污水处理行业的减污降碳探索——嘉兴港区工业污水处理有限公司的绿色转型

郭慧，钟丁磊，薛懂，何舒文，姚海勇*

（1.浙江巨能环境工程有限公司，浙江 桐乡 314503；2.浙江数翰科技有限公司，浙江 桐乡 314503；3.嘉兴港区工业污水处理有限公司，浙江 平湖 314201）

近年来我国水污染治理力度日益加大，各污水处理厂已从“达标”发展到“提标”。在“双碳”背景下，污水处理行业也提出了减污降碳的新目标[1]。

在污水处理过程中，可通过提高污水处理综合能效、提高污水集中收集处理率、探索可持续新工艺等手段，实现低碳污水处理。

本项目团队通过技术研究和工程实践，开发了能实现能源回收且适用于高浓度强抑制性化工废水处理的厌氧颗粒污泥床技术、高效低碳的“硫代碳”脱氮技术、污水处理端AI 运维决策控制系统。

厌氧颗粒污泥床生物技术是实现能量回收的一种重要水处理技术[2]。由于其高效、绿色的技术特点，在高浓度污水的处理过程中愈发受到关注[3]。但是和其他生物法处理废水一样，该技术在高抑制性废水中的应用也受到了一定限制[4]。因此，对该技术在高浓度、高抑制性化工废水中的应用是研究热点。

随着污水处理厂尾水标准的不断提升，异养反硝化脱氮过程的碳源投入成本也大幅上升，从而导致污水处理成本增大，其中碳源投加导致的单位水量增加成本为486.50—1419.23 元/万m3[5]。因此，越来越多的研究者将目光聚焦于低成本、低碳排放的自养反硝化脱氮过程。自养反硝化过程无需有机碳源，具有诸多优点。然而，已报道的对自养反硝化过程的研究以硫磺、硫代硫酸钠等优质硫源为主，对于一些废弃物中硫源的利用，研究相对较少。

面对高标准的排放指标、严格的环保执法，很多污水处理厂为了应对来水的波动并确保出水达标，多将出水水质远远控制在达标线以下，污水处理厂的“过度运行”普遍存在。因此，如何精准的执行调控和运行指令、有效提升传统工艺的生产效率、对运行控制做出更智慧的决策，同时减少污水处理行业的间接碳排放，是整个污水处理行业亟须解决的问题。人工运维过程受限于人的认知水平、经验水平和情绪状态等因素，会出现不同的判断和调控结果，调控的幅度代表着一个运营团队对整体工艺的熟悉和掌控程度。大数据和物联网在环保行业的应用，目前也仅能解决数据可视化、集中化的问题，数据的有效利用还有很大的探索空间。此外，人对管控的实施频率和对全盘信息的管理程度，都决定了最优管控的幅度极限。开发AI 系统，通过深度学习之后，以其对数据进行实时处理和分析的优势，能够通过小幅多次的调控手段将人的管控幅度边界进一步收敛，充分挖掘数据价值，从而提升污水处理系统应对冲击的能力，为运行安全边界和成本边界流出更多的冗余空间，从而能更好地实现节能降耗。这三项应用集成了技术创新、应用创新，实现了减污降碳的目标。

1 创新点

1.1 技术创新

1.1.1 高浓度抑制性化工废水的厌氧颗粒污泥床生物处理技术的开发和设计

要实现厌氧颗粒污泥床技术在高浓度高抑制性的化工废水中的稳定应用，微生物驯化、培养和启动以及合理的反应器和工艺设计对高强度抑制性化工废水的降解去除、系统稳定运行至关重要[6]。利用高浓度厌氧颗粒污泥床技术，以及后续专业的运行维护，可成功解决厌氧生物处理高浓度抑制性化工废水的处理问题，COD 去除率可达到80%以上，有机负荷最高可达到8 kgCOD/（m3·d）以上，实现污染物的高效去除并产生可以回收利用的沼气。

1.1.2 高效低碳的 “硫代碳”脱氮技术的开发和设计

我们集中研究了某烯烃企业生产过程产生的含硫碱液用于硫自养反硝化的可行性，并研究了在不同条件下整个体系的脱氮效果及水质变化情况。研究表明，利用废弃物中硫源进行自养反硝化，在5h 停留时间下能够实现运行稳定，并将TN 从24mg/L 减小至2.5mg/L 以下，去除率接近90%。此外，高硫碱液中的硫离子也被硝态氮氧化成稳定态的硫酸根，实现无害化。

同时，项目团队设计出基于硫自养反硝化的生物滤池工艺，可最大限度地在运行过程中保持微生物的多样性和丰度，保证了工艺的稳定运行。

1.1.3 人工智能在污水处理运维决策系统中的开发

项目团队将人工智能技术应用于污水处理运维决策控制过程中。其算法模型是将机理模型与数据模型有效融合，实现小数据建模。通过叠加运用元学习、进化算法等深度机器学习技术，以及自身总结出的原理，开发出了负荷感知、仿真模拟、负荷分摊等核心技术，并最终形成了能够覆盖多场景、多工艺的AI运维决策控制系统。

1.2 应用创新

1.2.1 沼气发电应用于集中式高浓度废水厌氧生物处理

为实现沼气的有效回收利用，规模效应是必需的。本项目团队使用上下游一体化理念，专管收集纳管园区若干家企业的高浓度废水。通过建设2500m3/d 的集中式高浓度废水厌氧颗粒污泥床装置，处理平均进水COD 浓度为12 000mg/L 的高浓度抑制性废水。通过沼气发电系统，将其产生的约10 000Nm3/d 沼气进行发电，每日可产生约28 000kW·h 的电量，可基本满足污水处理厂运行所需，在大量去除污染物的同时，实现间接碳排放。

1.2.2 协同利用上游企业高硫碱液进行脱氮处理

在烯烃行业生产过程中产生的碱吸收液（即高浓度Na2S 和NaHS 废液）碱性高、含硫量大，而常规的湿式氧化处理工艺存在占地面积大、配套设备复杂、电耗和药剂消耗量大等问题，故上游生产单位需投入大量成本用于处理该废水，同时会造成大量的碳排放，加重企业的减排负担。

本项目团队推利用含硫废碱液中的硫及硫化物含量丰富的特点，创新性地将含硫废碱液作为自养反硝化脱氮的硫源，替代污水处理厂异养脱氮过程使用的碳源，从而使上游企业和下游污水处理厂形成良好的互补协同效应，将上游废弃物当成资源用于污水处理过程，达到“以废治废”的效果。

1.2.3 人工智能应用于污水处理运维决策系统

以全厂处理工艺段为对象，部署包含智能生化系统、智能厌氧安全决策控制系统、智能臭氧投加系统等在内的智能化控制模块，通过传统污水处理工艺与AI 的智慧化和数字化协同，能够更加科学智慧地进行运维决策，实现全厂全流程的精细化管理，完成污水处理厂的数智化转型升级，最终实现污水处理厂减污降碳。

2 成果转化及环境和经济效益

嘉兴港区污水处理有限公司通过新建30 000m3/d“硫代碳”工艺处理线，通过上下游协同“以废治废”的手段，实现年减排COD547t、TN121t。通过“硫代碳”高效低碳脱氮减少上游企业利用湿式氧化等常规工艺设备投资成本约1700 万元，同时为上游企业节约电耗、药剂消耗等运行费用300 万元/年，由于无须上游企业建设污水处理设施，整体占地面积减少660m2，用地成本减少约50 万元。

此外，通过厌氧生物技术和沼气发电技术，每年在削减7300tCOD 的同时可产生591 万元的经济效益。

在碳减排方面，由于新建厌氧沼气发电工艺，沼气发电产生的电能直接供应厂界内的水处理设施用电，因此无须外购电力，实现间接碳减排，碳排放每年可减少4693t。通过人工智能技术实现全厂全流程的节能降耗，在减少运营成本200 万元/年的同时，每年降低间接碳排放1000t。而通过“硫代碳”高效低碳脱氮技术直接接纳高硫碱液，无额外碳源投加，对标常规投加碳源脱氮的方式，自养反硝化年碳减排量为188t，同时可直接消纳含硫碱液，为上游企业节省污水处理设施建设，这部分间接减少碳排放5431t，真正实现了减污降碳协同增效的目的，符合生态环境保护和资源综合利用的要求，可为同类型污水处理工段“硫代碳”工艺提供一定的借鉴。

3 总结

各污水处理厂挖掘自身特点与价值，结合技术发展趋势是实现污水处理厂绿色低碳转型的关键所在。嘉兴港区污水处理有限公司通过上下游协同与技术协同，走出了一条契合自身的高效、低碳、低成本的减污降碳新路径。