污水处理过程中碳中和技术分析

唐晓剑

(吉林建筑大学市政与环境工程学院， 吉林 长春 130118）

我国地大物博具有多种不同类型的资源，污水是一种潜在的资源，传统形势下在开展污水处理工作时，都是“以能耗能”“庄稼污染”等方式来净化水资源，与此同时也增加了温室气体排放量。在社会整体发展创新的背景下，可持续污水处理技术备受关注，我国各大污水处理厂在运行期间，将碳中和理念作为核心运行目标，在为污水处理厂指明发展目标的基础上，也能显著提升污水处理效果。我国整体的碳排放量非常大，污水处理行业中的碳排放量也占据较大比例。在我国城市化发展速度不断加快、污水处理设施日益完善的状况下，我国各个城市的污水处理规模也在不断扩大，这样就会产生较多的污泥。在实际处理污泥期间会消耗大量的药剂和能源，并且在应用填埋方式处理期间，也会排放大量的温室气体。这就要求做好污泥处理工作，最大程度上保证在这一过程中碳减排对污水处理中的碳中和工作发挥了重要作用。本文从污水处理碳中和运行内容，以及结合污水处理与碳排放关系入手展开阐述，针对如何保障碳中和技术在污水处理过程中发挥作用进行全面探讨。

1.污水处理碳中和概述

1.1 碳中和运行内容

碳中和指在计算二氧化碳排放总量之后，采取植树造林的方式，细致研究可再生能源、增加温室气体吸收量等内容，在有效抵消碳排放量的同时，做好生态文明建设工作。

从污水处理的角度对碳中和运行内容进行研究，可知其主要是指通过一定的技术手段，吸收固定在污水处理期间产生的二氧化碳，或是通过应用一些工艺的方式，将污水中的有机物转化为可以利用的能源物质，之后再对这些物质进行利用。但是因为技术和经济条件存在不足，导致缺乏有效的方式和技术，所以污水处理厂在实现碳中和运行期间，都是通过后者来实现的。此种类型的碳中和污水处理方式，不仅能够有效减少二氧化碳的排放量，也能真正做到节省电耗、减少化石能源消耗量，这对于实现可持续发展目标具有重要意义。

1.2 污水处理与碳排放的关系

传统形式下的污水微生物处理工艺，在实际操作期间与可持续发展战略之间存在不符的问题。无论是在应用传统形式下的哪种污水处理方式，都会使污水中的COD在最终阶段形成CO2，即便应用可持续特征的方式，能够在有效减少外部能源使用量的同时，减少外部能源发电期间产生的CO2排放量，但是在消耗污水中含能物质的最终结果，实际上会产生“污染转嫁”的问题。这也就意味着在净化污水期间，也会因为消耗大量外部能源而产生大量的CO2，进而就会对大气造成污染。

在污水中实际含有的COD里，也含有大量的化学能。在认识到这一问题之后，非常关键的一项工作就是回收和利用污水中潜在的有机能源，这是现阶段提升污水处理工艺低碳运行效果的一项重要举措。

2.污水处理过程碳中和运行状况以及主要工艺

2.1 污水处理中的碳中和运行状况

对污水处理中的碳中和运行实质性内容进行研究，可知实现整个污水处理过程中的能源自足，这就意味着在实际从处理污水期间不需要外部能源，从而防止因为消耗过多的化式能源，产生排放大量CO2的目的。基于此，为了能够将碳中和这项工作落到实处，就要对碳中和技术充分应用，在明确“碳中和”运行线路图的基础上，制定科学合理的碳中和实施方案。

例如：

2.1.1 一些欧美国家的污水处理厂，就是将剩余污泥作为主要的能源载体，并且也要充分结合前端筛分COD技术和后端的厌氧共消化技术，以应用最大化“污泥增量”的方式，在污水或是外源有机物中，通过厌氧消化的方式来获取更多可以应用的能源。

2.1.2 我国传统形式的污水处理方式，过于注重对污水本身的处理，存在忽视剩余污泥等能源物质的应用问题，久而久之就会产生大量的污泥，无法及时处理。就我国污水处理中的碳中和运行状况与其他国家进行对比，仍然处于萌芽状态，具备较大的发展空间。产生这一现象，与我国目前碳中和技术水平、政策实施状况等多项因素有直接关系。

2.2 碳中和运行和实施期间的技术工艺

现阶段，有多种不同类型的技术不断出现并被应用。结合污水处理过程中的CO2产物，可以通过培养藻类的方式，来达到吸收CO2的目的，之后也可以收集实际培养的藻类再进行利用。对于水体中的有机物而言，可以通过开展微生物厌氧呼吸处理工作的方式，将其直接转化为CH4，这样就可以将其作为能源进行应用。目前，也有很多技术处于研究阶段，为了保证碳中和运行效率，就要做好污泥处理工作。剩余污泥在经过一系列的操作之后，就会产生以CH4为代表且能够直接应用的能源物质，充分发挥应用的效能，能够达到产能产电的目的。此外，对于污水处理碳中和的工艺而言，主要就是在原有的污水处理工艺上，适当地添加相应的技术步骤，形成一种新型的工艺。在一些附件流程的作用下，不仅能够回收污水中的能源物质，产生相应的能源，也能更加显著地提升污水处理效率。

3.污水处理过程中碳中和技术应用要点

污水是一种资源和能源的载体，在污水中含有大量的有机物。不仅如此，在污水中也存在大量的植物营养元素，如较为常见的有氮、磷、钾。考虑到传统形势下的污水处理方式，存在无法满足可持续发展要求的问题，就要结合现代化污水处理要求，充分运用具有可持续发展特征的新型方式。

3.1 充分利用细菌、藻类等，达到互利共生的目的

主要就是因为细菌能够提供碳源，藻类通过利用污水中的植物营养素生长代谢功能，为好氧细菌提供相应的受氢体-O2。此外，为了能够进一步提升水中能量的利用率，需要资源型藻类与细菌共生，较为常见的做法，就是产单细胞蛋白或是油脂，这些都是人们实际需要的资源型藻类。在这种方式的作用下，藻类能够固定太阳能，在最终阶段所获取的能量，也许会大于污水中有机物本身实际包含的能量。但是如果是从理论的角度进行研究，就会发现存在无法实现利用资源型细菌的问题。因为污水中实际包含的物质非常复杂，这就需要使用多种不同细菌协同作用，导致无法有效利用单一或是使用几种类型细菌来完成净化污水这项工作。因此，这种方式在理论上可实现，但在实际操作过程中仍然有诸多问题需要解决。

一是在环境复杂的污水中，寻找依然能够高效生长的资源型藻类，具有一定难度。

二是应用现阶段的技术方式，很难在污水中将藻类分类出来，或是实现的成本较高。

3.2 充分利用污泥，创新绿色能源应用方式

污水中的污泥，实际上可以作为一种潜在的绿色能源开发利用，这就要在开展污水处理碳中和工作期间，充分发挥污泥的优势。在污泥中含有较多的寄生虫卵、病原微生物等，甚至也含有较多种类的植物营养素和重金属离子等。我国在处理污泥期间，一般都是以填埋处理、海洋处理、焚烧处理方式为主。

一是在应用污泥填埋处理方式期间，因为污泥自身的含水量较大，即便是已经处理完成之后的污泥，其含水量也会达到80%左右。在此种状况下，不仅极易使填埋场的渗滤液产量出现逐步增加的现象，也会产生非常严重的地下污染。这样就会存在质地松散、填埋土层不稳定、塌陷几率等问题，加之如果要开辟全新的填埋场，还会产生较高的成本，所以污泥填埋方式存在一定的弊端。

二是污泥焚烧方式，前期需要投入大量的资金，并且在后期运营和管理过程中，对专业性也具有较高要求。此外，如果没能按照标准要求来焚烧污泥，也会产生有毒气体。

总之，这几种比较传统的污泥处理方式，都没能充分应用剩余污泥中的能量，并且污泥中的病原微生物、重金属离子等，也会对生态环境造成较大的影响。基于此，为了能够做好污水处理碳中和工作，就要研发并应用新型的污泥处置工艺。现阶段应用效能比较稳定的技术方式，具体包括好氧消化、厌氧消化、污泥堆肥等。

3.2.1 好氧消化

对于好氧消化这种新型技术而言，主要就是通过好氧氧化作用，使污泥中的有机物矿化。在实际操作过程中，大部分的污泥都会处在“内源呼吸期”。深究原因，污泥中存在大量的细菌，但是在胞外的有机物却非常少，这样就会使一部分的细菌产生裂解状态，进而就会使细菌个体处于内源呼吸期。在严格按照标准要求开展此项工作之后，即便能够有效地降解污泥中的大部分有机物，却不能从污泥中获取能量，但是对于减少后期处理这一环节对环境造成的危害。

3.2.2厌氧消化

此种技术方式，主要就是污泥在厌氧条件下，通过有效降解消化作用的方式，科学分解有机物，在最终阶段就会产生以甲烷为主的沼气，这样能够使污水中的污泥理化性质处于稳定状态。在实际操作期间，具体的步骤为：有机物被水解和发酵，科学合理地转化为单糖、氨基酸、甘油、二氧化碳等；在实际产生氢和乙酸菌的作用下，可以将有机产物转化为氢、二氧化碳、乙酸；最后一个步骤，则是通过产甲烷菌的方式，进一步将氢和二氧化碳转化为甲烷，与此同时乙酸脱羧也会产生甲烷。在明确每一个操作步骤的要点内容之后，污水处理厂就可以合理设置污泥消化池，在充分利用其产生的甲烷开展发电工作之后，能够为污水厂处理污水，提供充足的电力资源。此种技术方式，也存在一定的弊端，如即便能够回收并利用污泥中的能量，但是还是会受到细菌裂解率、过程复杂等问题的影响，而降低污泥中的能量重复利用率。

3.2.3 污泥堆肥

在开展污泥堆肥这项工作期间，一般都是利用污泥中的微生物，在较为潮湿的环境下，达到发酵的目的，以此来将污泥中的有机成分，氧化、分解、转化成为类腐殖质的过程。

污水中的污泥在经过堆肥处理之后，其中的寄生虫和病原菌，能够被完全杀灭，甚至也能增加可以被植物利用的养分，进而就不会对环境造成严重影响。在对污泥进行堆肥处理之后，可以将这部分污泥作为肥料，排入农田中，在适当减少化肥使用同时，也无需开展脱水处理工作，所以对于减少动力损失具有重要意义。

因为在污泥中的有机物，大部分都是存在与污水处理的细菌胞体中，所以这些方式都会受到细胞裂解率的影响。一旦细胞裂解率较低，将会导致这些措施不能有效地利用污泥中实际存在的有机物。因此，“细胞破壁”就是在开展污泥预处理工作期间，非常重要的一种技术。实际上，越来越注重污泥消化预处理技术的研究，如超声波、微波、机械处理等方式就是被广泛应用。在经过多次实践操作之后，证实在pH值大于12，并且此种状态能够保持一段时间，就可以利用强碱和石灰，达到杀灭众多细菌的目的。

3.3 制定碳中和技术应用保证机制，提升碳中和技术应用率

一是确定脱碳、零碳、负排放技术等多个方面的发展路线图，同时也要制定出具有绿色特征的高比例可再生能源网络图。在此期间，需要细致分析资金需求，科学合理地调动行业和市场现有力量，在积极鼓励产学研等多种类型创新主体之间，在不断加大合作力度的同时，将新型技术的推广和示范应用工作落实到实处。

二是做好创新政策、金融市场工具等多项协同工作，在为后续我国开展低碳市场建设工作提供正确指导的同时，构建绿色金融体系。这就要将良性机制作为实现碳减排交易实现、绿色减排技术应用协调推进工作的重要保障，从而在诸多市场化方式的作用下，进一步促进低碳创新型企业的发展。

4.结束语

综上所述，在现代化社会的发展趋势下，人们的环境保护意识不断提升，能源紧缺问题备受关注。在实际处理污水期间，需要充分利用碳中和技术，在满足污水处理厂运行要求的基础上，充分利用污水中的各项能源，使污水处理厂达到自给自足，有效弥补传统污水处理方式存在的不足，从而使碳中和理念在污水处理过程中充分发挥应用价值。在处理污水期间，应提升污泥处理重视度，通过对污泥好氧消化、厌氧消化、污泥堆肥等多种方式进行应用处理之后，更好地落实低碳运行这一先进理念，从而创造更多的社会效益和环境效益。