導(dǎo)讀：2021年河南暴雨導(dǎo)致的洪澇災(zāi)害給人類敲響一記警鐘：如果繼續(xù)任由全球變暖肆意發(fā)展，人類未來的境遇將不堪設(shè)想。溫室氣體排放存在于生產(chǎn)生活的各個(gè)環(huán)節(jié)，而且其與極端天氣出現(xiàn)的連鎖反應(yīng)較長(zhǎng)，導(dǎo)致常常選擇性忽視溫室氣體排放的后果。但逃避解決不了問題，為了控制全球變暖的發(fā)展趨勢(shì)，2016年4月22日全世界178個(gè)締約方共同簽署了《巴黎協(xié)定》，長(zhǎng)期目標(biāo)是將全球平均氣溫升幅控制在2 ℃以內(nèi)。各國(guó)積極響應(yīng)紛紛制定碳中和目標(biāo)，我國(guó)在2020年9月提出二氧化碳(CO2)排放力爭(zhēng)2030年前達(dá)到峰值，努力爭(zhēng)取2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和。

在氣候變化產(chǎn)生影響的溫室氣體中，最主要的是CO2，因此，在討論溫室氣體排放的時(shí)候，常用“碳排放”一詞作為代表。據(jù)統(tǒng)計(jì)，污水處理行業(yè)的電力消耗占全球的3%，一座中型規(guī)模的污水處理廠(規(guī)模為10萬m3/d)每日的CO2排放量等同于6 000輛轎車每日的排放量。隨著社會(huì)的發(fā)展，污水處理總量與處理標(biāo)準(zhǔn)會(huì)持續(xù)上升，污水處理行業(yè)的能耗需求也隨之增加，及時(shí)扭轉(zhuǎn)這一趨勢(shì)迫在眉睫。近年來，污水處理廠的設(shè)計(jì)和運(yùn)行越來越注重在不影響出水質(zhì)量的前提下，盡量減少能源消耗，如實(shí)施低碳新工藝(厭氧氨氧化工藝)，提高設(shè)備性能和設(shè)備運(yùn)行的供需平衡。僅是被動(dòng)節(jié)能無法實(shí)現(xiàn)污水處理廠的碳中和運(yùn)行，污水中蘊(yùn)藏著豐富的化學(xué)能和物理熱能，因此，還可以主動(dòng)開發(fā)污水中的能源。污水處理是耗能行業(yè)，能量輸出看似天方夜譚，但是國(guó)際上早已有污水處理廠碳中和運(yùn)行并向外輸出能量獲利的先例，如奧地利Strass污水處理廠。

本文首先明確城市污水處理廠的碳排放源，后從“節(jié)能”和“開源”兩個(gè)角度詳細(xì)介紹了實(shí)現(xiàn)污水處理廠碳中和運(yùn)行的技術(shù)。

一、城市污水處理廠的碳排放源

1.1直接排放

污水處理廠直接排放的溫室氣體有3種：CO2、甲烷(CH4)、氧化亞氮(N2O)。謝淘等評(píng)價(jià)了北方某座污水處理廠的溫室氣體排放，結(jié)果表明該廠溫室氣體直接排放占總排放的60%以上。

非CO2的溫室氣體(CH4和N2O)的溫室效應(yīng)增溫潛勢(shì)比CO2大很多，根據(jù)聯(lián)合國(guó)政府間氣候變化專門委員會(huì)(IPCC)報(bào)告，CH4溫室效應(yīng)增溫潛勢(shì)是CO2的25倍，N2O溫室效應(yīng)增溫潛勢(shì)是CO2的296倍。污水處理廠是非CO2溫室氣體排放的主要貢獻(xiàn)者，據(jù)估計(jì)，在2005年—2030年相當(dāng)于全球非CO2溫室氣體總排放的4.6%～5.2%。

1.1.1 CO2的直接排放

IPCC于2006年發(fā)布了最新溫室氣體指南《IPCC國(guó)家溫室氣體清單指南》，其中將CH4和N2O列為城市污水處理廠直接排放的溫室氣體，CO2的直接排放未被列入。原因是這部分碳元素一般被認(rèn)為來源于植物光合作用，起因是大氣中CO2被吸收、固定到植物中所形成的有機(jī)碳，這部分碳被稱為生源碳，是大氣中原本就存在的CO2。然而，污水處理廠進(jìn)水中不只有生源碳，如洗滌劑、化妝品和藥物等最初來源為石油化工產(chǎn)品，并非原生態(tài)的自然原料，這部分碳不應(yīng)與生源碳混為一談，稱為化石碳。且盡管生源碳來自于大氣碳庫(kù)，但目前大氣碳庫(kù)早已非原生態(tài)下的碳存量，所以很難將生源碳和化石碳劃分清晰。鮑志遠(yuǎn)計(jì)算了4座污水處理廠化石源CO2排放量，占總CO2排放的29.59%～51.80%，因此，忽略化石碳的直接排放會(huì)造成溫室氣體碳足跡計(jì)算的缺失。

污水處理過程中CO2的直接排放有3個(gè)途徑：一是進(jìn)水中CODCr的好氧降解；二是微生物的內(nèi)源呼吸作用；三是反硝化過程，主要來源是好氧細(xì)菌的降解活動(dòng)。Shahabadi等估算了某一食品加工廢水處理廠的CO2排放，結(jié)果表明CO2直接排放占總CO2排放量的38%。

1.1.2 N2O的直接排放

傳統(tǒng)活性污泥工藝脫氮要經(jīng)過進(jìn)水氨氮硝化過程和反硝化過程，這兩個(gè)過程都是產(chǎn)生N2O的主要途徑。硝化過程中發(fā)生的硝化細(xì)菌反硝化作用是活性污泥系統(tǒng)產(chǎn)生N2O的主要途徑，尤其是在缺氧或低氧條件下更為明顯。在硝化過程中另一個(gè)產(chǎn)生N2O的途徑是，硝化細(xì)菌將NH2OH氧化為NO2-的過程中產(chǎn)生副產(chǎn)物N2O，或者由亞硝酸鹽或氨氧化中間產(chǎn)物羥胺的化學(xué)分解作用產(chǎn)生。反硝化過程中N2O是中間產(chǎn)物，在N2O還原酶的活性因外界因素的影響降低或失活的情況下，N2O還原受阻，導(dǎo)致N2O的積累與排放。趙叢對(duì)山東省諸城市某污水處理廠各處理構(gòu)筑物中N2O釋放量進(jìn)行了測(cè)定，結(jié)果表明厭氧池、缺氧池、好氧池和污泥濃縮池是N2O的主要釋放來源。

1.1.3 CH4的直接排放

污水中的CH4來源于產(chǎn)甲烷菌厭氧降解有機(jī)物，產(chǎn)甲烷菌一般為專性厭氧菌，所以在厭氧的環(huán)境下有可能產(chǎn)生CH4。

在污水收集和輸送的管道中，污水處在厭氧環(huán)境，這給產(chǎn)甲烷菌厭氧降解有機(jī)物制造了條件，使污水處理廠的進(jìn)水中攜帶了大量溶解態(tài)CH4，可能會(huì)在后續(xù)攪拌和曝氣的過程中排放。根據(jù)趙叢對(duì)山東省諸城市某污水處理廠各處理構(gòu)筑物中CH4釋放量測(cè)定結(jié)果，最高CH4通量出現(xiàn)在曝氣沉砂池中。鮑志遠(yuǎn)對(duì)厭氧好氧(AO)工藝運(yùn)行的污水處理廠進(jìn)行溫室氣體的監(jiān)測(cè)，結(jié)果表明CH4在好氧池中排放量最大，非曝氣單元的排放量較低，可能是由于AO工藝缺少嚴(yán)格的厭氧環(huán)境。張星等對(duì)南京市某污水處理廠的各個(gè)構(gòu)筑物進(jìn)行了采樣分析，結(jié)果表明氧化溝、厭氧區(qū)、旋轉(zhuǎn)沉砂池、二沉池和缺氧區(qū)是該污水廠的主要CH4釋放構(gòu)筑物。因此，好氧處理單元和厭氧處理單元都是重要的CH4的排放源。

1.2間接排放

污水處理廠的間接碳排放來源于電耗和藥耗。

電能主要來源于煤炭的燃燒，會(huì)間接排放CO2。污水處理廠主要耗電設(shè)備有曝氣設(shè)備、污泥處理設(shè)備、提升泵。曝氣設(shè)備是污水處理廠最大的電能消耗來源，占總電能消耗的49%～60%，污泥濃縮過程占11%、厭氧消化占9%、提升泵占8%。總的來說，污水處理廠超過一半的碳排放可以歸因于電力消耗。

藥耗主要有外加碳源、絮凝劑和助凝劑、液氯、控制酸堿度消耗的堿。每種藥劑在其生產(chǎn)及運(yùn)輸?shù)冗^程中也會(huì)有溫室氣體的排放，用其相應(yīng)的碳排放系數(shù)進(jìn)行衡量。

二、城市污水處理廠碳中和運(yùn)行技術(shù)

為實(shí)現(xiàn)城市污水處理廠碳中和運(yùn)行，節(jié)能是必要的，如應(yīng)用低能耗的碳氮兩段法(新型AB工藝)，提高設(shè)備性能和設(shè)備運(yùn)行的供需平衡。除了被動(dòng)節(jié)能，污水中還蘊(yùn)藏著有豐富的能源，如化學(xué)能和物理熱能(圖1)。

圖1 城市污水處理廠的碳中和運(yùn)行技術(shù)路線

2.1節(jié)約能源

2.1.1 工藝

傳統(tǒng)活性污泥法是將污水中的有機(jī)物通過曝氣轉(zhuǎn)化為生物質(zhì)和CO2，其結(jié)果是“以能消能”“轉(zhuǎn)嫁污染”，雖然傳統(tǒng)活性污泥法從20世紀(jì)初得到推廣應(yīng)用，100多年來一直作為污水處理行業(yè)的主流技術(shù)，但是顯然其與現(xiàn)在追求的可持續(xù)發(fā)展觀念背道而馳。未來可持續(xù)的工藝是新型AB工藝，即A段負(fù)責(zé)高效碳捕獲，目的是使污水中的有機(jī)物在生物氧化之前被捕獲，后續(xù)用于能量回收，經(jīng)A段處理后的污水呈現(xiàn)低碳氮比的特性，所以在B段實(shí)施低碳源需求新技術(shù)(厭氧氨氧化技術(shù))，進(jìn)一步去除污水中的污染物。

新型AB工藝現(xiàn)在大多停留在實(shí)驗(yàn)室規(guī)模和中式規(guī)模的研究，近年國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)新型AB工藝的成功實(shí)踐如表1所示。

表1 近年國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)新型AB工藝的成功實(shí)踐

注：PN/AMX為短程硝化厭氧氨氧化工藝。

2.1.1.1 高效碳捕獲

典型城市污水處理廠中初沉池的出水化學(xué)需氧量(COD)/總氮(TN)一般為7～10，這對(duì)于厭氧氨氧化反應(yīng)來說明顯過高，預(yù)先去除CODCr對(duì)于創(chuàng)造適宜的CODCr/TN是必要的。碳捕獲技術(shù)可分為生物捕集、化學(xué)捕集、物理捕集。

(1)生物捕集

①HRAS

HRAS的本質(zhì)是限定參數(shù)下的活性污泥工藝。與傳統(tǒng)活性污泥法相比(表2)，HRAS需要控制較低的污泥齡(SRT)、水力停留時(shí)間(HRT)和溶解氧(DO)。HRAS在中試規(guī)模中對(duì)CODCr捕獲率為25%～50%，小試規(guī)模下能達(dá)到55%的CODCr捕獲率。HRAS具有有機(jī)物的礦化率低、富集有機(jī)物污泥的產(chǎn)量大和污泥產(chǎn)CH4潛勢(shì)高等特點(diǎn)。

HRAS出現(xiàn)于1923年，因其耗能較低，曾經(jīng)被廣泛應(yīng)用，但是其高效捕捉CODCr的能力導(dǎo)致后續(xù)傳統(tǒng)反硝化脫氮碳源不足，因此，HRAS被逐漸淘汰。隨著可持續(xù)發(fā)展的深入人心和厭氧氨氧化反應(yīng)的出現(xiàn)(厭氧氨氧化恰好需要低碳氮比)，HRAS重新煥發(fā)生機(jī)。碳中和運(yùn)行的先驅(qū)奧地利Strass污水處理廠采用HRAS捕獲了進(jìn)水中60.7%的CODCr。

HRAS應(yīng)在最大限度地捕獲污水中CODCr的同時(shí)，最大限度地減少CODCr礦化量(損失量)。低DO濃度似乎是控制CODCr氧化損失的有效手段，但Jimenez等的試驗(yàn)結(jié)果顯示，DO質(zhì)量濃度在0～0.5 mg/L時(shí)，隨著DO的升高CODCr的捕獲量顯著增加；DO質(zhì)量濃度在0.5～2 mg/L時(shí)，隨著DO的升高CODCr的捕獲量緩慢上升，且DO越高混合液的胞外聚合物(EPS)含量越高。大量研究表明，碳捕獲率與EPS的產(chǎn)量呈現(xiàn)正相關(guān)。并且在較低的DO條件下，污泥中微生物種類較少，多種絲狀細(xì)菌適合在低DO條件下生長(zhǎng)，導(dǎo)致污泥難以沉降。因此，依靠DO濃度來控制CODCr氧化損失是不明智的。研究表明，SRT與CODCr礦化量有關(guān)，Jimenez等的試驗(yàn)結(jié)果還顯示，運(yùn)行SRT越短，系統(tǒng)中CODCr礦化損失量越少，這與Meerburg等的試驗(yàn)結(jié)果一致。

在高負(fù)荷率和短SRT下產(chǎn)生的污泥具有較差的沉降特性，一些作者指出HRAS系統(tǒng)較差的沉降特性是主要的運(yùn)行缺陷之一，Cagnetta等將HRAS與溶氣氣浮(DAF)結(jié)合使用，成功地改善了HRAS系統(tǒng)的固液分離能力。

高負(fù)荷-再生法/高負(fù)荷接觸-穩(wěn)定工藝(HRCS/HiCS)結(jié)合了“吸附-再生”工藝(CS)和HRAS的優(yōu)勢(shì)。HRCS的裝置形式是HRAS的基礎(chǔ)上再設(shè)置一個(gè)池子，用于在與進(jìn)水接觸之前對(duì)回流污泥進(jìn)行曝氣，使污泥處于“盛宴-饑餓”狀態(tài)，回流污泥在與廢水(盛宴)接觸之前，在一個(gè)穩(wěn)定階段(饑餓)曝氣，被間歇喂食的污泥提高了活性污泥吸附容量、CODCr去除率和絮凝能力。據(jù)報(bào)道，實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的HRCS可以捕獲55%～(70%～80%)的CODCr。Dolej?等在中試規(guī)模采用HRCS工藝對(duì)原污水進(jìn)行生物絮凝，在不使用化學(xué)藥劑沉淀的情況下，高達(dá)76%的CODCr被捕獲到污泥中，46%的CODCr用于隨后的厭氧消化，能量回收潛力達(dá)到每克進(jìn)水CODCr生成0.33～0.37 g CH4。

表2 傳統(tǒng)活性污泥法與HRAS運(yùn)行參數(shù)的比較

②厭氧工藝

經(jīng)過厭氧處理的出水通?？色@得低于2.5的CODCr/TN，CODCr去除率為60%～92%，可以為后續(xù)的B段處理提供一個(gè)理想的環(huán)境。厭氧工藝不需曝氣，污泥的生長(zhǎng)率僅為活性污泥工藝的10%～20%，并且不同于HRAS的是可以將進(jìn)水中被捕獲的CODCr直接產(chǎn)生沼氣。

厭氧工藝的反應(yīng)器形式有上流式厭氧污泥床(UASB)、膨脹顆粒污泥床(EGSB)、厭氧流化床生物反應(yīng)器(AFBR)等。實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的UASB總CODCr去除率為65%～90%，用于主流城市污水處理;大規(guī)模的單級(jí)UASB系統(tǒng)可以去除城市污水中45%～75%的總CODCr；實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的AFBR總CODCr去除率為88%。

Gu等研究開發(fā)了一種新型的一體化A-2B工藝，以AFBR為A級(jí)，序批式反應(yīng)器(SBR)為B1級(jí)，厭氧氨氧化移動(dòng)床生物膜反應(yīng)器(MBBR)為B2級(jí)。A級(jí)的出水一部分進(jìn)入B1級(jí)，另一部分與B1級(jí)的出水混合進(jìn)入B2級(jí)，實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定、可持續(xù)的厭氧氨氧化，脫氮率為74%。詳細(xì)的質(zhì)量平衡清楚地顯示，A段CODCr捕獲率為92%，進(jìn)水中58%的CODCr直接轉(zhuǎn)化為CH4，減少了至少75%的剩余污泥。

溶解CH4是厭氧工藝不可忽視的問題，據(jù)報(bào)道，20%～50%的CH4被溶解在處理過的污水中，溶解的CH4將導(dǎo)致城市廢水處理厭氧過程的能量效率降低，并增加其釋放到環(huán)境中的風(fēng)險(xiǎn)。為此，一些技術(shù)如下流式懸掛海綿反應(yīng)器、脫氣膜、閃蒸室等，已經(jīng)開發(fā)用于溶解CH4的回收或去除。

(2)化學(xué)捕集

化學(xué)捕集常稱為化學(xué)強(qiáng)化一級(jí)處理(CEPT/CEPS)。CEPT的原理是投加絮凝劑中和污水中膠體表面的負(fù)電荷使膠體脫穩(wěn)，促進(jìn)形成更大的絮凝體、增加沉降速率。CEPT可看作是初沉工藝的強(qiáng)化形式。一項(xiàng)對(duì)美國(guó)100家污水處理廠的調(diào)查結(jié)果表明，CEPT可去除80%～90%的總懸浮固體(TSS)、50%～80%的BOD5和45%～80%的CODCr，增加了近45%的污泥產(chǎn)量。

CEPT的CODCr捕集效果取決于化學(xué)絮凝劑的種類、投加量及進(jìn)水水質(zhì)。無機(jī)絮凝劑如明礬和氯化鐵(FeCl3）是CEPT工藝中最常用的絮凝劑。Dong等評(píng)估了7種不同類型的聚合物與FeCl3結(jié)合，確定了一個(gè)最佳組合：15 mg/L FeCl3和0.5 mg/L聚合氯化鋁(PAC)，對(duì)總CODCr、可溶性CODCr、TSS和總磷(TP)的去除率分別為76%、58%、89%和84%。

可溶性CODCr難以通過CEPT去除，即幾乎所有可溶性CODCr(至少占城市污水總CODCr的30%)都可能進(jìn)入B段，并且據(jù)報(bào)道添加化學(xué)混凝劑會(huì)對(duì)廢污泥后續(xù)厭氧消化效率產(chǎn)生不利影響。

(3)物理捕集

物理捕集主要有膜分離、DAF、動(dòng)態(tài)濾池技術(shù)。

膜分離是以具有選擇性透過功能的薄膜為分離介質(zhì)，以壓力差、濃度差、電勢(shì)差等為推動(dòng)力，使原料中的一種或多種組分選擇性優(yōu)先透過膜，從而達(dá)到對(duì)混合物分離和產(chǎn)物提取、濃縮、捕集等目的。根據(jù)膜孔徑大小的不同可以分為微濾(MF)、超濾(UF)、納濾(NF)和反滲透(RO)，膜污染和膜能耗這兩個(gè)突出問題阻礙了膜分離的大規(guī)模工程應(yīng)用。

DAF原理是由氣體(通常是空氣)使液體過飽和而產(chǎn)生直徑為10～100 μm的空氣微氣泡，微氣泡與污水中的顆粒物黏附，在密度差的作用下氣泡攜帶顆粒物上浮到水面，它在去除顆粒方面非常有效。據(jù)報(bào)道，兩級(jí)DAF和雙介質(zhì)過濾的組合可使懸浮固體(SS)和CODCr去除率分別達(dá)到99%和75%～85%。

動(dòng)態(tài)濾池工作原理是砂床作為絮凝反應(yīng)器和過濾器同時(shí)工作，由于不需要任何濃縮、沉淀、浮選步驟，可使處理廠空間要求減少70%～80%。根據(jù)水力加載率、過濾器設(shè)計(jì)和介質(zhì)特性的不同，SS的去除效率可能為50%～90%。

2.1.1.2 低碳新技術(shù)

經(jīng)A段高效碳捕獲后，傳統(tǒng)污水處理工藝因碳源不足而無法實(shí)現(xiàn)后續(xù)充分異養(yǎng)反硝化過程，而厭氧氨氧化恰好不需要有機(jī)碳源。厭氧氨氧化是微生物直接以HCO3-或CO2作為碳源，將NH4+和NO2-轉(zhuǎn)變成N2的過程，它被認(rèn)為是傳統(tǒng)污水處理工藝規(guī)則的改變者(圖 2)。

圖2 厭氧氨氧化原理示意圖

20世紀(jì)80年代末期厭氧氨氧化現(xiàn)象在荷蘭被發(fā)現(xiàn)，荷蘭代爾夫特理工大學(xué)進(jìn)行了厭氧氨氧化菌的富集與證實(shí)，這成為了污水處理領(lǐng)域的里程碑事件，很快世界范圍內(nèi)開始了相關(guān)研究。其優(yōu)勢(shì)有：不需投加碳源；節(jié)省60%的需氧量；剩余污泥的產(chǎn)量減少80%，節(jié)省污泥處置費(fèi)用；溫室氣體產(chǎn)量少。

實(shí)現(xiàn)厭氧氨氧化反應(yīng)，NO2-的產(chǎn)生是先決條件。目前有兩種NO2-的產(chǎn)生途徑，一是短程硝化(PN)，二是短程反硝化(PDN)，PN與PDN對(duì)比如表 3所示。Zhang等認(rèn)為PN/AMX在曝氣相關(guān)能耗、污泥產(chǎn)率和CODCr利用率方面均優(yōu)于短程反硝化厭氧氨氧化(PDN/AMX)，表明PN/AMX可能比PDN/AMX更具經(jīng)濟(jì)可行性。李健偉等則認(rèn)為PDN/AMX是一項(xiàng)具有較強(qiáng)可行性的新型污水處理工藝技術(shù)，有助于城市污水處理中AAO工藝的脫氮。

表3 PN與PDN對(duì)比

目前基于厭氧氨氧化原理的污水生物脫氮工藝主要有3種：一段式PN/AMX工藝、兩段式PN/AMX工藝、PDN/AMX工藝。截至2014年，在歐洲、亞洲和北美，已有200多家基于厭氧氨氧化原理的污水處理廠成功運(yùn)營(yíng)，但都是應(yīng)用在處理高氨氮廢水，如污泥厭氧消化液(即側(cè)流處理)和垃圾滲濾液方面?；趨捬醢毖趸淼闹髁鞒鞘形鬯幚韽S應(yīng)用較少，目前較為成功的應(yīng)用是新加坡樟宜回用水廠、奧地利的Strass污水處理廠以及中國(guó)西安第四污水處理廠(表4)。限制厭氧氨氧化工藝在主流城市污水處理廠應(yīng)用的技術(shù)瓶頸：抑制厭氧氨氧化菌的競(jìng)爭(zhēng)性微生物亞硝酸鹽氧化菌(NOB)的生長(zhǎng)；厭氧氨氧化菌大量富集為工程所用；獲得高標(biāo)準(zhǔn)的脫氮效果。

表4 基于厭氧氨氧化原理的主流城市污水處理廠工藝應(yīng)用

厭氧氨氧化技術(shù)符合現(xiàn)在污水處理行業(yè)低碳節(jié)能的發(fā)展目標(biāo)，擁有廣闊的應(yīng)用前景，但限制其在主流城市污水應(yīng)用的技術(shù)瓶頸在短時(shí)間內(nèi)難以突破。與其追求實(shí)現(xiàn)城市污水完全的自養(yǎng)脫氮，還有兩條不錯(cuò)的選擇：一是主流部分厭氧氨氧化，即異養(yǎng)耦合自養(yǎng)脫氮過程，不僅有可能實(shí)現(xiàn)污水生物脫氮系統(tǒng)的高效處理和出水達(dá)標(biāo)，同時(shí)還可能顯著降低工程建設(shè)的造價(jià)、處理能耗和運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用等；二是厭氧氨氧化技術(shù)與傳統(tǒng)生物脫氮技術(shù)進(jìn)行組合，即將厭氧氨氧化反應(yīng)池與傳統(tǒng)脫氮除磷反應(yīng)池串聯(lián)或并聯(lián)，使二者的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，工藝流程相對(duì)簡(jiǎn)單，不但適用于新建工程，也適合于提標(biāo)改造工程，具有較強(qiáng)的可操作性。

2.1.2 設(shè)備

污水處理中最耗能的設(shè)備是曝氣系統(tǒng)和泵送裝置。曝氣系統(tǒng)能耗占污水處理過程總能耗的49%～60%，泵送裝置占8%。因此，設(shè)備節(jié)能方面主要集中在優(yōu)化曝氣和改善泵送。

例如，用超細(xì)氣泡擴(kuò)散器替代傳統(tǒng)擴(kuò)散器可實(shí)現(xiàn)10%～20%的曝氣相關(guān)節(jié)能；美國(guó)的Gresham污水處理廠通過安裝兩臺(tái)高效渦輪鼓風(fēng)機(jī)和超細(xì)氣泡空氣擴(kuò)散器，節(jié)約了6.5%以上的電能。Gruneck污水處理廠從高壓渦輪槳輪鼓風(fēng)機(jī)系統(tǒng)升級(jí)為Aerzen轉(zhuǎn)葉鼓風(fēng)機(jī)系統(tǒng)，節(jié)約了8%的能源。

除了提高設(shè)備本身的性能，設(shè)備運(yùn)行的供需平衡也很關(guān)鍵。許多污水處理廠存在“小馬拉大車”或“大馬拉小車”的現(xiàn)象。

當(dāng)今主流的曝氣過程控制方式是DO作為后饋參數(shù)控制曝氣，實(shí)踐證明這種控制模式存在諸多缺欠。歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家近些年開始采用基于營(yíng)養(yǎng)鹽信號(hào)的后饋或前饋/后饋閉環(huán)控制，在改善出水水質(zhì)的同時(shí)，可以降低15%～30%的運(yùn)行能耗，并提高處理過程穩(wěn)定性。

采用變頻調(diào)速技術(shù)是泵送系統(tǒng)最節(jié)能的流量控制方法，從小型污水處理廠(70 000 kW·h/a)到大型污水處理廠(2 800 000 kW·h/a)均能有效節(jié)能。但是如果沒有正確選擇和應(yīng)用變頻器反而會(huì)浪費(fèi)能量，低于滿負(fù)荷的75%運(yùn)行時(shí)，變頻器的效率可能非常低。

2.2開發(fā)能源

只降低廢水處理過程中的能耗無法實(shí)現(xiàn)污水處理廠的碳中和運(yùn)行，必須還要主動(dòng)利用污水中的能源。

2.2.1 污水中的有機(jī)能源(CODCr)

城市污水處理廠的進(jìn)水中含有大量的CODCr，為了使出水達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn),需要去除污水中的CODCr。傳統(tǒng)的污水處理工藝將進(jìn)水中CODCr大部分好氧轉(zhuǎn)化為CO2，CODCr實(shí)際上含有大量化學(xué)能，與其將CODCr用“以能消能”方式去除，不如轉(zhuǎn)化為能源物質(zhì)(如CH4)加以利用。CH4是一種燃燒熱較高的清潔能源，其熱值為8.4×104 kJ/kg，在燃燒時(shí)可以同時(shí)提供電能和熱能。

去除每克CODCr大約需要1.5 kW·h電能，同時(shí)產(chǎn)生0.3～0.5 g的污泥，反之將1 g CODCr轉(zhuǎn)化為CH4的理論化學(xué)能為13.9 kJ。這表明如果如前所述A段盡可能地捕獲CODCr回收能源；減少與曝氣有關(guān)的能源消耗；減少剩余污泥的產(chǎn)生。

郝曉地等以北京某市政污水處理廠為例計(jì)算其化學(xué)能轉(zhuǎn)化，案例污水處理廠的進(jìn)水CODCr質(zhì)量濃度為400 mg/L，將初沉與剩余污泥進(jìn)行厭氧消化產(chǎn)CH4并實(shí)施熱電聯(lián)產(chǎn)，產(chǎn)能為11 805 kW·h，厭氧消化池的實(shí)際能耗為66 945 kW·h，能量產(chǎn)出遠(yuǎn)高于厭氧消化池的能量投入。

厭氧消化回收CODCr在歐美已廣泛應(yīng)用，奧地利Strass污水處理廠通過利用剩余污泥厭氧產(chǎn)CH4，運(yùn)行能量平衡率能夠達(dá)到108%，即該污水處理廠僅通過回收剩余污泥中的有機(jī)能源一項(xiàng)便能滿足其全部能源消耗。盡管污泥厭氧消化能量回收產(chǎn)CH4的核心技術(shù)已發(fā)展成熟，但它只安裝在大中型污水處理廠經(jīng)濟(jì)上是可行的，我國(guó)目前僅有不到5%數(shù)量的城市污水處理廠采用污泥厭氧消化系統(tǒng)。

許多現(xiàn)有的厭氧消化池負(fù)荷不足，且單一基質(zhì)的厭氧消化存在一些與基質(zhì)特性有關(guān)的缺陷。將有機(jī)廢物(如廚余垃圾、油脂)與污泥混合進(jìn)行厭氧共消化，有助于調(diào)整厭氧消化基質(zhì)，增加有機(jī)負(fù)荷、沼氣產(chǎn)量和能量回收，更有效地利用沼氣池容積和減少生物固體產(chǎn)量，減少投資。Gruneck污水處理廠通過添加食物垃圾共同消化使能源自給率增加16%，Strass污水處理廠通過廚余垃圾與污泥的共消化提升CH4產(chǎn)氣量，到2014年能量補(bǔ)償率達(dá)到200%，不僅可以滿足污水處理廠自身的運(yùn)行，還能對(duì)外輸出電能獲得經(jīng)濟(jì)效益。

但是厭氧消化過程的整體能源效率較低，只有30%～50%的總CODCr能被降解成沼氣，這意味著若沒有足夠的外源有機(jī)廢物進(jìn)行共消化，僅利用污水中的CODCr較難實(shí)現(xiàn)污水處理廠的碳中和運(yùn)行。并且污泥厭氧消化后仍有大量的殘?jiān)幚?，厭氧處理不?dāng)(如CH4泄露)可能會(huì)影響鄰近環(huán)境。實(shí)現(xiàn)高效穩(wěn)定的CH4產(chǎn)出，還有很多技術(shù)上的瓶頸需要突破。

2.2.2 污水中的物理熱能

污水中化學(xué)能的開發(fā)一直備受關(guān)注，厭氧消化產(chǎn)CH4已是老生常談。但是我國(guó)市政污水處理廠有機(jī)物濃度普遍偏低，一般僅為歐洲國(guó)家的1/2，事實(shí)上污水中余溫?zé)崮茌^化學(xué)能實(shí)際可利用量更大。

污水中的物理熱能是一種重要的可再生能源，污水余溫約占城市總廢熱排放量的40%。污水排放出口溫度(平均溫度為27 ℃)比自來水溫度高出2～17 ℃，且污水四季水溫波動(dòng)不大、流量大而穩(wěn)定。當(dāng)CODCr質(zhì)量濃度為400 mg/L時(shí)，熱能與化學(xué)能的比值約為3。以我國(guó)為例，污水處理廠至少50%的能耗可以從熱能中回收，完全有可能抵消化學(xué)能利用的不足造成的碳中和目標(biāo)無法實(shí)現(xiàn)。

郝曉地等以北京某市政污水處理廠為例，計(jì)算將水源熱泵系統(tǒng)從污水中獲取的熱能與污泥厭氧消化產(chǎn)CH4后熱電聯(lián)產(chǎn)轉(zhuǎn)化的化學(xué)能，有機(jī)物化學(xué)能可滿足碳中和運(yùn)行能量需求的53.2%，碳中和赤字能量(46.8%)利用不足15%的出水量中熱能即可獲得滿足。

在20世紀(jì)七八十年代，歐洲國(guó)家及日本就已開始利用污水中的熱能，世界范圍內(nèi)現(xiàn)有至少500個(gè)污水源熱泵應(yīng)用實(shí)例。

污水余溫?zé)崮芾糜性焕煤图欣脙煞N方式。

(1)原位利用

原位利用可分為管道原位利用、居家原位利用。

居家原位利用是指在用戶端安裝家庭熱交換器，污水經(jīng)過熱交換器所獲得的熱量直接供家庭使用。管道原位利用是指在市政管道中安裝熱交換器，獲得的熱量供周圍建筑物使用。目前國(guó)內(nèi)外污水余溫?zé)崮芾靡栽焕脼橹鳌?/span>

瑞士研究人員報(bào)告稱，超過15%的建筑熱能通過下水道系統(tǒng)流失。在法國(guó)，建筑物出口的廢水溫度為27～35 ℃，在進(jìn)入污水處理廠之前，溫度垂直下降到13 ℃。原位利用可以降低這部分的熱損失。但是原位利用使得污水處理廠進(jìn)水溫度下降，低溫不利于脫氮過程，可能會(huì)影響污水處理廠的正常運(yùn)行。不同國(guó)家制定了各自的污水進(jìn)水最低溫度標(biāo)準(zhǔn)，以確保污水處理廠的高效運(yùn)行，例如瑞士規(guī)定污水處理廠進(jìn)水水溫不得低于10 ℃。

在巴黎南特爾的一個(gè)低碳區(qū)建設(shè)過程中，將熱交換器集成到下水道網(wǎng)絡(luò)中，建設(shè)了一個(gè)800 m長(zhǎng)的集中供熱網(wǎng)絡(luò)。Guo等評(píng)估發(fā)現(xiàn)熱泵系統(tǒng)溫室氣體減排約75%，CO2排放量比燃?xì)夤┡?倍。Wong等分析了香港高層住宅淋浴水熱回收情況，將單通逆流熱交換器水平安裝在淋浴排水下方，用于預(yù)熱冷水，結(jié)果表明可回收4%～15%的淋浴熱水熱量。

需要注意的是若污水含污染物較多，污垢會(huì)在熱交換器表面堆積，它增加了熱交換器的熱阻，一般稱為污垢阻力。由于污垢阻力，熱交換器的傳熱性能下降，節(jié)能較少，并增加了設(shè)備的維護(hù)成本。挪威從1980年開始便專注于建設(shè)管道原位利用的污水熱能熱泵系統(tǒng)，并開發(fā)了淋水式熱交換器，用以解決熱交換器堵塞問題。因此，原位利用需要足夠的清潔技術(shù)，以保持熱交換器有效傳熱。

(2)集中利用

集中利用是指從污水處理廠出水中提取熱能供污水處理廠內(nèi)部、周邊住宅或企業(yè)利用。

污水處理廠進(jìn)水溫度較高，但是進(jìn)水含有大量污染物會(huì)影響熱交換器的性能。出水中的污染物含量很低，研究發(fā)現(xiàn)出水比進(jìn)水有更大的潛熱值，且從出水中提取熱能不會(huì)對(duì)污水處理過程造成任何影響，所以選擇出水進(jìn)行熱能的利用。

因遠(yuǎn)距離傳輸熱損失較大，集中利用受限于短距離利用(3～5 km)，這使廢水中只有一小部分可用熱量被利用。Chae等在韓國(guó)的Kiheung Respia污水處理廠利用回收的熱量提供了污水處理廠區(qū)域內(nèi)建筑物所需的供熱需求，但是供熱需求僅使用了出水中可用熱量的2.2%。由此可見污水中的許多可用熱量仍未被利用，污水處理廠熱能利用的穩(wěn)定出路是如今需要關(guān)注的問題。

利用污水處理廠出水進(jìn)行熱能交換早已不是技術(shù)難題，荷蘭等歐洲國(guó)家早在20世紀(jì)七八十年代便建成超過50個(gè)污水處理廠余溫?zé)崮芾霉こ獭?/span>

被熱泵交換出的熱能溫度一般在50～80 ℃，屬于低品位能源，不能用于發(fā)電，只能被就近直接利用，這只能很有限地利用污水中的余溫?zé)崮?。原位利用解決了遠(yuǎn)程輸送導(dǎo)致熱損失的問題，但是存在熱交換器堵塞、損壞等問題，并且在冬季很可能導(dǎo)致污水處理廠進(jìn)水溫度低而影響后續(xù)生物處理的正常運(yùn)行。

基于此，未來污水余溫?zé)崮艿睦梅较驊?yīng)是在出水集中利用的基礎(chǔ)上，應(yīng)用利用污水余溫?zé)崮芨苫勰嗟募夹g(shù)，干化后的污泥可用于焚燒發(fā)電。這實(shí)現(xiàn)了低品位熱能向高品位熱能的“華麗轉(zhuǎn)變”，使集中利用不再受距離限制，污水中余溫?zé)崮苡辛舜蠖€(wěn)定的出路。此外，污水處理廠多建在郊區(qū)，可以在其附近發(fā)展種植業(yè)，為農(nóng)業(yè)大棚供熱。

三、結(jié)論與展望

污水中含有豐富的淡水、能源和營(yíng)養(yǎng)物，而不是“廢物”，污水處理廠不應(yīng)再被認(rèn)為是污染去除系統(tǒng)，而應(yīng)是資源和能源回收工廠。實(shí)現(xiàn)污水處理廠碳中和運(yùn)行的方案有如下幾點(diǎn)。

(1)應(yīng)用新型AB工藝。即A段負(fù)責(zé)高效碳捕獲，目的是使污水中的有機(jī)物在生物氧化之前被捕獲，后續(xù)用于能量回收，經(jīng)A段處理后的污水呈現(xiàn)低碳氮比的特性，所以在B段實(shí)施低碳源需求新技術(shù)(厭氧氨氧化技術(shù))，進(jìn)一步去除污水中的污染物。

(2)污水處理中最耗能的設(shè)備是曝氣系統(tǒng)和泵送裝置。曝氣系統(tǒng)能耗占污水處理過程總能耗的49%～60%，泵送裝置占8%，可以通過提高設(shè)備性能和設(shè)備運(yùn)行的供需平衡來減少能耗。

(3)城市污水處理廠的進(jìn)水中含有大量的CODCr，為了使出水達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)，需要去除污水中的CODCr。傳統(tǒng)的污水處理工藝將進(jìn)水中CODCr大部分好氧轉(zhuǎn)化為CO2，CODCr實(shí)際上含有大量化學(xué)能，與其將 CODCr 用“以能消能”方式去除，不如轉(zhuǎn)化為能源物質(zhì)(如CH4)加以利用。

(4)污水中的物理熱能是一種重要的可再生能源。污水余溫約占城市總廢熱排放量的40%，污水排放出口溫度(平均溫度為27 ℃)比自來水溫度高出2～17 ℃，且污水四季水溫波動(dòng)不大、流量大而穩(wěn)定。

研究者們應(yīng)當(dāng)跳出傳統(tǒng)污水處理技術(shù)的象牙塔，攻堅(jiān)克難，實(shí)現(xiàn)我國(guó)“2030年前達(dá)到峰值，2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和”的承諾。經(jīng)濟(jì)發(fā)展固然重要，但若沒有了賴以生存的家園何談發(fā)展，在減少碳排放這件事上拖延只會(huì)讓人類最后自食惡果，亡羊補(bǔ)牢、猶未晚也。

文章轉(zhuǎn)載自：慧聰水工業(yè)網(wǎng)  http://www.water.hc360.com/2023/0411/149921.html