城市污水处理中的二氧化碳排放与碳资源化利用研究

王丽艳，张靳超

(1.新疆环境工程有限公司，新疆 乌鲁木齐 830000;2.新疆天玉生物科技有限公司，新疆 乌苏 833000)

1 引言

当前全球气候变化正在对世界各国产生日益重大而深远的影响，2009年12月7～19日在哥本哈根召开的世界气候大会充分反映了国际社会对此问题及与其紧密相关的碳减排问题的关注。全球气候变化与地球大气中的二氧化碳、甲烷、氧化亚氮、氢氟碳化物(HFCs)、全氟碳化物(PFCs)及六氟化硫(SF6)等温室气体紧密关联。由于人类活动已引起全球温室气体排放增加。以我国为例，1994年CO2排放量为30.7亿t，到2004年已增长到50.7亿t［1］。而大气二氧化碳含量从1000年前的280×10－6上升至 2000 年前后的 360 ×10－6，升幅高达28.6%，2005 年则达到379 ×10－6［2］。大气中 CO2等温室气体浓度的持续增加，引发了日益严重的温室效应等环境问题，如全球变暖、海平面升高、极端极端天气事件频发等，引起了人们对CO2排放的广泛关注［3～5］。政府间气候变化专业委员会(IPCC)第四次评估报告《气候变化2007》建议到2030年应将温室气体浓度限制于445×10－6～650×10－6之间。因此，如何控制和减少向大气排放CO2以缓解温室效应已经成为世界性的迫切课题。

2 污水处理中的碳资源利用

城市化进程的快速发展，大量人口进入城市，其生活生产产生大量污水。我国则每年排放城市污水达到350亿t以上，其中含有大量有机物［6］。以COD浓度400mg/L计，每年排放的城市污水所含有机物达0.12亿t(COD)。对于城市污水处理，好氧活性污泥法是最成熟稳定而最常用的工艺，其利用好氧微生物的代谢作用把有机物转化为二氧化碳和水，同时实现了细胞增殖。尽管活性污泥法能有效的去除废水中的有机物，但是其产生的二氧化碳随曝气气流进入大气，成为温室效应气体的重要来源之一［7］。此外，处理过程所需的动力消耗也可折合成二氧化碳排放。经测算，处理城市污水所产生的二氧化碳量为0.29kg CO2/(m3水·d)。因此，如果按当前污水处理总量1亿m3/d，以活性污泥法处理计算，则每年有近0.1亿t二氧化碳排放［8］。目前，还没有见到如何计算城市污水处理中二氧化碳排放量，也缺乏污水处理对温室效应影响的评估。对城市污水处理中排放的二氧化碳的资源化利用方面的可行性研究工作也有待开展。

传统的污水资源化主要是研究水本身的回用(如回用于绿化、洗涤、工业冷却水等)，却忽略了污水中含有的丰富的碳资源，以耗费大量电能为代价将这些有用的碳资源当作“垃圾”处理掉。如果能利用某些有效的方法把污水中有机物在好氧生物处理前就从污水中分离出来、再予以相关的资源化开发，这样即可以免去好氧氧化这些含碳有机物的电耗，降低污水好氧处理的成本，又可以避免这些含碳有机物经好氧降解转化为二氧化碳排放，实现污水处理碳减排的目的［9，10］。此外，对分离出的有机物予以资源化开发应用，如经厌氧转化为甲烷气体用于烧锅炉或发电，或转化为生物脱氮除磷所需的低分子易降解有机物回用于污水除磷脱氮，又可以产生一定的经济效益或进一步提高污水氮磷的去除效率和降低氮磷去除的成本［11］。因此，污水中碳源的资源化利用，实在是一举数得的好事，应该深入开展相关的调研和研究。

由于生活水平的提高，目前城市污水的水质发生了很大变化。许多城市污水中有机物含量很低，属于低碳高氮的污水。如某城市污水处理厂进水BOD5低于150mg/L，而总氮则接近55mg/L、总磷达6mg/L以上。而且这种城市污水中碳源不足问题有加重的趋势。由于生物脱氮和生物除磷都需要有一定的碳源，生物脱氮系统进水BOD5/TN不小于4，而生物除磷系统则要求进水 BOD5/TP大于17［12］。这种低碳高氮的污水无法满足脱氮除磷的要求。一些污水处理厂采用了投加甲醇等外加碳源，尽管取得较好氮磷去除效果，却明显增大了运行成本。也有一些污水厂对初沉污泥或剩余污泥发酵生产VFA补充碳源，但又增加了工艺控制难度。如果把污水中生物脱氮除磷可以利用的有机物称为有效碳源。如何准确衡算和判断城市污水中的有效碳源量，进而可以确定需要补充的有效碳源量，即可充分利用城市污水中的有机物，又最大限度地避免了污水中原有的有机物和补充的有机物被好氧微生物降解转化为二氧化碳排放的后果，还降低了电耗等运行成本。

3 结语

污水中存在丰富的有机碳资源，如何将有机碳资源从污水中富集、分离、转化并加以充分利用，同时降低污水处理成本，是符合循环经济原理和要求的。目前全球所面临的严重的环境问题、能源与资源短缺问题以及经济发展与环境治理所面临的资金不足，需要有效、简单且费用低廉的污水碳源资源化技术。因此，基于碳资源化利用的污水处理技术方面的深入研究探索具有具有重大的经济、能源和环保意义。

基于上述论述，城市污水处理二氧化碳排放及碳资源化的研究重点在于以下几个方面:研究和调查城市污水处理相关的二氧化碳排放数量，并评估其对温室效应的影响;研究和评估对城市污水处理过程中排放的二氧化碳的资源化利用的可行性方法与技术。研究浓缩分离城市污水中有机物的技术方法，探讨对城市污水中的碳进行资源化开发利用的途径与方法。

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