污水处理行业碳减排路径探讨.doc

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1、污水处理行业碳减排路径探讨根据住房与城乡建设部发布的中国城镇排水与污水处理状况公报：2006-2015和2015年城乡建设统计公报显示，从2005年到2014年，城镇污水处理能力从不到7000万立方米/日增加到1.7亿立方米/日，增幅高达143%；城镇污水处理厂数量从1000座增加到4436座。城镇生活污水厂正常运转是削减生活污水污染的最主要的途径，生活污水和污泥处理过程含碳、氮污染物的降解转化会伴随着甲烷、氧化亚氮和二氧化碳等温室气体的产生和排放，并且废水处理设施需要消耗大量电力和化学药剂，不可避免的会产生大量的温室气体和消耗大量的能源。传统污水处理实际上为“以能消能、污染转嫁”方式，碧水的

2、同时未必是蓝天。确实，COD+O2CO2+H2O的传统有机物去除方式是用能量（曝气）去摧毁能量（有机物），并且随着污水厂出水标准日益提高，其所需能源也将大幅提升，结果，污水处理有可能让水环境变干净，但因耗能导致的CO2等气体则会贡献温室气体。据研究表明2015年全国整个污水处理行业（市政污水、农村生活污水、工业污水和畜禽与水产养殖废水）的碳排放总量为1.97亿吨CO2eq，占全国温室气体排放总量的1.71%。其中市政污水行业的碳排放强度稳定在0.92kgCO2eq/m3左右，若沿用当前的排放强度，我国市政污水行业将在2030年排放8316万吨CO2eq温室气体，整个污水行业将产生碳排放3.65

3、亿吨CO2eq，占全国总排放量的2.95%。所以污水处理系统产生碳排放的量是巨大的，是我国碳排放的重要一环，为实现我国的“双碳”目标，污水处理厂的碳减排工作意义重大。一、污水处理厂典型工艺污水处理厂典型工艺为污水通过污水管网收集，然后泵送至污水处理厂进行处理。污水进入污水处理厂后先经过一级处理，去除污水中所含的固体和悬浮物；然后，经过生物处理去除大部分有机物和氮磷，并产生剩余污泥；为了达到严格的出水标准，常常采用三级处理以进一步去除氮磷。符合出水标准的出水将被排放到自然水体中，产生的污泥经浓缩、调质、脱水后，进行无害化处置。其中污水处理的主体生物处理工艺中除了传统的活性污泥法（CAS），还包括

4、厌氧好氧工艺（AO）、厌氧缺氧好氧活性污泥法（AAO）、氧化沟工艺、序批式活性污泥法（SBR）、膜生物反应器（MBR）、曝气生物滤池（BAF）、生物膜法等。实践发现不同工艺的耦合可以得到更高质量的出水，比如AAO与生物膜法的耦合，AO与MBR的耦合，氧化沟工艺与BAF的耦合等等。图2 污水处理典型工艺流程（摘自论文）污水处理过程会产生大量剩余污泥，一般污水厂将剩余污泥脱水后委外处理，常见污泥处理步骤为：重力沉淀，加入氯化铁、石灰或有机髙分子絮凝剂促进固液分离，最后使用带式压滤、板框压滤或离心脱水等技术进行脱水。脱水后的污泥进行无害化处置，国内外常用的污泥处置方法有卫生填埋、焚烧、建筑材料利用等

5、。二、污水处理厂碳排放现状污水处理系统中碳排放是一个多部门多流程的复杂过程，污水厂的碳排放分为直接排放和间接排放。直接排放是指污水生物处理过程有机物转化为CO2的排放，脱氮过程中N2O的排放，污泥处理过程中CH4的排放；间接排放主要来自污水处理系统中电耗，比如能耗较高的处理单元有污水提升设备单元，曝气系统单元，物质流循环单元，污泥处理单元及其他环节的机械设备，具体排放情况见下表。以某城镇污水厂为例，直接排放碳排放占总排放的70%以上，间接排放占30%，其中甲烷的碳排放量折算后达到82%以上，所以通过甲烷等沼气产能的回收可大幅降低碳排放的总量。三、污水处理厂碳减排路径展望从碳排放尺度而言，污水处

6、理过程是一个高耗能行业，未来污水处理行业的碳减排首先应该从全局入手，在规划理念、工艺选择、运行管理的方案比选中引入“碳尺”概念，污水收集、输送、处理、处置全方位采用低碳技术，削减“碳源”，增加“碳汇”。所以未来污水厂“碳中和”目标的实现可以从两个方面进行，一是“开源”，即挖掘污水中潜在能量，例如从生化处理过程、污泥处理过程进行能量回收利用，探索能源自给模式可行性，从而降低能源损耗；二是“节流”，即通过技术革新、智能装备、工艺优化等方式降低电耗，从而降低碳排放。国外工程实例芬兰Kakola污水处理厂处理规模为10104m3/d，为了实现低碳排放，Kakola热泵厂毗邻Kakola污水处理厂建设，

7、利用出水余热，为图尔库地区的公共建筑和家庭供热/供冷。图3 芬兰Kakola污水处理厂波兰一污水厂采用热电联产方式，实现发电1.02MWe、7700MWh/a、产热1.05MWt、28647GJ/a。利用生物质能源替代化石能源，是碳减排同时减少大气污染的重要途径之一。图4 波兰Poznan(波兹南)日本岩手县以都南污水处理厂(处理能力195600m3/d)能源自给为目的，优化设备运转方式，降低电耗。具体措施为水泵避免转速过低和频繁启停，风机根据处理负荷选择最合适风量和最佳机型，搅拌器厌氧池和污泥储槽中的搅拌器间歇运行。以2015年为基准，2019年(试验后)电耗减少3.3%。图5 都南污水处理

8、厂国内案例污水处理概念厂在深入研究了解国外先进污水处理厂理念、工艺、技术和工程实践的同时，中国学术界和产业界也在积极探索新的污水处理模式。2014年，中国工程院院士曲久辉等6位专家提出“建设面向未来的中国污水处理概念厂”的构想。污水处理概念厂将实现以下需求：1出水水质满足水环境变化和水资源可持续循环利用；2大幅提高污水处理厂能源自给率，在有适度外源有机废物协同处理的情况下，做到零能耗；3追求物质合理循环，减少对外部化学品的依赖与消耗；4感官舒适、建筑和谐、环境互通、社区友好。2020年4月，宜兴概念厂正式破土动工，于2021年全部建成投运。宜兴概念厂采用水质净化中心、有机质协同处理中心和生产型

9、研发中心“三位一体”生态综合体“构造肌理”，颠覆了传统污水厂形态，将示范污水处理厂从污染物削减基本功能扩展至城市能源工厂、水源工厂、肥料工厂等多种应用场景。该厂的投运，将引领“污水是资源，污水厂是资源工厂”的新环保理念，将重新诠释污水厂和城市的关系，打造出生态、生活、生产“三生”融合一体、开放共享的新型城市空间。图6 宜兴概念厂综上所述，未来污水处理行业碳减排应该借鉴各类经验，采用全生命周期管理理念，从污水厂建设初期关注工艺、技术、装备、循环经济；运营过程提高综合能效、减少物料消耗，实现低碳运行；以碳减排思路建立碳排放监管体系，为实现我国未来污水处理行业碳中和、碳减排奠定扎实基础。参考文献：1刘智晓.未来污水处理能源自给新途径碳源捕获及碳源改向J.中国给水排水,2017,33(8):10.2陆家缘.中国污水处理行业碳足迹与减排潜力分析D.中国科学技术大学,2019.3柏茜,徐冰峰.某城镇污水厂处理的碳排放分析J.中国水运(下半月),2018,18(03):133-134.4中国水网：张辰再谈城镇污水系统碳排放研究5微信公众号江苏生态环境：第一！全国首座城市污水资源概念厂在宜兴建成投运！6