近年來,碳中和是一個(gè)熱門話題,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 ℃以內(nèi),為了達(dá)到這個(gè)目標(biāo),我國采取了嚴(yán)格的法規(guī)和排放標(biāo)準(zhǔn)。現(xiàn)階段國內(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,隨著國家和地方采取越來越嚴(yán)格的排污標(biāo)準(zhǔn),我國現(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、污染治理難等問題。

統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明,2020年,我國共有4 496座城鎮(zhèn)污水處理廠,總處理規(guī)模為23 070萬m3/d。對于許多城鎮(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)施向國家、省屬重要河流、湖泊、水庫等封閉、半封閉的水體進(jìn)行排污時(shí),要達(dá)到一級A標(biāo)準(zhǔn),開啟了國內(nèi)“提標(biāo)改造”的帷幕。

目前,國內(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可突破的技術(shù)，歸納優(yōu)缺點(diǎn),以期為我國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,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。對于污水處理廠來說,最實(shí)用的方法是升級陳舊的設(shè)備,并針對污水的水量和水質(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)過變頻調(diào)速后,兩臺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,我國污水廠的運(yùn)營管理過程還面臨著很多的問題,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)營管理方面的問題成為當(dāng)務(wù)之急。重慶G污水處理廠通過加入輔助碳源和除磷劑來保持生物化學(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)測儀表,科學(xué)測算碳氮比、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,通過對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%。在我國廣西桂林市,陳俊江對城市排水生產(chǎn)運(yùn)營管理系統(tǒng)進(jìn)行評價(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)對污水處理廠日常運(yùn)營的監(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有,通常需要大量的外部化學(xué)物質(zhì)投入。通過碳捕集技術(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。以北歐國家為例,據(jù)報(bào)道,在瑞士和德國,3%的建筑可以通過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^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)壓力和國家政策的雙重推動(dòng)下,太陽能光伏技術(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土地進(jìn)行充分地利用來進(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的太陽能項(xiàng)目,該項(xiàng)目預(yù)計(jì)每年生產(chǎn)超過300萬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)定的問題。為了解決這個(gè)問題,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)對提高太陽能光伏發(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,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柲馨迨褂脷浞帷⑾跛?、三氯氧磷、異丙醇等化學(xué)成分對環(huán)境造成的危害不容忽視。太陽能產(chǎn)業(yè)帶來的相關(guān)污染問題還需要認(rèn)真對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,對污泥處理過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)上看來可行,而且就GHG的產(chǎn)生而言,對環(huán)境有重大好處。

針對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m3/d的污水廠為例,拉薩碳中和率為35%,長春為24%,貴陽為13%。不同太陽能光強(qiáng)的城市碳中和率差異可達(dá)2～3倍。在太陽能豐富的地區(qū),可以回收和利用更多的太陽能,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)筑物頂部安裝太陽能電池板工程太過復(fù)雜,也使得該技術(shù)沒有得到廣泛應(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)模的變化對污泥厭氧消化系統(tǒng)影響不大。