污水处理碳排放减排模式研究

2022-02-12卜莹莹

皮革制作与环保科技 2022年24期

卜莹莹

（广东绿园环保科技有限公司，广东梅州 514000）

随着现代环境破坏问题的加剧，逐渐出现了越来越多与环境保护相关的概念和词汇，其中碳中和就是比较常见的一个，是指组织或个人在生产过程中，在规定时间内，向自然界排放一定量的二氧化碳，这些二氧化碳可通过植树造林、节能减排等方式完全抵消，客观上达到“零排放”的目的。

在人类生活及社会发展过程中，均会产生大量污水，这些污水中含有一定量的有机物，这些有机物属于含能物质，其中含有丰富的N、P、K等营养元素，符合植被的生长需求。所以，相关技术人员需要利用相应的技术手段将污水中的有机质进行分解和转换，形成对环境破坏较小或是对人类社会有价值的物质，以降低污水对环境的破坏。污水处理的本质属于消耗能源的碳排放过程，即由水污染转变成大气污染的过程。所以，在污水处理过程中，不仅要减少污水中的有害成分，而且还要注重处理时的碳排放问题，确保碳排放与污水处理价值保持平衡，以促进现代社会长期可持续发展。

1 污水处理主流技术碳中和可用能源的来源分析

1.1 优化管网输送体系

大量研究与实践表明，各类污水中均含有丰富的能量，其中，最主要的就是有机物（COD），其在污水中广泛存在。在对污水进行处理时，先去除无用杂质再对这些有机物进行回收，并进行适当地处理即可转化成其他领域所需要的能源，如肥料、石油替代资源等，为其他领域的发展提供支持。从理论层面来说，相对于污水处理所需的能量，污水中有机物所含的能量更高一些，通常是前者的10倍左右[1]。利用厌氧消化技术对这些有机物回收时，回收效率的高低与进水有机物的含量具有直接关系，在进水端，COD含量越高，处理、回收的能量就越高。在现代城市污水处理系统中，无论是污水的采集还是传输，均需要大量的长管道，因而要确保长管道铺设规模符合实际要求，以提高污水处理的效果，提升污水中的碳含量。

在实际处理过程中，受时间和经济水平等因素的影响，导致污水管道存在很多缺陷，如管道破损、管道内部堵塞严重、管道铺设率较低等，使得待处理的污水中含碳量较低，不利于污水能量的回收。所以，在建设城市污水系统哩，应注重污水管道的建设，保证污水管道的覆盖规模。以某城市为例，通过调查可以发现，其污水管网长度超过了1万公里，共建立了110所污水泵站，并利用厂网一体化管理的特点，大大提升了进水端污水的COD含量，平均可达483 mg/L，远远高于全国水平，即将追赶上欧美等国家的标准（600 mg/L）。由于污水管道能够覆盖到城市各个地区，且管道性能良好，因而在污水处理时，能够完全将其收集，并以此为基础，对雨污分流进行改造，大大增加了进水端的碳氮比，为污水能源的开发与利用提供了有力支持。

1.2 改进药剂投加系统

现代污水处理领域存在多种处理技术，每种处理技术的原理完全不同，处理效果略有差异，但从本质上说，均是利用生化反应的手段去除其中的污染物。而对于处理材料来说，无论是在制造与运输时，还是在材料使用时，均需消耗其他能源。所以，污水处理过程中，应改进药剂的投加系统，在保证污水处理效果的基础上，减少其他能源的使用，以此达到降低碳排放的目的。当前的主要措施是对现有加药系统进行适当地升级改造，得到性能更加良好的加药系统。以曝气池为例，通过在其尾端固定计量泵，称量PAC除磷药剂，并将称量出来的药剂添加至出水中，提取出其中的P元素。常规计量泵为变频计量泵，精度较低，导致药剂投入量较高，不仅增加了处理成本，还造成药剂污染，因而可将其更换成数字泵，再通过对出水成分的分析，确定磷酸盐的含量，计算出所需的药剂量，并以此为基础，称量出精确的药剂量，使药剂添加量处于最佳水平，在保证去磷效果的同时，防止药剂造成二次污染，从长远来看，该项目将获得良好的经济效益，显著降低污水处理成本。此外，相关技术人员可以将人工智能技术融入到设备改造中，通过收集污水成分等信息，自动计算所需加药量，为提高系统加药量的准确性奠定良好的基础。

1.3 改造曝气系统

污水处理需要多种设备和系统，曝气系统是其中最关键的一个模块，直接关系到污水处理效果。现有的曝气系统是以大功率单级离心式鼓风机为主要工具，向污水中输送充足的氧气，以构建出富氧环境，促进微生物的生长与繁殖，从而提升污水成分的分解速度与效率。有研究指出，我国污水处理厂运行时的能耗量通常处于0.15～0.25 kW·h/t，而不同处理技术所需的能耗可能存在一定的差异，但无论是哪种技术，曝气系统的能耗量均占有非常高的比例。所以，为了降低污水处理时的碳排放量，必须要加强对曝气系统的改造，其中，改造的核心为精准掌控微生物的活动过程，在确保微生物正常生长的同时，减少能源的消耗。针对这种情况，需要在现有曝气系统中有效融入智能化、数字化技术。当前，我国一些规模较大的污水处理厂已经对此有了高度重视，并对曝气系统进行改良，如根据曝气池运行情况，检测出曝气压力的实际值，并以此为基础，与预设结果进行对比，以确定系统中曝气含量是否达标，进而对鼓风机进行调节。此外，在各支管出口处安装高精度的调节元件，并根据溶解氧仪表测量的数据对支管的开度进行调控，以向系统中输入更加精确的曝气量[2]。以某污水处理厂为例，经过以上方式的改良，大大减少了曝气电耗量，最高可达50%以上。

1.4 选取能耗较低的处理技术

现代污水处理采用了很多低能耗生物技术，这些技术通常用于污泥处理环节，如厌氧氨氧化技术（ANAMMOX）、好氧颗粒污泥处理技术等。其中，ANAMMOX用于板框压缩脱水能力良好的污水处理厂中。板框压缩处理后可产生一定的滤液，这些滤液将会被厌氧氨氧化菌（AAOB）进行分解与降解，从而减少了滤液中的有害成分。该方式的处理原理为在缺氧条件下，以HCO3-（IC）为碳源、NH4+（-N）为电子供体、NO2-（-N）为电子受体，在AAOB的作用下，可释放出一定量的N2，从而将N元素分离出来。ANAMMOX的代谢途径如图1所示。为了使ANAMMOX过程顺利进行，通常在该技术中增加短程硝化技术（Sharon），从而得到处理效果更好的新技术即Sharon-ANAMMOX技术。相对于常规脱氮技术，该技术对NO2-（-N）转换时所需要的氧量更低一些，因而减少了曝气环节的电耗量。同时，由于该技术是以IC作碳源，不用添加其他的有机碳，因而减少了脱氮成本。另外，系统出水端与处理厂的总进水相连，可对处理后的水资源进行二次利用，从而为污水处理创造更多的经济效益。

图1 ANAMMOX代谢途径

在现代污水处理领域，反硝化除磷技术非常常见，其中厌氧反硝化除磷细菌在厌氧环境中能够去除污水中的P元素。除磷时是将硝酸盐作为电子受体，在发生反硝化反应的过程中去除P元素，因而可同时去除N、P两种元素。从除磷角度看，同一种细菌可同时进行反硝化与除磷两个不同生物过程[3]，并且在该过程中，聚羟基脂肪酸酯为重要物质，在反硝化时可作为碳源，同时还能用于能量的存储。

1.5 强化热电联产回收能力

污水的污泥中含有丰富的能量，对这些能量进行回收，也可减少污水处理的能耗量。为了有效回收污泥中的能量，应优化污泥消化处理技术，以确保在进水中有机物质丰富的基础上，加强对能量的回收。针对这一情况，国外很多城市在建设时，均从污水处理角度出发，制定出各种相应的碳中和方案，并取得了较为不错的效果，其中，较为常见的是栅渣冲洗压榨机，通过该设备阻拦淤泥，提升污泥的截留效率，并以此为基础，加入了适量的FeCl3，以确保污泥能够顺利运送至消化池内，从而去除污泥中鸟粪、石块等无用的杂质。另外，在初沉池方面，也研发出了很多良好的新聚合物。总之，相关技术人员通过各种方式促进碳源的传输，以提升传送至消化池内碳源的数量。在我国，也提出了一些更加良好的污泥消化处理技术。以高碑店污水处理厂为例，研发出了热水解联合厌氧消化系统，将污泥运送至该系统内，并将设备调节至高温高压状态，对污泥进行处理，分解其中的有机物细胞，增加污泥的产气效率[4]，不仅满足了热水解所需要的能量，而且还存在一定的余量，在干式脱硫处理后，可将这些余量传输至沼气发电机，转化为电能，用于其他设备、系统的驱动，从而降低系统对电能的需求量。若水厂规模较大，可单独进行供暖，在冬季寒冷条件下，还可将余量传输至热水锅炉，为厂区输送热能，节约暖通系统运行时所需的电能。

1.6 提高自产清洁能源力度

现代污水处理厂规模较大，占地面积较广，因而为光伏发电工程的建设打下坚实基础，并为厂区内各类设备与系统的运行源源不断地提供了电力能源。厂区内部建立了很多顶部较为宽敞的建筑物，如初沉池、二沉池等，在这些建筑物的顶部即可固定光伏发电板，通过对太阳能的收集与转换后，变成设备运行所需的电能。与此同时，采用光伏发电板还能实现太阳能发电并入电网供水厂使用；在寒冷的冬季，固定的光伏发电板可覆盖建筑物，提升建筑物的保温性能，确保室内温度处于较高状态，为微生物的生长与有机物的分解提供支持。污水中通常包含大量的热能，而这些热能常常被人类所忽略，造成了严重的能源浪费。据调查发现，在同一种污水中，热能储量非常高，显著高于化学能的储量，是后者的近10倍[5]。为了准确展示出污水中热能的开发价值，以某地区为例，对污水中热能的储量进行推算。某地区污水处理厂基本信息如表1所示。通过对表1的观察发现，某地区污水处理厂在运行时，各项指标都符合《水源热泵机组》中的规定要求。所以，在污水处理过程中，一方面，可利用得到的冷热源作为主要资源，降低或提升厂区内的温度，另一方面，还可将剩余资源传输到厂外，为周边其他领域的运行提供支持，并通过“碳交易”手段，达到碳中和的目标。

表1 某地区污水处理厂信息

2 污水处理碳排放减排模式的发展趋势

在未来发展过程中，为了进一步提升污水处理效果，降低污水处理的碳排放量，相关污水处理企业必须要加强智能化技术的应用，即在现有处理设备的基础上，有效融入各种智能化技术，并通过智能化技术对污水成分进行分析和计算，以此向处理系统输送更加合理的材料与能源，在保证污水处理效果的同时，最大限度地减少能源的消耗，从而直接或间接地降低碳的排放量。同时，在未来污水处理厂建设过程中，不能只将其看作单一的营养物、能源或再生水厂，而是要尽最大可能挖掘出污水资源的潜力，从而为污水处理厂的运行及社会发展提供更多能源。