碳中和愿景下污水处理碳排放减排模式研究

张 杰，李 珍，张荣兵，曹芳菲

（1.北京城市排水集团有限责任公司，北京 100044；2.国网北京市电力公司，北京 100031；3.清华大学，北京 100084）

0 引言

碳中和（Carbon neutrality）是指组织或个人在一定时间内直接或间接产生的二氧化碳通过植树造林、节能减排等方式全部抵消，实现碳的净“零排放”。污水从能量层面上讲实际上是一种资源与能源的载体，污水中含有大量的有机物，有机物本身是一种含能物质，且污水中还含有大量的植物营养素（氮、磷、钾）。污水处理的实质就是通过人工的各种复杂技术手段，用消耗资源和能量的代价来分离、降解、转化污水中有机污染物的复杂过程。换言之，污水处理是一种消耗能源的碳排放过程，一种从水污染向大气污染的转变过程。因此，污水处理厂中排放的碳要中和，首先要搞清楚“处理污水所消耗的能量”（A）与“污水中含有的可回收能量”（B）之间的等式关系。然后想办法让B 尽可能的多，A 尽可能的少，就可以实现碳中和甚至盈余。

1 污水处理主流技术碳中和可用能量来源分析

1.1 改善管网输送体系

提到污水中的能量，往往首先想到的就是污水中的有机物（COD），要做到的就是尽量多的回收污水中的这部分有机物。从理论上讲，生活污水中所含的有机物能量可达污水处理消耗能量的9～10 倍，污泥厌氧消化回收污水中有机物能量的多少完全取决于进水中的有机物浓度，即进水COD 浓度越高，可回收的有机物能量潜力便越大。在城市污水处理系统中，污水的收集和输送涉及大规模管网铺设和长距离输送，管网漏损、堵塞、覆盖率不高是造成我国污水进水碳源不高的主要原因。北京市目前已建成中心城区1 万多公里的地下排水管网，雨污水泵站109 座，充分发挥厂网一体化运营管理优势，实现了污水平均进水COD 浓度水平（483 mg/L），逐步接近欧洲平均水平（600 mg/L）。通过大力提高排水管网输水性能和覆盖率，实现污水100%收集，同时进行雨污分流改造，提高污水处理厂进水碳氮比，如此就能解决污水进水碳源不足问题。

1.2 优化药剂投加环节

污水处理工艺多种多样，究其本质是通过生化反应来去除污水中的污染物。因此，在生化处理环节需要投加碳源和多种化学药剂。这些原材料在其生产和运输过程中消耗能源，在投加过程中也消耗一定能源。因此，优化药剂投加环节，有助于节能降耗减少碳排放。目前，解决措施主要是对加药系统进行配置升级。例如在曝气池末端出水投加的PAC 除磷药剂，由常用的变频计量泵升级为数字泵，通过监测曝气池出水正磷酸盐浓度对PAC 药剂进行精确投加，加药量有不同程度的降低。该技术可以同时应用到污水处理厂的其他药剂投加段，一段时间后对于药耗成本的降低较为可观。北京市东坝再生水厂采用超磁工艺实现磷回收和碳源回用，基本省去了巨额的药剂费用。另外，还可以引入运用AI 技术对污水水量、水质等参数和加药系统运行数据等进行大数据分析，形成最优算法模型在现场予以实施，从而实现加药系统精细化控制，也能有效降低药品消耗以及设备运行能耗。

1.3 升级改造曝气系统

污水处理工艺中的曝气系统主要是通过大功率单级离心式鼓风机为污泥中的微生物提供所需的溶解氧，保持微生物的生命活力以消耗污泥中更多的有机物含量。有数据表明，我国污水处理厂单吨水电耗一般在0.15～0.28 kW·h。其中，曝气鼓风机的电耗所占比例为56.2%。虽然不同的处理工艺能耗有所不同，但曝气系统总体能耗占比最大。因此，污水处理厂节能降耗的关键点在于升级改造曝气系统降低单吨水电耗。要达到节能目的的核心是精准掌控微生物的活动过程，防止过度曝气增加电耗和设备损耗，也要防止曝气不足导致微生物死亡的情况，这就对曝气系统的智能化、数字化控制提出了很高的要求。目前国内一些再生水厂已经围绕该思路进行了部分升级改造，例如通过计算每日处理水量所需要消耗的溶解氧对应的曝气总管压力值，在自控系统内进行设定并实时监测实际压力值，鼓风机的启停与负荷就会在曝气总管压力值的控制下进行自动调节。同时在进入曝气池的各曝气支管出口前加装可精确控制开度的奥码头，根据现场溶解氧仪表的实际监测示数进行开度调节，从而达到精确曝气实现降低电耗的目的。国外也有类似的技术尝试，捷克的VFL 工艺正是通过ORP 控制实施间歇式精准曝气，使单吨水电耗较传统工艺得到大幅降低。另外，曝气的方式也在很大程度上影响电耗。丹麦哥本哈根的BIOFOS 水务将其管理的污水处理厂由表面曝气升级为微孔曝气，使曝气电耗降低约57%。

1.4 采用能耗更低的处理工艺

目前，污水处理行业中采用的低能耗生物工艺主要集中在污泥处理阶段，主要包括厌氧氨氧化工艺、好氧颗粒污泥工艺等。厌氧氨氧化工艺主要建设在具有板框压缩脱水能力的污水处理厂，主要作用是处理板框机压榨泥饼后产生的滤液。厌氧氨氧化（Anammox）是厌氧氨氧化菌（An AOB）在缺氧或厌氧环境下，以HCO3-（IC）为碳源，以NH4+（-N）为电子供体，以NO2-（-N）为电子受体生成N2，从而完成脱氮过程。为保证厌氧氨氧化（Anammox）反应的顺利进行，往往将厌氧氨氧化（Anammox）工艺与短程硝化工艺组合为短程硝化-厌氧氨氧化（Sharon-Anammox）工艺，与传统脱氮工艺相比，该工艺仅需将部分NH4+（-N）氧化为NO2-（-N），节省了剩余NH4+（-N）的进一步氧化需氧量以及NO2-（-N）转化为NO3-（-N）的深度氧化需氧量，从而可节约大量因曝气产生的电耗。同时该工艺以IC 为碳源，无需额外投加有机碳源，可以大幅度降低脱氮成本。此外，该工艺流程的出水会进入厂前区总进水，对于后续污水处理区域的生产压力有大幅降低，一定意义上也降低了单吨水处理成本。

前端污水处理技术——反硝化除磷，一种具有兼性的厌氧反硝化除磷细菌，能够在厌氧的条件下对磷进行吸收。反硝化除磷菌以硝酸盐作为电子受体，在反硝化的同时完成吸磷的作用，反硝化除磷工艺就是运用这一原理来实现的，将反硝化与除磷合二为一，同时实现脱氮除磷的目的。从除磷的过程来看，是将反硝化与除磷这两个不同的生物过程利用同一个细菌在同一过程中完成。其中聚羟基脂肪酸酯不仅是反硝化除磷菌的碳源，也是能量储存物质，具有双重的效果。可以说该种除磷原理既可以达到除磷的目的，还能够节省碳源，属于一种可持续的生活污水除磷技术。

1.5 提高热电联产回收能力

要提高污泥中的能量回收率就必须极力改善污泥消化处理工艺，在进水有机物充足的情况下，最大程度的开发污泥中有机物能量。国外的一些城市在污水处理碳中和上做出了各种尝试，采用了栅渣冲洗压榨机（Screening washing press），为了更彻底地将格栅截留的这部分碳源导流到消化池，还将铁盐（FeCl3）添加至污泥脱水工艺中并对其效果进行测试，目的是为了减少残留污泥量和鸟粪石的沉淀。此外，他们也在探索在初沉池对新聚合物的添加进行测试。总之，想尽各种办法将进水中的碳源尽可能多的送入消化池。在国内的污泥处置领域，北京小红门和高碑店污泥处理中心采用热水解+厌氧消化工艺的成功运行，通过污泥热压水解技术（THP）在高温高压下裂解污泥中有机物的细胞结构从而提高污泥产气率，除满足热水解能量平衡的需要外还有余量，这部分余量经过干式脱硫后可以通过沼气发电机转化为电能或通过沼气拖动鼓风机直接为污水处理生化反应段提供曝气，减少大功率电力拖动单级离心式鼓风机的运行时间，降低电耗和设备损耗。在具备单独供暖条件的水厂冬季时还可以通过热水锅炉为厂区提供供暖，减少办公区域和生产车间的空调使用，热电联产余热最大限度的被回收。这充分表明，污泥高级厌氧消化技术已经比较可靠、稳定，既为国内污泥处理探索出了新思路，同时也为实现碳中和提供了有力支撑。

1.6 加大自产清洁能源力度

对于污水处理厂来说，得天独厚的厂区面积是大力建设光伏项目的有利因素，独特的工艺建筑结构使得各处理单元的顶部均可用于光伏板的安装，生物处理池及初沉池、二沉池等单元具有庞大的表面面积，可以为太阳能光伏发电创造必要的场地条件。安装光伏组件后不仅可以实现太阳能发电并入电网供水厂使用，还能在冬季利用光伏板来覆盖这些处理单元，实现对生物处理的保温作用和臭气收集。

污水处理厂所处理的污水中存在着一直以来被人们忽视的能量，即热能。有关数据表明，污水中的热能储量远高于污水中的化学能（有机物能量），实际可回收的热能为化学能的9 倍。为更直观的体现污水中热能回收的巨大潜力，在此也基于某污水处理厂对可回收的热能进行了计算。北京地区污水处理厂二级出水在6～9 月的平均水温为23.4～26.5 ℃，比同时期平均气温低约4～5 ℃；二级出水水温在供暖季（11 月至次年3 月）平均在12.9～20.7 ℃，比同时期平均气温高10～20 ℃；这一条件均能满足GB/T 19409—2003《水源热泵机组》要求。因此，通过污水源热泵所产生的冷、热源可以直接为厂区提供制冷和供暖，余量可以输出厂外供其他商业或民用用户使用，以“碳交易”的方式实现“碳中和”。

2 碳中和愿景下的发展方向

污水处理厂未来的发展方向是聚焦建设智慧化、无害化、资源化的未来水厂，其中包括一个中心（可持续）两个基本点（碳回收与磷回收）。从之前的探索经验来看，实现碳中和甚至能量盈余均非某个单点的突破，甚至不是依靠前沿的工艺技术，而是需要全流程的系统优化；也不是仅仅通过一系列的升级改造，而是需要从工艺和设备等各方面挖掘潜能，提高能量回收效率，降低能耗，这并不是哪个单项的技术突破所能带来的成果。未来要做的不是将污水处理厂改造为单一的营养物、能源或再生水厂，而是要尽可能多的发掘污水资源潜力，在同一污水处理厂内实现营养物、能源和再生水三位一体的生产厂。

3 结语

实现碳中和是一项长期持续的系统性工程，不能只等待前沿技术的出现，也不能单靠科技研发的突破，需要共同努力、持续探索节能降耗的途径，制造与供应链更贴合、性能更优异的设备，总结成功的技术经验，创新高效的生产模式。2021 年3 月召开的中央财经委员会第九次会议上，将碳达峰、碳中和工作在国家经济社会中的定位进行了说明，明确把碳达峰、碳中和纳入生态文明建设整体布局中。因此，实现污水处理的碳中和要跳出行业圈子，站在生态文明建设、城乡融合发展、污水资源化、能量自给、环境友好等更多层面去综合考量。碳中和下的水环境治理是一个多层面整体规划、综合考量、系统性解决问题的过程，这不单是行业技术和理念的更新，更是整个社会思想和认知的革命，要有坚定的信心和决心为我国污水处理行业的碳中和战略做出积极贡献。