最高.在本研究中WWTP7的ano/aer约为2.11:1,因此有利于DNPAOs的富集.

图6 WWTP7生化段沿程氮元素分布

图7 WWTP7活性污泥硝化及反硝化性能分析

在传统AAO工艺中,脱氮除磷是相互独立的过程,发生于不同的场所并依赖于不同的功能微生物.其中反硝化菌和PAOs均为异养微生物,分别需要碳源维持细胞的生长繁殖并完成脱氮和除磷反应,因此AAO工艺运行往往面临着反硝化菌和PAOs争夺碳源的问题.在污水低C/N条件下,这一问题更加突出.相比PAOs, DNPAOs可在缺氧环境下以NO3--N和NO2--N为电子受体,将其在厌氧条件下储存的碳源分解,并将产生的部分能量用于超量摄磷反应.因此DNPAOs可在缺氧池内以同一份碳源同时完成脱氮和除磷过程,实现”一碳两用”[44].反硝化除磷不仅能节省碳源强化脱氮,还可以降低除磷所需曝气量,削减电耗,此外,还有助于污泥减量,因此对低C/N进水污水处理厂的减污降碳有重要作用.经反硝化除磷,出水TP浓度进一步降至0.1mg/L以下,稳定达标.

图8 WWTP7除磷分析

2.2.4 碳减排路径分析 低C/N污水为污水处理厂脱氮除磷带来困难,易导致高比碳排放.本研究中WWTP7具有显著的低碳运行特征,对其工艺全流程分析发现,该厂通过工艺调控充分挖掘生物处理潜力,协同传统脱氮除磷途径与反硝化除磷、内源反硝化途径强化脱氮除磷,实现了出水稳定达标.该厂的碳减排主要表现在对间接碳排放的有效控制,包含减少物耗和能耗两个方面.在物耗方面,多路径协同脱氮除磷模式可充分利用原水碳源,避免外加碳源和除磷药耗导致的间接碳排放.能耗方面,好氧池曝气能耗一般可占污水处理总能耗的50%以上[45-46],而好氧池DO主要消耗于硝化反应、有机物氧化和好氧吸磷3个过程.低C/N污水有机物氧化所需DO相对较低,在WWTP7的运行过程中,厌氧池GAOs和PAOs对碳源的储存,生物选择池和缺氧池中异养反硝化对碳源的消耗又进一步降低了好氧池有机物负荷,最终仅有少量难降解有机物进入好氧池消耗DO.同样,缺氧池反硝化除磷降低了好氧池除磷负荷,减少了好氧吸磷过程所需DO.因此实际上该厂好氧池DO主要用于硝化反应.精准控制DO浓度维持在2mg/L,既可满足硝化反应充分进行,又有效节省了曝气量,削减了曝气能耗导致的间接碳排放.因此综合来看,充分利用进水碳源,多途径协同脱氮除磷结合精准控制DO浓度的运行模式有助于实现低C/N进水AAO污水处理厂的低碳运行.

与WWTP7的低碳运行模式类似,Zhen等[47]在AAO模式运行的小试实验中成功耦合了短程硝化除磷反硝化与同步硝化内源反硝化,质量平衡分析结果发现在厌氧阶段91.9%的COD被储存在胞内用于后续的脱氮除磷,有效节省了碳源和曝气能耗.宋新新等[48]强调了基于碳转向概念的强化分离技术在构建面向未来的污水处理厂中的关键作用,而WWTP7多途径协同强化脱氮除磷的低碳运行模式本质上体现了另一种碳转向方式,即通过厌氧段微生物胞内储存的方式避免有机物好氧氧化并将其用于后续的脱氮除磷.另一方面,王洪臣[49]认为选择新型节碳工艺降低能耗、避免外加碳源是减少生物处理过程碳排放的关键,但其将这一碳减排路径归于碳减排最大可得潜力,即通过可预见的技术经济进步未来可挖掘的碳减排潜力,本研究WWTP7的低碳运行经验表明,多途径协同强化脱氮除磷结合精准曝气的节碳运行模式同样可作为碳减排现实可得潜力的一部分,适用于当下低C/N进水污水处理厂的减污降碳.

3 结论

3.1 低C/N进水AAO污水处理厂中,电耗和N2O排放是主要碳排放源,分别贡献49.43%和25.75%的碳排放;污泥处置过程中的CH4排放在总碳排放中的占比达20.22%,因此开发和应用污泥资源、能源化技术具有显著的碳减排效益;污水处理过程中的CH4排放,外加碳源氧化产生的CO2排放以及除磷药耗间接碳排放对总碳排放影响较小,依次占比0.42%,1.33%和2.85%.

3.2 AAO-MBR污水处理厂以间接碳排放为主,电耗碳排放约占60%;AAO污水处理厂中,生物作用产生的直接碳排放占主要地位,电耗碳排放占比在40%左右.电耗碳排放占比与吨水比电耗显著正相关,与单位电耗COD和TN去除量显著负相关,与进水C/N具有一定负相关性.

3.3 AAO污水处理厂EW,EC,EN平均水平分别为AAO-MBR污水处理厂的58.9%,78.8%和77.0%,其中EW显著低于AAO-MBR污水处理厂,更具低碳运行优势;相比工艺类型,运行调控对低碳运行效能影响更显著,污水处理厂运行方面仍有较大碳减排空间,运行调控优化有助于实现低碳运行.

3.4 WWTP7各项比碳排放指标均为最低,具有显著的低碳运行特征.充分利用进水碳源,多途径协同脱氮除磷,同时精准控制DO浓度避免过曝气可以大幅削减能耗和物耗,是其碳减排的主要途径.

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Research on low-carbon operation mode in AAO-based wastewater treatment plants with low C/N influent.

ZHOU Zheng1, LI Huai-bo1, WANG Yan1,2, WANG Shuo1,3,4, LI Ji1,3,4*

(1.School of Environment and Civil Engineering, Jiangnan University, Wuxi 214122, China；2.Wuxi Puhui Environmental Protection Technology Co., Ltd, Wuxi 214028, China；3.Jiangsu Key Laboratory of Anaerobic Biotechnology, Wuxi 214122, China；4.Jiangsu Collaborative Innovation Center of Water Treatment Technology and Materials, Suzhou 215009, China)., 2022,42(11)：5088～5099

In order to clarify the carbon emission characteristics of wastewater treatment plants (WWTPs) with low C/N influent and to propose feasible low-carbon operation strategies, seven AAO-based WWTPs (divided into AAO-based WWTPs and AAO-MBR-based WWTPs) were operated for one year, and the carbon emissions based on the emission factor method were calculated and evaluated. In addition, according to the whole process analysis method, the carbon emission reduction pathways of WWTPs with significant low-carbon operation characteristics were subsequently analyzed. The results show that electricity consumption and nitrous oxide emissions are the main sources of carbon emissions, contributing 49.43% and 25.75% of carbon emissions on average, respectively. AAO-MBR-based WWTP is dominated by indirect carbon emissions, and electricity consumption accounts for about 60% of carbon emissions, while the direct carbon emissions caused by the microbial activity in AAO-based WWTP dominate. The average specific carbon emission of AAO-based WWTP was significantly lower than that of the AAO-MBR-based WWTP group (0.47 and 0.79kgCO2eq/m3), which presents remarkable low-carbon operation potential. Among the seven WWTPs, all the specific carbon emission evaluation indicators of WWTP7are the lowest, indicating that WWTP7has the highest potential for low-carbon operation. Furthermore, the study found that making full use of the influent carbon source, multi-path synergistic nitrogen and phosphorus removal, and precise control of dissolved oxygen to avoid over-aeration are the key points to greatly reduce energy consumption and achieve carbon emission reduction.

low-carbon-to-nitrogen ratio；AAO-based wastewater treatment plant；carbon emission characteristics；multi-path synergistic nitrogen and phosphorus removal；low-carbon operation

X703

A

1000-6923(2022)11-5088-12

周 政(1995-),男,山东青岛人,江南大学博士研究生,主要从事污水资源化与碳减排研究.发表论文5篇.

2022-04-14

无锡市城镇污水处理厂提标改造深度处理技术研究和科技示范(N20191003);江苏省政策引导类计划(国际科技合作/港澳台科技合作)专项资金资助项目(BZ2021030);江苏水处理技术与材料协同创新中心预研课题(XTCXSZ2020-2);无锡市科技创新创业资金资助项目(M20211003)

* 责任作者, 教授, liji@jiangnan.edu.cn