医院污水站运行阶段能耗碳排放分析及节能减排研究

何媛媛　袁岗　傅宏佳

摘要：研究发现城市污水处理过程中会产生大量碳排，医院污水处理作为城市污水处理系统的一部分产生的碳排常被人忽视。而运行过程中产生的碳排放，主要是由设备运行电耗造成的。以西南地区某医院污水处理站为研究案例，经核算该污水站实际运行的电耗碳排放量为82.46tCO2，其中污水生化处理单元电耗产生的碳排放最大，占比为51.66%。鼓风机和潜污泵消耗电力产生的碳排量分别占总电耗碳排的48.49%和23.95%。对高耗能的鼓风机和潜污泵进行节能改造后，年减排量约为5.95tCO2。研究为实现“双碳”目标提供数据支撑，为医院污水站运行规划及节能减排路径提供思路。关键词：医院污水；间接碳排；能耗碳排；碳减排

中图分类号：X22 文献标志码：A

前言

随着中国在城市污水基础设施的建设和运行方面迅速、显著的发展，然而快速发展也留下了许多环境问题。中国拥有世界上最大污水处理能力的同时，也会显著增加污水处理厂运行过程中的碳排放。中国污水处理行业的碳排放占了全国碳排放的1%-2%。污水处理厂的运行和维护过程通常需要消耗大量的能源。其他研究也表明，2010年-2019年中国污水厂能耗成本占其运行维护成本的40%-80%。其中污水处理厂运行过程使用提升泵、鼓风机、污泥脱水机等设备，消耗电力相当之大，带来的间接碳排放通常占到总碳排放量的76%-85%，成为污水处理厂碳排放的主要构成部分。以上表明，污水处理过程的能耗及能耗产生的碳排放问题不容小觑，污水处理运行和维护过程中具有较大的节能减排潜力。其中，作为为医院专职服务的污水处理站，相较于城市污水处理厂具有以下特点：进水有机物含量高，处理负荷高；进水成分复杂，含消毒剂、特殊药物等；处理规模往往较小，比能耗较高等特点。因此，医院污水站在运行过程中势必会面临高能耗、高碳排放的问题。文章分析了某医院污水站在实际运行过程中能耗的碳排放情况，对节能改造后的碳减排效果进行了评估，为污水站运行的节能减排提供了理论与技术支撑。

1 污水站基本情况

此案例污水站为四川省成都市某医院（床位1500张）设计水量为1500m3/d的小型污水站，此医院单位病床日均产生污水量相对稳定，日均处理排放量为967m3/d=0.644m3/（张·d），这与其他研究中，中等收入国家医院患者产生的平均排水量为0.642m3/（张·d）的数据接近，其中高收入国家和低收入国家医院的平均流量为0.791和0.269m3/（张·d）。

污水站主要处理设施包括格栅、调节池、应急池、生化反应池、二级沉淀池、污泥池、消毒池、污泥脱水装置等，具体医院污水处理站工艺流程见图1。

地面辅助设备用房包括泵房、污泥脱水间、加药机房、控制室、值班室等。污水站生化处理工艺采用生物接触氧化法，COD进／出水运行水质指标及去除率，如图2所示。COD出水水质指标达到《医疗机构水污染物排放标准》（GB 18466-2005）中COD≤250mg／L的预处理排放标准。

2 污水站能耗碳排放分析

污水站的总碳排放包括污水处理过程有机物分解释放温室气体所产生的直接碳排，和污水处理过程中所消耗的能量和物质产生的间接碳排。其中医院污水站产生的碳排放主要都是由于电力的消耗，也就是指运行过程中使用提升泵、鼓风机、污泥脱水机、废气处理装置等设备的消耗电能所产生的碳排放。

此次碳核算统计范围为运营期间的污水站所用电耗产生的碳排放量，电耗的统计范围：（1）污水预处理单元，构筑物包括格栅、调节池、应急池，机电设备包括格栅机、潜污泵等。（2）生物反应单元，构筑物包括两组生物接触氧化池，机电设备包括罗茨鼓风机等。（3）污泥处理单元，构筑物包括二沉池、污泥浓缩池，设备包括排泥泵、压滤机、板压脱水装置等。（4）深度处理单元，包括出水的加药消毒和废气的处理排放，构筑物有接触消毒池，设备包括加药机、废气排风机、废气消毒处理装置等。（5）其他单元，包括照明系统、监测报警系统、办公室综合用电等。

根据《2006年IPCC国家温室气体清单指南》中电耗碳排的计算方法：E电耗=EH×EF电力。E电耗代表污水站设备运行电力消耗产生的CO2的量，单位为kgCO2/a；EH代表各运行设备耗电量，单位为kW·h；EF电力代表电力CO2排放因子，取0.5257kgCO2/kW·h。现根据污水站运行主要设备表计算出各设备电耗的碳排放情况，具体见表1。

通过对2022年下半年至2023年上半年运行数据计算分析，此医院污水站一年运行期间污水站共计排放污水359791m3，消耗电量156862kW·h，平均吨水电耗为0.44kW·h/m3。相关研究表明，安徽某城市污水厂平均吨水电耗为0.34kW·h/m3，湖北某污水厂平均吨水电耗为0.31kW·h/m3，南京某城市污水厂平均吨水电耗为0.27kW·h/m3，中国污水处理厂的平均吨水电耗为0.33kW·h/m3相较之下，此医院污水站平均吨水电耗远高于城市污水处理厂电耗水平，因此分析理清污水处理运行过程电耗构成情况，提供针对性有效降耗措施，对于降低污水站平均吨水电耗、减少污水站碳排放至关重要。

通过对该污水站运行过程的电耗情况进行调查，分析表明该污水站主要设备日耗电量占总电耗碳排比例及各处理单元电耗碳排比例，见图3。

此案例医院污水站运行设备电力消耗所产生的年碳排放总量为82.46tCO2/a。由图3可知，此污水站各处理单元电耗碳排分布如下：预处理单元碳排放量为23.2tCO2，占比28.13%。生化处理单元碳排放量为42.6tCO2，占比最大达51.66%，与全国污水厂生物反应池55%-60%的平均电耗占比接近7。污泥处理单元碳排放量为2.71tCO2，占比3.28%，与其他案例中污泥电耗占污水厂总电耗4.74%的结果相近8j。深度处理单元碳排放量为10.45tCO2，占比12.68%，其他碳排放量为3.51tCO2，占比4.25%。通过比较国外数十个污水厂运行案例发现，通常大型污水厂的曝气能耗对总碳排放9量的贡献约为40c7e-60%，而小型污水处理厂的曝气能耗对总碳排放量的贡献高达60%-70%，此案例曝气碳排占比为48.49%与此结果接近。

在此案例中污水站运行过程中因耗电产生碳排最高的设备为生化处理单元的曝气风机，占比48.49%。其次是预处理单元的潜污泵，占总电耗碳排的23.95%，污水泵运行产生的电耗与全国污水处理厂的水泵电耗比例的平均值23%的结果接近。

此案例医院污水站吨水电耗大于城市污水厂的吨水电耗的原因。一是因为通常吨水电耗与处理规模相关，处理规模越小吨水电耗越大，而此案例污水站日处理量远小于一般城市污水厂处理规模，说明通常医院的小型污水站吨水运行成本高于城市污水厂运行成本。二是因为此案例污水站为了环境美观，将主要构筑物和设备设施都设置在地面以下，而地埋式污水站相比于传统地上式城市污水厂，虽然在占地面积上更省，但由于增加了土方挖方量及配套设施在建设成本方面增加。而且在运行方面由于需要配备相应的除臭通风设备以及水泵提升设备，因此运行成本远高于传统地上式污水厂。相较于城市污水厂，医院污水站增加的废气收集、消毒处理等装置的碳排占总电耗碳排的11.8%，同样也是医院污水站吨水能耗碳排高于城市污水厂吨水能耗碳排放的主要原因。

3 污水站节能减排潜力分析

在中国2030年实现“碳达峰”的目标背景下，案例医院污水站现有设备由于原本设计的局限性，造成了每年高能耗运行的情况。对污水站运行高耗能原因进行分析发现，曝气设备和水泵设备所产生的电耗是污水厂主要的能耗消耗决定因素，因此对本医院污水处理站中潜污泵、鼓风机等高能耗设备进行针对性节能改造将是污水处理站未来降耗减排的关键点。

研究表明只有当单台泵进水量为设计流量的92%-94%时，水泵才处于高效运行状态。而污水站在运行过程中大部分时间进水量小于设计流量，污水站调节池共设有潜污泵4台，长期没有处于高效运行状态。因此今年5月开始对调节池的潜污泵进行节能改造，采用PLC与进水量（通过液位监测）联动实现水泵的变频器的自动控制功能，使水泵的运行工况随着不同水位而调节，使其始终都在高效段运行。据监测发现，改造前调节池潜污泵每月每台平均耗电量为1080kW·h，采用PCL系统对提升泵进行进水精准控制后，改造后水泵每月实际耗电量为940kW·h，改造后变频泵每月节约平均耗电量为140kW·h，约减少73.6kgCO2的碳排放量。

如果污水站长期以高溶解氧状态运行，这样不仅影响污泥活性使其不易成团，而且会造成罗茨风机能耗的浪费。现在在保证COD去除率的基础上，增加鼓风机运行的变频调节以达到节能减排的目的。此案例所用鼓风机为2组功率分别为7.5kW和11kW的罗茨风机，每组一用一备交替使用，按满负荷计算，改造前鼓风机每月耗电量约为6752kW·h。改造后5月、6月运行时鼓风机每月实际耗电量约为6003kW·h，则每月节省平均749kW·h的电量，约减少394kgCO2的碳排放量。

综合分析可知，改造前的去年同时间段2022年5、6月污水站吨水电耗均为0.36kW·h/m3，改造后2023年5月吨水电耗为0.33kW·h/m3，与去年同月相比吨水电耗减少了8.3%。6月吨水电耗为0.34kW·h/m3，与去年同月相比吨水电耗减少了5.5%。

日后将逐步完成对整个污水站的节能升级改造，包括调节池的所有潜污泵和生化反应池的2组鼓风机，预计改造完成后因设备电耗产生的年碳排放量将减少约5.95tCO2，碳减排量占年碳排放量7.2%。同时未来污水站运行计划建立智能化的控制系统，以进水水量、水质等运行数据为基础，通过后台模拟将污水站设备调节为适当的运行模式，同时继续挖掘未来在污泥处理、废气处理等其他方面的节能减排途径。

4 结论

文章对案例医院污水站运行过程中的各类运行设备进行了碳排放核算，分析了污水站电耗的碳排放情况，以及评估了主要耗能设备改造后的节能效果。该污水站实际电耗碳排放量为82.46tCO2，其中污水生化处理单元的碳排放占比最大，达51.66%。鼓风机和潜污泵碳排放分别占总电耗碳排的48.49%和23.95%。针对高耗能的鼓风机和潜污泵进行节能改造后，年减排量约为5.95tCO2，碳减排量占年碳排放量7.2%。针对医院污水站运行高碳排部分进行节能分析，对高耗能设备进行节能改造，以出水水质稳定达标为前提，建议发展自动化、智能化、标准化污水处理运管控制技术，提高污水运行节能减排效果，从而实现“碳中和”的污水运营。