关于污水处理厂如何有效实施碳中和的研究及应用

马 聪，廖 妍

（中国市政工程中南设计研究总院有限公司，湖北武汉 430014）

0 引言

碳中和的其中一项重要内容就是充分回收利用生产过程中所产生的余热资源、有机物质等，通过一些技术手段将二氧化碳转化为可以利用的能源，从而减少温室气体的排放[1]。在自然环境日益恶化的背景下，我国高度重视节能低碳型绿色生产技术的发展，因此，全国各地多处污水处理厂都纷纷引入了碳中和理念及相关技术，以此提高原材料的使用率，减少能源的消耗，进而减少能源消耗所产生的碳排放。

1 污水处理碳中和技术的内涵

污水处理过程中需要通过微生物处理技术以及化学氧化剂等，氧化分解污水中的有机物、硫化物、亚硝酸盐等物质，这一过程会生成一定量的二氧化碳，且加入的外部添加剂越多，所产生的二氧化碳也就越多[2]。将氢、二氧化碳等物质转化成甲烷，就可以减少二氧化碳的排放，并将其转化为有利用价值的能源。

碳中和技术能够有效减少污水处理厂的温室气体排放，对于保护环境具有显著作用。同时，碳中和技术能够减少能源消耗，污水处理厂中的余热能具有巨大的开发潜力，通过碳中和技术将温室气体转化为可利用的能源，从而在一定程度上减少能源的消耗。

2 污水处理厂有效实施碳中和技术的应用要点

污水本身就是一种富含各类能源物质的载体，不仅含有众多有机物，还存在各类营养物质，比如氮、钾等，这为推行碳中和提供了有利的先决条件。在引入碳中和技术时，应当抓住以下的应用要点。

2.1 加强对藻类的应用及研究

藻类能够吸收污水中的营养物质，并为污水中的好氧细菌提供氢元素，帮助将细菌中的碳元素转化为甲烷。藻类可固定太阳能，在太阳能的作用下将一部分污水分解成氢气、氧气，这是中和碳元素并将其转化为能量的重要物质。该方法也是我国污水处理厂碳中和的一个重要思路，可在污水中加入藻类，但由于污水中的细菌非常复杂，有的细菌可能会干扰这一过程，所以还需要加强相关技术的研究。

2.2 最大限度发挥污泥利用技术

污泥实际上是一种潜力非常大的绿色能源，目前部分发达国家在污泥利用方面已取得诸多技术突破，我国一些大型污水处理厂也引入了相关技术。污泥中含有大量的病原菌、寄生虫、营养物质、重金属元素等，以往都是采取掩埋或焚烧的方法，但这实际上造成了能源的浪费以及环境的污染[3]。例如，因为污泥本身含水量较大，进行掩埋处理容易出现塌陷，一旦出现塌陷事故就需要投入成本新建填埋场，且大量掩埋会导致带有各类病原菌或重金属的污泥深入地下，造成地下污染。若直接焚烧则可能产生有毒气体[4]。因此，先进的碳中和技术就是充分利用污泥能源潜力，利用好氧消化、厌氧消化，再将处理好的熟污泥通过焚烧热电联产转化为能源，此外，还可以采用污泥堆肥等技术充分利用污泥。污泥处理可从以下4个方面入手。

2.2.1 好氧消化

对污泥进行好氧消化，将污泥中的有机物矿化，使污泥中的大量细菌不能获取到足够的有机物质，无法在污泥中获取能量，随之进入内源性呼吸期，不断自我裂解、消亡。这种处理方法可以减少污泥病原菌对环境造成的危害，防止病原菌进入自然环境。

2.2.2 厌氧消化

厌氧消化主要是使污泥在厌氧环境下，通过降解消化的方式分解有机物。污泥会被分解出氢离子，和有机物中的碳离子结合形成甲烷。具体的操作原理有：①有机物在厌氧消化的作用下，分解为单糖、甘油、氨基酸、二氧化碳以及碳离子等。②污泥中的水分、氢氧根有机物及各类细菌在厌氧的环境下会分解出氢离子以及乙酸菌。③氢离子和二氧化碳、碳离子合成甲烷，乙酸也会在厌氧环境下生成甲烷。明确每个步骤后，就可以设置厌氧消化池，从而得到甲烷。此外，还可以对处理好的污泥进行焚烧热电联产处理，生成热能和电能。

2.2.3 污泥堆肥

污泥堆肥也是一种充分利用污泥能源的碳中和技术。该技术主要是借助污泥中的大量微生物，这些微生物在潮湿的堆肥环境下会不断发酵，从而将污泥的有机物质通过氧化、分解转化为类腐殖质物质。

污泥在堆肥处理的过程中，其内部的寄生虫和病原菌被强碱、石灰杀灭，残留物质可充当植物所需吸收的养分，所以堆肥处理后的污泥可以作为肥料排入农田，且无须进行脱水处理，减少了成本投入。

污泥中的有机物主要是存在于微生物细胞胞体中，因此微生物细胞裂解的效率将直接影响堆肥效果。为了能够充分利用污泥中的有机物，需要进行细胞破壁预处理。经过这种预处理的污泥能够极大地增加堆肥后污泥中的有机物质含量，常用的预处理技术有超声波、微波等，还可利用专用机械设备进行微生物细胞破壁。

具体的污水处理厂污泥堆肥流程如图1所示。污泥堆肥过程中的pH应当保持在12以上，将污泥放置在这样的酸碱环境下发酵，不仅能够达到比较理想的发酵效果，还能够通过强碱或者石灰来有效杀灭病原菌。

图1 污水处理厂污泥堆肥流程

2.2.4 构建碳中和技术的相关制度和保障机制

污水处理厂应当充分意识到碳中和的必要性，坚持节能减排的工作方针，结合污水处理厂的规模、资金以及节能减排的目标引入相关技术，并进行相关技术工艺改造，提升操作人员的技能。此外，污水处理厂还应重视自身科研能力，不能只是引入先进技术，还应结合本地实际情况，进行技术的升级改造。与此同时，鼓励污水处理厂科研人员在碳中与方面开展技术创新的相关研究，构建产学研模式，和当地的高校、科研机构等加强合作，从而有效钻研新技术，实现碳中和技术改造。

污水处理厂的碳中和改造不仅能够服务于企业，还能服务于当地的电力、热力、天然气等能源供应产业。碳中和绿色生产技术是国家大力提倡的，因此可以和当地政府以及能源部门加强联系，争取相关政策的扶持，吸引各方资金的投入，通过政策和资金的支撑，进而更好地开展碳中和技术的研究与应用工作。

3 污水处理厂碳中和技术的应用案例

目前，我国的碳中和技术主要是针对污水本身，这和发达国家存在一定差距[5]。例如，通过藻类吸收污水处理时所产生的二氧化碳，或是利用微生物厌氧呼吸的原理，将污水中的有机物转化为甲烷，从而将碳元素中和成能源。我国在碳中和方面的起步明显晚于西方发达国家，因此发达国家在这方面有很多值得我国借鉴的成功经验，其不仅针对污水本身进行处理，还充分利用剩余污泥，借助前端筛分COD以及后端厌氧消化、焚烧热电联产等技术来获取更多能源。

本文以德国汉堡的Dradenau污水处理厂作为案例，该厂从碳中和的角度对污水处理工艺进行升级改造，自投入生产以来不仅减少了温室气体的排放，还为企业节约了能源，并向周边区域输送电能、热能。该污水处理厂碳中和技术的工艺流程如图2所示。

图2 污水处理厂碳中和技术的工艺流程

这一碳中和技术采用了污泥最大化处理的方法，在出水段的剩余污泥中投入除磷的化学药剂，之后通过厌氧消化形成沼气供应天然气网络，再将剩余的污泥进行热电联产、消化、干化和焚烧处理，获取的电能可以供污水处理厂自己使用。此外，在前端处筛分废弃物，还可在污水处理厂外收集生物废弃物加入污泥中，实现污泥最大化处理，共同消化提升沼气的转化量，也能提高对社会的天然气输送量。而消化后的熟污泥可以通过焚烧热电联产，从而获取电能、热能等能源。电能可以并入当地电网，或供污水处理厂自用。这一系列过程中产生的余热不仅可以供应消化池保温，还可以向附近码头供应。该污水处理厂采用碳中和技术生成的电能和热能供应流向分别如图3、图4所示。

图3 碳中和技术生成的电能供应流向

图4 碳中和技术生成的热能供应流向

4 结语

综上所述，在能源紧缺和环境污染日益加剧的背景下，我国对环境保护越来越重视，并且扩宽了绿色生产的发展道路。从节能减排的角度来看，污水处理厂应积极引入碳中和技术，不仅要从污水本身入手，还应充分激发污泥的能源潜力，将碳排放转化成能源、肥料等，不仅可以减少碳排放，还极大地提高了污水处理厂的社会效益和经济效益。