污水处理领域的碳减排如何做？

导 读

 

污水处理碳排放包括间接排放和直接排放。

 

污水处理是社会中较小的行业，但属于能源密集型行业，美国、德国、日本等国家污水处理行业电耗占全社会总电耗的1%左右，高能耗导致大量间接碳排放。

 

污水处理过程会产生并逸散大量CH4和N2O，是重要的直接碳排放源。

 

据欧洲统计办公室2014年欧洲统计报告，污水处理与固体废弃物处理组成的废物处理行业是第五大碳排放行业，占全社会总碳排放量的3.3%。

 

美国EPA统计预测，全球污水行业2015年CH4和N2O逸散量分别为5.4亿t 和0.9亿t CO2当量，预测2020年将分别达到5.65亿t和0.94亿t CO2当量，2030年将分别超过6亿t 和1亿t CO2当量，约占非CO2总排放量的4.5%。

 

总体上，污水处理行业碳排放量占全社会总排放量的1%～2%。

 

而碳达峰、碳中和目标的提出，对“十四五”水污染防治工作也将产生深远影响。

 

首先中国很多地方缺水，而污水治理达标后又白白排放掉了，非常可惜。如果把这些再生水循环利用起来，对每一个城市来讲就都是一个巨大的稳定的水源，在确保安全的前提下可以利用起来。

 

一方面，这样可以减少污染源的排放；另一方面，也可以减少碳的排放，因为这些水的回用就意味着处理过程的能耗、药耗省掉了。

 

按照国际经验，采用高效的设备，对水厂运行过程进行优化控制，电耗可降低20-50%，则进行水厂的提效改造可节省耗电量为28-70亿kWh，相当于减少排放CO2e 279-698万t/a，产生效益约为22.4-56 亿元人民币。

 

目前我国污水处理厂在运行过程中，既有由于运行调控的不合理以及管理不当所导致的能源浪费，也有各处理单元设备效率低下造成的碳排放量过高。

 

对于中国污水处理厂的低碳运行有两个方面需要重视：一是基于全生命周期的碳排放量低，主要面向污水处理过程中所用的构筑物、产品或服务；另一种是终端消耗的碳排放量低，需要关注处理电耗、药耗以及运营过程中的节能减排。

 

1. 提高污水处理综合能效 　　

 

第一，采用高效机电设备，新建设施直接采购高效设备，已有设施逐步更新成高效设备。污水处理机电设备主要包括水力输送、混合搅拌和鼓风曝气三大类。采用高效电机通常可实现5-10%的效率提高。

 

第二，加强负载管理，满足工艺要求的前提下要使负载降至最低，同时，设备配置要与实际荷载相匹配，避免“大马拉小车”。

 

主要包括以下几个方面：① 污水提升以及污泥回流等单元的水力输送设备绝大部分时段在低效工况运行，应予以改造。②污泥混合搅拌设备的设计搅拌功率普遍偏大，处于过度搅拌状态，准确把握搅拌器与介质之间力和能量的传递关系，可以准确衡量实际工况所需搅拌器的大小，有效避免电耗浪费。③优化推进器和曝气系统的位置和距离，可以使系统的能量损失最小。④ 曝气系统的电耗约占污水处理总电耗的50-70%，是加强负载管理的重点。

 

第三，建立需求响应机制，根据实际工况的需求及其变化，动态调整设备的运行状态。目前污水行业已经出现感应式调速和线性调速的水力输送和搅拌设备，此类设备可以有效优化水力输送和搅拌系统的整体运行情况，实现节能降耗。

 

采用内置智能控制系统的水力输送设备和搅拌器，在特定工况条件下，与传统设备相比，甚至可以节省50%以上的能耗。

 

2. 大力回收能源 　　

 

污水中蕴含着大量的能量，理论上是处理污水所需能量的很多倍。污水经处理后，其中的能量大部分转移到了污泥中，因此开发回收污泥中的能量具有极大的潜力。

 

污泥能源化主要集中在厌氧方向，污泥厌氧能源化包括厌氧发酵产乙醇、厌氧发酵产氢和厌氧消化产甲烷三个技术路径。

 

传统厌氧消化技术能源转化率在30-40%，而高级厌氧消化技术可提高到50-60%。高级厌氧消化技术包括高温厌氧消化、温度分级厌氧消化(TPAD)、酸—气两相厌氧消化和延时厌氧消化。

 

采用传统厌氧消化技术可使污水处理厂实现20-30%的能源自给率，预处理、高级厌氧消化、涡轮发动机或燃料电池以及热电联产(CHP)等技术的耦合使用，有望使污水处理实现30-50%的能源自给率，及大大降低间接碳排放量，又降低甲烷产生并逸散导致的直接排放。

 

3. 探索可持续新工艺 　　

 

(1)针对有机物去除的工艺

 

基于有机污染物去除的可持续污水处理新工艺主要是厌氧处理技术，能耗低，且可回收能源。

 

高浓度有机废水的厌氧技术已成熟，但城市污水有机物浓度低，厌氧处理存在投资大和占地大等障碍。

 

可以寻找市场上相关新材料新技术，如特种吸附材料相关配套工艺进行针对性有机物的去除。

 

(2)针对脱氮的低能耗、低药耗工艺

 

低能耗、低碳源消耗的脱氮工艺主要包括基于短程反硝化原理的SHARON工艺和基于厌氧氨氧化的ANNAMOX/DEMON工艺。与传统的AAO工艺相比，SHARON可节约25%的能耗、40%的碳源消耗，而ANNAMOX工艺可节约60%的能耗、90%的碳源消耗。

 

目前，SHARON和ANNAMOX在高浓度氨氮污水处理中已较成熟。ANNAMOX工艺在典型城镇污水处理上虽有进展，但离实际应用仍有差距。

 

(3)碳氮两段法工艺

 

未来革命性的可持续污水处理工艺方向是碳氮两段法：首先对污水中的有机物进行分离，分离出的污泥通过厌氧消化产生CH4，或对污水直接进行厌氧处理产能，分离后含有氨氮的污水通过主流厌氧氨氧化进行脱氮。

 

根据理论估算，采用上述碳氮两段法，处理1人口当量的污染物将产生24瓦时能量，使污水处理厂真正成为“能源工厂”，且污泥产量仅为活性污泥法的四分之一。

 

专家们认为，在投资建设领域，应贯穿生命周期成本理念，关注工艺、技术、机电装备建设成本，更要注重运营过程的节能低耗，要低碳建设污水处理设施；在运营生产领域，应构建清洁生产技术体系，提高综合能效、降低物料消耗，实现污水处理设施的低碳运营；在监督管理领域，应提出减排目标，建立以碳审计为核心的碳排放监管制度体系，引导行业实现低碳发展。