近年來(lái),碳中和是一個(gè)熱門(mén)話題,不斷增加的CO2排放已經(jīng)成為世界的基本難題之一。2015年《巴黎氣候協(xié)定》規(guī)定將氣溫上升限制在2 ℃以?xún)?nèi),為了達(dá)到這個(gè)目標(biāo),我國(guó)采取了嚴(yán)格的法規(guī)和排放標(biāo)準(zhǔn)。現(xiàn)階段國(guó)內(nèi)大部分的污水處理廠仍不能滿足可持續(xù)發(fā)展的要求,隨著國(guó)家和地方采取越來(lái)越嚴(yán)格的排污標(biāo)準(zhǔn),我國(guó)現(xiàn)有老式污水處理廠普遍暴露出達(dá)標(biāo)難、不穩(wěn)定、能耗高、污染治理難等問(wèn)題。

統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明,2020年,我國(guó)共有4 496座城鎮(zhèn)污水處理廠,總處理規(guī)模為23 070萬(wàn)m3/d。對(duì)于許多城鎮(zhèn)而言,污水處理廠是最大的能源消耗者,如果采用常規(guī)技術(shù)處理,污水處理能耗可占全球電力的3%,如果不盡快優(yōu)化目前和未來(lái)的處理廠處理技術(shù),污水處理設(shè)施的能源消耗將持續(xù)增加。依據(jù)2005年《關(guān)于嚴(yán)格執(zhí)行〈城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)〉的通知》及2006年修訂的《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 18918—2002)要求,城市污水處理設(shè)施向國(guó)家、省屬重要河流、湖泊、水庫(kù)等封閉、半封閉的水體進(jìn)行排污時(shí),要達(dá)到一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn),開(kāi)啟了國(guó)內(nèi)“提標(biāo)改造”的帷幕。

目前,國(guó)內(nèi)大部分的城市污廢水處理都是以生物法為主,在處理過(guò)程中,為了達(dá)到水質(zhì)凈化的目的,必須消耗很多化學(xué)物質(zhì)和能源,同時(shí)還會(huì)排放出許多的CO2、甲烷(CH4)等溫室氣體(GHG)。這種處理方式是“以能消能”的不可持續(xù)手段,如何實(shí)現(xiàn)“零碳型”排放,是污水廠實(shí)現(xiàn)碳中和運(yùn)行的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。

本文整合了目前污水處理廠的部分主流處理工藝及未來(lái)可突破的技術(shù)，歸納優(yōu)缺點(diǎn),以期為我國(guó)污水處理廠低碳綠色運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)碳中和運(yùn)行的目標(biāo)提供借鑒與參考。

1 污水處理廠節(jié)能減排的實(shí)現(xiàn)途徑

污水處理是能源密集型的高耗能產(chǎn)業(yè)。目前,我國(guó)污水處理規(guī)模大,能耗高,CO2排放量始終位居世界第一位。通過(guò)采取節(jié)能措施和調(diào)整處理工藝,大部分的污水處理廠可減少30%以上的能源投入。

1.1 污水處理綜合能效的提升分析

1.1.1 污水處理設(shè)備提質(zhì)增效

電耗在污水處理廠的能源消耗中占比較大,對(duì)污水處理設(shè)備進(jìn)行合理的改造優(yōu)化,可以實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗、提高設(shè)備能效的目的。具體地說(shuō),在污水處理廠中,曝氣系統(tǒng)、提升泵和污泥脫水裝置占據(jù)總電力消耗的主要份額，鼓風(fēng)曝氣機(jī)和污水提升泵等裝置的能源消耗占了69%。所以,研發(fā)曝氣系統(tǒng)、污水提升系統(tǒng)等節(jié)能技術(shù)是降低能源消耗的重要措施。

在多種污水處理工藝中,氧化池作為一種天然的污水處理系統(tǒng),其能源效率最高,但其占地面積大、散發(fā)異味等缺點(diǎn)嚴(yán)重限制了其應(yīng)用。對(duì)于污水處理廠來(lái)說(shuō),最實(shí)用的方法是升級(jí)陳舊的設(shè)備,并針對(duì)污水的水量和水質(zhì)總是波動(dòng)的特點(diǎn)采用實(shí)時(shí)控制器,使設(shè)備在合適的工況運(yùn)行。于洪波等的研究結(jié)果表明,選用空氣懸浮和磁浮等高效率的鼓風(fēng)機(jī)與采用傳統(tǒng)的羅茨風(fēng)機(jī)相比,可以節(jié)省30%左右的能源消耗。主體處理工藝的選取對(duì)整個(gè)污水處理廠的能源消耗總量也有一定的影響。蔣富海等采用低氧曝氣等節(jié)能操作,改進(jìn)后的Bardenpho懸掛鏈曝氣器充氧動(dòng)力效率高、曝氣均勻性好,可有效減少曝氣的能源消耗,使噸水電耗節(jié)能16%;噸水藥費(fèi)同比節(jié)約28%,改造后節(jié)水節(jié)能降耗效果顯著。吳軍偉等針對(duì)某污水處理廠,結(jié)合變頻調(diào)速電動(dòng)機(jī)的節(jié)能技術(shù),根據(jù)集水池水位的動(dòng)態(tài)特性,提出了一種基于智能節(jié)電裝置的污水提升泵變頻節(jié)能方案,經(jīng)過(guò)變頻調(diào)速后,兩臺(tái)水泵的每月耗電量下降至57 000 kW·h,節(jié)能效果>22%。

1.1.2 更新污水處理管理方法

當(dāng)前,我國(guó)污水廠的運(yùn)營(yíng)管理過(guò)程還面臨著很多的問(wèn)題,比如藥劑投加不精準(zhǔn)、設(shè)備配置與實(shí)際荷載不相匹配等。解決污水廠運(yùn)營(yíng)管理方面的問(wèn)題成為當(dāng)務(wù)之急。重慶G污水處理廠通過(guò)加入輔助碳源和除磷劑來(lái)保持生物化學(xué)體系的穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn),但調(diào)節(jié)操作滯后、加入量不精確等情況造成污水質(zhì)量不穩(wěn)定。后期,該污水處理廠安裝了進(jìn)水在線監(jiān)測(cè)儀表,科學(xué)測(cè)算碳氮比、碳磷比的值,合理地控制外加碳源或藥劑投加量,并對(duì)添加位置進(jìn)行了優(yōu)選,確保調(diào)控措施及時(shí)、準(zhǔn)確、高效,從而達(dá)到節(jié)能減排的目的。

在污水處理廠中應(yīng)用自動(dòng)控制,可實(shí)現(xiàn)多重效益,節(jié)省能源并減少高達(dá)9.6%的GHG排放。Baroni等在全尺寸操作過(guò)程中實(shí)現(xiàn)了一個(gè)模糊的邏輯系統(tǒng),意大利污水處理廠的氨和溶解氧濃度的波動(dòng)顯著降低,通過(guò)對(duì)1/4的反應(yīng)器應(yīng)用模糊控制器,污水處理廠的能耗降低了4%。在我國(guó)廣西桂林市,陳俊江對(duì)城市排水生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)管理系統(tǒng)進(jìn)行評(píng)價(jià)分析,該系統(tǒng)可以進(jìn)一步提升污廢水的綜合處理能力,減少故障停機(jī)的次數(shù),同時(shí)減少人力、材料、藥劑等費(fèi)用。

為了降低污水廠的碳排放,要從工藝、設(shè)備、管理、能源等多個(gè)環(huán)節(jié)入手,多措并舉,在確保水質(zhì)達(dá)到要求的前提下,加強(qiáng)對(duì)污水處理廠日常運(yùn)營(yíng)的監(jiān)督。

1.2 加大能源回收力度的工藝措施

傳統(tǒng)的污水生物處理工藝是能源密集型的工作,回收的資源很少或根本沒(méi)有,通常需要大量的外部化學(xué)物質(zhì)投入。通過(guò)碳捕集技術(shù),結(jié)合厭氧消化-熱電聯(lián)產(chǎn)、光伏發(fā)電、污水源熱泵等技術(shù),實(shí)現(xiàn)污水處理的碳中和目的。

1.2.1 污水源熱泵技術(shù)

污水含有大量的化學(xué)、熱能和水動(dòng)力能。據(jù)統(tǒng)計(jì),城市社區(qū)產(chǎn)生的余熱有40%包含在污水中。由于溫度存在差異,污水中所含的熱能提供了另一個(gè)間接抵消污水處理的能源需求的能量來(lái)源,其中可回收的熱能比厭氧回收的化學(xué)能多6～8倍。因此,如果能將回收的熱能與城市熱網(wǎng)有效地結(jié)合起來(lái)并充分利用,水源熱泵技術(shù)在促進(jìn)污水處理廠接近碳中和目標(biāo)方面具有巨大潛力。污水源熱泵其中一部分熱能可用于滿足污水處理廠的采暖需要,另外一部分則被送往城鎮(zhèn)供熱系統(tǒng),污水源熱泵系統(tǒng)的詳細(xì)流程如圖1所示。以北歐國(guó)家為例,據(jù)報(bào)道,在瑞士和德國(guó),3%的建筑可以通過(guò)污水源熱泵供暖或制冷。與傳統(tǒng)的空調(diào)系統(tǒng)相比,應(yīng)用污水源熱泵的中央空調(diào)系統(tǒng),CO2的排放減少40%～51%,NOx的排放減少36%～49%;污水源熱泵分布式空調(diào)系統(tǒng)減少了13%的CO2排放,以及13%的NOx排放。郝曉地等的研究結(jié)果顯示,采用朗肯循環(huán),能夠充分利用余熱供電,使污水處理廠達(dá)到碳中和86%的能量要求,并能進(jìn)一步降低CO2的排放。青島市團(tuán)島污水源熱泵利用低品位熱能,實(shí)現(xiàn)了傳統(tǒng)的節(jié)能減排,年節(jié)電量為5.2×104MW·h,標(biāo)煤節(jié)約1.91×104t,并減少50 042 t/a的CO2、162.4 t/a的SO2和141.3 t/aNOx-排放。

Zhang等提出一種新型組合型污水熱泵供暖方式,其節(jié)能性、經(jīng)濟(jì)性、適用性強(qiáng),能夠?qū)⒋罅康臒崮芡ㄟ^(guò)管網(wǎng)向集中供暖系統(tǒng)輸送,有助于降低燃煤和大氣污染。

如圖2所示,分析了不同工況下不同加熱方式的一次能源利用效率。在設(shè)定的條件下,與傳統(tǒng)的加熱方法相比,污水源熱泵可以充分利用污水熱能資源,能夠減小對(duì)環(huán)境的影響。與傳統(tǒng)集中供熱方式相比,在相同典型工況下,污水源熱泵組合式集中供熱方式一次能源效率提高了14%。而且,污水源熱泵是一種環(huán)境友好型技術(shù),不排放空氣污染物。因此,借助污水源熱泵提取熱量是一種節(jié)能的有效途徑,既可以節(jié)省污水廠的運(yùn)行熱能,又可以達(dá)到“碳中和”的目的,從而達(dá)到間接減少碳的排放量。

1.2.2 光伏發(fā)電

在環(huán)境保護(hù)壓力和國(guó)家政策的雙重推動(dòng)下,太陽(yáng)能光伏技術(shù)作為一種低碳排放的方法,成為了當(dāng)前眾多新建污水處理廠的選擇。由于工藝流程的需要,大多數(shù)污水處理廠的結(jié)構(gòu)較大,如生物反應(yīng)池、二沉池等,光伏系統(tǒng)的安裝空間通常較大。同時(shí),相關(guān)政策指出,要大力支持污水處理廠對(duì)土地進(jìn)行充分地利用來(lái)進(jìn)行光伏發(fā)電建設(shè)。

劉揚(yáng)等分析了首都某污水處理廠,發(fā)現(xiàn)利用光伏發(fā)電系統(tǒng)一年生產(chǎn)的電能為1.5×104kW·h左右,其生產(chǎn)的電能可以節(jié)省5.4 t煤,同時(shí)還可以降低12.2 t左右的CO2排放量,降低碳氧化合物排放量0.06 t左右。河南鄭州馬頭崗污水處理廠開(kāi)發(fā)的“光伏+水務(wù)”新的運(yùn)行方式,已經(jīng)在亞洲形成了“智能化+高效太陽(yáng)能回用系統(tǒng)”的典范,該模式節(jié)能減排效果顯著。安裝4 000 m2光伏電池板的法國(guó)戛納Aquaviva污水處理廠已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了碳中和。賓夕法尼亞州污水處理廠完成了一個(gè)3 MW的太陽(yáng)能項(xiàng)目,該項(xiàng)目預(yù)計(jì)每年生產(chǎn)超過(guò)300萬(wàn)kW·h的電力,足以減少3 515 t的CO2排放。

這種單一的光伏-污水廠雖然可以達(dá)到節(jié)能的目的,但是也存在電力供應(yīng)不穩(wěn)定的問(wèn)題。為了解決這個(gè)問(wèn)題,姜放提出可以引進(jìn)一種新型的鋰離子蓄能發(fā)電裝置,組成一個(gè)太陽(yáng)能-蓄能裝置-污水處理廠,其電力供應(yīng)流程如圖3所示。采用儲(chǔ)能器技術(shù)對(duì)提高太陽(yáng)能光伏發(fā)電的性能和降低能耗具有重要意義。除了采用太陽(yáng)能外,還可以引入風(fēng)能、污水熱能、生物質(zhì)能等新能源,從而實(shí)現(xiàn)多種能源的補(bǔ)充。近年來(lái),許多污廢水處理廠都在積極地研究多能補(bǔ)充的系統(tǒng)。

孫振宇等將污水源熱泵和分布式太陽(yáng)能-市電系統(tǒng)聯(lián)合使用,使污水處理廠年可節(jié)省387.1 t的標(biāo)準(zhǔn)煤,減少483.9 t CO2排放量,減少了大氣中的其他污染,取得了良好的環(huán)保和經(jīng)濟(jì)效益。Buller等研究了一個(gè)基于光伏能源、生物質(zhì)氣化爐和電網(wǎng)的混合系統(tǒng),與沼氣燃燒的混合組合可作為中型污水處理廠的替代方案,可以增加經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)保效益。

但是,因?yàn)樘?yáng)能板使用氫氟酸、硝酸、三氯氧磷、異丙醇等化學(xué)成分對(duì)環(huán)境造成的危害不容忽視。太陽(yáng)能產(chǎn)業(yè)帶來(lái)的相關(guān)污染問(wèn)題還需要認(rèn)真對(duì)待并采取積極措施加以解決。

1.2.3 污泥厭氧消化與熱電聯(lián)產(chǎn)

文獻(xiàn)統(tǒng)計(jì)表明,運(yùn)行一個(gè)污水處理廠所需的電量通常為0.3～0.6 kW·h/m3。污水中有機(jī)化合物的燃燒熱能為該值的9～10倍,因此,回收污水中含有的化學(xué)能具有經(jīng)濟(jì)效益。最可行的方法是利用厭氧消化產(chǎn)生的沼氣發(fā)電和供熱。污泥是污水處理廠生產(chǎn)中必然產(chǎn)生的副產(chǎn)物,由于其數(shù)量不斷增加和處理不完全,污泥自身穩(wěn)定性和無(wú)害化處置的結(jié)果與預(yù)期的目標(biāo)有很大的差距。污泥的處理需要耗費(fèi)很多的化學(xué)物質(zhì)和能量,而采用填埋法進(jìn)行處理會(huì)加劇溫室效應(yīng),所以在污水處理廠中,對(duì)污泥處理過(guò)程碳減排的控制有著十分關(guān)鍵的作用。

戴曉虎等歸納分析我國(guó)典型的污泥處理處置工藝碳排放如表1所示,目前已有的污泥處理工藝流程碳排放量排序?yàn)?深度脫水-應(yīng)急掩埋最多;干化焚燒-建材利用次之;好氧發(fā)酵-土地利用較少;厭氧消化-土地利用最少。由表1可知,污泥的處置主要碳排放來(lái)源于設(shè)備的電耗、油耗以及藥物消耗,相應(yīng)碳補(bǔ)償措施也較易實(shí)現(xiàn)。趙陽(yáng)悅等在吉林某公司改造擴(kuò)建后的污泥厭氧化工程中,提出一種將污泥和有機(jī)助劑混在一起進(jìn)行的厭氧消化技術(shù),能夠達(dá)到回收能源的目的,并且減少9 414 t CO2-eq的GHG排放。

污水處理廠有大量的污泥,經(jīng)過(guò)厭氧法處理后得到的沼氣是一種非常潔凈的能源,其中以沼氣的熱電聯(lián)產(chǎn)在污水廠中最為普遍。為了促進(jìn)CH4生產(chǎn),增強(qiáng)過(guò)程穩(wěn)定性,可以添加共基質(zhì),如城市固體廢物的有機(jī)組分;或污泥預(yù)處理方法,如應(yīng)用熱水解工藝。我國(guó)大力推廣采用中溫發(fā)酵的污泥厭氧法,其中青島麥島和北京高碑店等污水處理廠的工藝效果最好。崔濡川等根據(jù)能源階梯利用原理,結(jié)合沼氣熱電聯(lián)產(chǎn)技術(shù)對(duì)現(xiàn)有的發(fā)電設(shè)備進(jìn)行了改造,與傳統(tǒng)的燃煤工藝比較,本工藝可節(jié)省558 t標(biāo)準(zhǔn)煤炭,降低了SO2和NO2對(duì)大氣的污染,并取得了明顯的環(huán)保和經(jīng)濟(jì)效益。邵彥青等考察馬來(lái)西亞Pantai污水處理廠,該污水廠采用熱電聯(lián)產(chǎn)技術(shù),降低了60%的污泥含量,年節(jié)約標(biāo)煤19.85 Mt。

污泥的厭氧消化使污水廠實(shí)現(xiàn)了剩余污泥的穩(wěn)定化和資源化處理。污水廠設(shè)置的厭氧消化裝置可為污水廠提供40%～60%的運(yùn)行電耗。綜上,污水污染物的主要厭氧降解在經(jīng)濟(jì)上和技術(shù)上看來(lái)可行,而且就GHG的產(chǎn)生而言,對(duì)環(huán)境有重大好處。

針對(duì)以上不同污水處理廠節(jié)能技術(shù)路線的碳中和研究,得出了表2所示的優(yōu)缺點(diǎn)。

再生水源熱泵比污泥厭氧消化技術(shù)結(jié)合沼氣熱電聯(lián)產(chǎn)具有更高的碳中和效果,再生水源熱泵可產(chǎn)生74.22 t標(biāo)準(zhǔn)煤熱能,而污泥厭氧消化僅能回收3.03 t標(biāo)準(zhǔn)煤熱能和2.97 t標(biāo)準(zhǔn)煤電。隨著污水廠處理負(fù)荷的增加,再生水源熱泵可以達(dá)到更高的碳中和效果。光伏發(fā)電的應(yīng)用需要考慮地理位置,在太陽(yáng)能資源豐富的地區(qū),光伏發(fā)電體系的碳中和率可以接近厭氧消化體系的碳中和率。以5萬(wàn)m3/d的污水廠為例,拉薩碳中和率為35%,長(zhǎng)春為24%,貴陽(yáng)為13%。不同太陽(yáng)能光強(qiáng)的城市碳中和率差異可達(dá)2～3倍。在太陽(yáng)能豐富的地區(qū),可以回收和利用更多的太陽(yáng)能,這更有利于光伏發(fā)電系統(tǒng)的功率轉(zhuǎn)換效率,并可獲得更高的碳中和。但是在構(gòu)筑物頂部安裝太陽(yáng)能電池板工程太過(guò)復(fù)雜,也使得該技術(shù)沒(méi)有得到廣泛應(yīng)用。污泥厭氧消化技術(shù)可以處理有機(jī)物含量較高的污泥,并且可通過(guò)沼氣熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)提供熱能和動(dòng)力。隨著污水廠規(guī)模的增加,污水源熱泵可以從污水中回收更多的廢熱,其碳中和率將顯著提高。同樣,隨著污水廠規(guī)模的增加,光伏板的可鋪設(shè)面積也會(huì)變大,光伏發(fā)電系統(tǒng)回收的太陽(yáng)能也會(huì)更多,碳中和率也會(huì)更高。然而,污水廠規(guī)模的變化對(duì)污泥厭氧消化系統(tǒng)影響不大。