污水处理厂实现低碳节能运行的技术研究进展

王凯 梁渠 中国市政工程西南设计研究总院有限公司

在污水处理设施全生命周期（LCA）内，碳排放主要发生在运行期，据相关研究统计，污水处理厂运行期间耗电所产生的碳排放量明显大于药剂使用导致的间接碳排放。随着城镇化率、污水处理率以及排放标准的不断提高，如何有效降低污水处理厂碳排放，减少污水处理厂能耗和运行成本，已经成为行业关注的热点问题。

1 清洁能源利用

污水处理厂的能耗包括水耗、电耗、运输车辆所需的燃油等，其中主要为电耗，占总能耗的60%～90%，占运行成本的1/3。赫晓地等人研究表明，污水处理厂利用光伏发电、污水源热泵以及污泥热电联产可分别满足该污水处理厂能耗的10.4%、51%（制冷）/83.6%（制热）、53%。综合利用光伏发电、污水中的热能以及污泥热电联产等清洁能源作为污水处理厂运行过程中电能的补充，从而减少对传统能源的依赖是污水处理厂节能的重要措施，也是促进降低碳排放的有效手段。

1.1 光伏发电

目前我国积极推广太阳能光伏发电技术，在新建建筑物安装光伏发电系统。污水处理厂中的预处理池、二级生化池（厌氧、缺氧）、二沉池、深度处理池及综合楼等构（建）筑物具有较大的占地面积，这为光伏发电技术提供了有利的基础条件。光伏发电产生的电能是一种重要的清洁能源，不仅可以降低污水处理厂能耗支出，同时污水处理构筑物被光伏组件遮挡后，可以对污水处理设施进行有效封闭，抑制水池内部分藻类的生长，提高污水处理效率和水质。

光伏产品的碳排放集中在生产阶段，使用阶段碳排放较小，仅为生产阶段的3%，且光伏发电能量回收周期较短，发电组件使用寿命长，生命周期内产生的环境效益高。张泳在地下污水处理厂综合楼屋顶（建筑面积约125m2）布置光伏发电系统，按照20串、4 并连接方式进行方阵布局安装，该系统每年发电量约15×104kWh，相当于可减少CO2排放量约12.2t，有效降低了污水处理厂的电能成本。许威等人对安徽省芜湖市某污水处理厂引入光伏发电系统，总装机容量17.458MW，年发电量为1787.25 万kWh，相当于每年可节约标准煤5451.11t，减少SOX排放量约110.81t，CO2排放量约14548.2t，NOX排放量约37.53t。李美艳等人在某小型污水处理厂活性砂滤池、二氧化氯消毒池和水解酸化池构筑物上部架设光伏发电系统，日均发电量约965.37kWh，预计25 年累计可节约标准煤约2861t，累计可减少CO2排放量7620t，年收益约29.65 万元。

污水处理厂引进光伏发电系统在环境、经济、社会效益等方面均是可行的，对于节约能源，促进清洁能源生产利用具有积极作用。

1.2 水源热泵

城市污水一般来源相对稳定、水温恒定，水源热泵即借助少量电能驱动内部热泵做功，将污水中低品位的热源，通过热泵机组转化为高品位能源的措施。当前的水源热泵根据热源侧的形式分为直接式与间接式两类，两类系统各有优劣，长期以来，污水源热泵主要采用间接式系统，但是直接式系统省去了中间换热环节，可以减少投资并且性能系数相对较高。

吕燕对比分析了上海市区某污水处理厂的污水源热泵系统与空气源热泵的节能减排效益，结果表明污水源热泵系统更具有环保潜力。戚明喆等人采用直接式污水源热泵为淮北某污水处理厂综合楼供热供冷，通过理论计算，制冷时主机能效达到4.59，制热时主机能效达到3.62。阎亮等人将青岛市海泊河污水处理厂污水源热泵运用到周边小区进行供热，与传统能源系统比较，污水源热泵全年CO2排放量减少约7.41t，SO2排放量减少约0.29t，NO2排放量减少约0.45t，烟尘排放量减少约0.07t，灰渣排放量减少约2.79t。

1.3 污泥热电联产

目前我国常用的污泥处理工艺主要有脱水-填埋、生物堆肥、厌氧消化和干化焚烧。根据使用经验，生物堆肥+土地利用和厌氧消化+沼气发电工艺路线对于降低碳排放量具有明显的效果。吴百苗等人通过全生命周期评价（LCA）比较污泥填埋和污泥-餐厨垃圾共消化热电联产，其中污泥热电联产技术碳中和率可达到133%，经济效益是污泥填埋的1.6 倍。对青岛某污水处理厂，崔濡川提出污泥中温厌氧消化沼气热电联产系统，每年可多发电量165.21 万kWh，2.2 年后可回收投资，具有较高的经济和环境效益。威海龙岗市某造纸企业采用焚烧污泥的热电联产系统后，在焚烧锅炉中掺杂污泥混烧，年均总热效率可以达到81.07%，保持生产总量不变的情况下，每年节约1829tce。

2 污水处理工艺优化

当前全国有较多污水处理厂推进排放标准从一级B 标提升到一级A 标，部分地区提出排放标准提升到地表Ⅳ类水标准，提标改造常用措施为优化二级生物处理以及深度处理工艺。

2.1 二级生物处理工艺优化

污水处理厂主要核心工艺仍以脱氮除磷为主，而污水处理厂生物处理阶段能耗比例达到62.2%～71.1%，是运行期间耗能的关键阶段。

针对二级生物处理工艺的进水改造，周亚梁等人对1 座处理规模为8×104m3/d 的污水处理厂沉砂池出水口末端跌水复氧现状进行改造，通过在曝气沉砂池出水位置加装盖板，阻断、改变跌水复氧区域的空气交换流态，以降低复氧值，有效降低了二级生物处理阶段碳源投加量。有研究表明，巢湖流域22 座污水处理厂采用的氧化沟、厌氧/缺氧/好氧（AAO）、序批式活性污泥（SBR）工艺平均碳排放强度分别为0.3278、0.3283、0.2495kg/m3，从低碳的角度出发，SBR 工艺更具有低碳优势。未来低碳处理工艺的发展方向是碳氮两段法，即首先分离污水中的有机物，将分离出的污泥通过厌氧消化工艺后产生甲烷气体，或将污泥直接进行厌氧处理，通过主流的厌氧氨氧化工艺对分离后的氨氮污水进行脱氮处理。新型污水生物处理技术将厌氧氨氧化和微藻结合，利用产氧微生物取代传统的机械曝气系统，以实现污水处理系统的能源自给，从而达到循环经济的效果。

2.2 深度处理工艺选择

目前，污水处理厂深度处理除磷工艺以高效沉淀池为主，但其存在加药量较大等问题。随着污水处理厂提标改造的需求增加，需要投加的混凝剂也将大幅增加。以某2×104m3/d 污水处理厂实际运行数据为例，综合比较高效沉淀、加砂沉淀以及磁沉淀三种处理工艺，其中磁沉淀具有加药量更少，间接碳排放更少的优点。详见表1。

表1 某2×104m3/d污水处理厂三种沉淀工艺比较

目前污水处理厂污水深度处理中的除氮工艺主要采用反硝化滤池，而大部分反硝化滤池采用的是异养反硝化滤池，为了保证能够达到出水标准，需要在硝化过程中投加碳源。与异养反硝化相比，自养反硝化工艺可以利用无机碳源，产生的细胞数量更少。周娅等人采用硫代硫酸钠联合硫铁矿处理抗生素的生化尾水研究表明，反应停留时间（HRT）为0.75h 时，反应器对NO3-N 的去除率可达到72%以上。

3 精准智能控制

目前国内早期建设的污水处理厂自动化程度不高，通过精准曝气与精准加药系统的构建，可以对各项运行数据进行秒级监控，在工艺模型中实时计算相关设备的运行参数并及时调整，保证出水水质稳定的同时降低曝气与药剂投加成本。

3.1 精准曝气系统

根据统计，我国污水处理厂平均电耗为0.2～0.3kWh/m3，鼓风曝气机用电量占污水处理总能耗的60%。传统污水处理厂在运行过程中为满足生化池正常需求，鼓风曝气机需持续运转，但是污水处理厂进水水质和水量并不是固定的，所需消耗的氧量也会相应的发生变化，因此存在能源浪费的现状。

精确曝气通过控制溶解氧使生化系统处于动态平衡状态，提高出水COD 和氨氮的达标率，也可以间接促进出水总氮、总磷的达标率，同时降低污水处理厂运行能耗和成本，达到节能减排的目的。荆玉姝等人在青岛张村河水质净化厂引进曝气精准分配与控制系统，通过曝气精准控制1 天内2/3以上的时间段将曝气池中溶解氧（DO）浓度控制在设定值±0.3mg/L 范围内，保证出水水质更加稳定，降低曝气能耗约24.8%，乙酸钠药剂消耗降低15.1%。唐鑫伟等人研究表明精准曝气系统对提高AAO+MBR 工艺总氮去除率有良好效果，通过采用德国VACOMASS 曝气精确分配与控制系统，根据AAO+MBR 工艺特点及运行情况，对曝气控制区的曝气量进行实时精准定量分配，实现生物池末端溶解氧的稳定控制，可以在不投加碳源的情况下提高总氮去除率，而且该系统可以根据曝气量调解鼓风机的总风量，避免电力浪费，从而实现节能降耗的目的。

3.2 精准加药系统

目前，污水处理厂需要投加碳源（甲醇、乙酸、乙酸钠）、除磷药剂（絮凝剂PAM、混凝剂PAC）和消毒剂（次氯酸钠）等多种化学药剂，而药剂是污水处理厂运行过程间接碳排放主要源头之一，优化加药环节，是减少碳排放的重要途径。

我国大部分污水处理厂进水浓度存在低碳/氮现象，在反硝化脱氮过程中，需要投加碳源，部分污水处理厂需要通过增加碳源使用量以实现提高出水水质的要求。吴宇行等人针对污水处理过程反硝化碳源的动态需求，提出基于在线实时检测碳源投加量的智能控制系统，在污水处理厂经过4 个月生产性试验，结果显示乙酸钠使用量降低21.2%，每月可节省药剂费用约4.72 万元，具有良好的经济效益。

部分污水处理厂生物除磷效果不理想，出水总磷排放不能稳定达标，需要投加除磷药剂，影响配药比，成本增加较大，另一方面也对微生物系统产生影响。贾玉柱等人通过将人工手动加药改造为P-RTC 自动加药装置，建立能够协同生物与化学除磷的动态控制系统，吨水药剂消耗降低约17%，提高了除磷效果，同时污泥产量减少了30%。

4 结语

加强污水处理厂清洁能源的利用，综合利用太阳能、污水中的热源以及污泥燃烧处理热能，是降低污水处理厂间接碳排放的有效手段。

对污水处理厂工艺进行改造，选择合理的低碳高效处理工艺，从源头降低污水处理的能耗指标。

通过智能精准控制系统对曝气和加药过程进行优化，节约运行成本，减少能源消耗。随着城市不断地发展，国家碳排放战略目标的提出，污水处理作为能源密集型行业，低碳建设与运行尤为重要，以“开源节流”为主要路径，从清洁能源的综合利用，处理工艺优化以及曝气和加药智能精准控制系统等措施出发，可有效降低污水处理厂碳排放，实现可持续发展的目标。