“双碳”背景下城市污水厂低碳技术评估研究——以马来西亚PANTAI污水厂为例

■ 中国市政工程西南设计研究总院有限公司 丁瑶 王雪原 王胤 张学兵

绿色低碳发展是当今时代的主旋律，同时也是生态文明建设的必然要求，努力控制并减少化石能源消费以及由此引发的碳排放，已成为全球共识。2016年，我国作为全球能耗及碳排放大国，在《巴黎协定》中向全世界作出承诺，2030年左右达到二氧化碳排放峰值。5年后，中国提出一个更加明确而有力的目标，力争在2030年前实现碳达峰，2060年前实现碳中和[1]。“双碳”目标的实现，不仅是我国对世界的承诺，更是指导各行业发展的明灯。

城市污水处理厂是污染减排的主要承担者，污水处理行业碳排放量占我国总排放量的1%～2 %[2]，在碳达峰与碳中和阶段发挥着重要作用。美国水环境联合会（WEF）提出污水处理厂不再是处理废物的工厂，而是水资源回收工厂，之后这一理念得到了广泛认可。当前，国外已有污水厂通过能源利用或技术革新实现碳中和的典型案例。目前，我国城市污水处理厂的绿色低碳转型之路刚刚起步，《国务院关于加快建立健全绿色低碳循环发展经济体系的指导意见》（国发〔2021〕4号）、《“十四五”城镇污水处理及资源化利用发展规划》（发改环资〔2021〕827号）等一系列指导性政策文件的出台，明确了城市污水厂的建设要向着无害化、资源化、节能低碳、系统协调等方向发展。因此，如何进一步降低城市污水厂碳排放量、降低能耗，是水务工作者探求的目标。

在“双碳”目标下，评估污水厂绿色低碳技术的碳减排当量及成本节约情况，对我国市政污水厂绿色低碳发展具有重要的指导意义。本文以马来西亚吉隆坡PANTAI污水厂为例，估算雨水利用与污水再生回用、水源热泵、沼气发电、光伏发电、光导纤维采光、精准曝气和景观绿地7项低碳技术的碳减排当量或固定量，评估各项技术的能耗与成本节约，提出城市污水厂未来工艺的选择方向，以期为我国城市污水厂绿色低碳转型提供参考，进一步助力“双碳”目标实现。

工程概况与方法

马来西亚PANTAI污水处理厂项目（图1）是马来西亚第一座地埋式污水处理厂，位于吉隆坡Pantai区，设计规模32万t/d，服务人口约140万。该厂址原为氧化塘工艺污水处理厂，随着城市发展成为“城中厂”，严重影响市容市貌和居民感官，制约了周边土地开发与价值提升。后来，将原厂址覆土改造为绿化面积近10万m2的体育公园，地下为污水厂主体，采用“旋流沉砂池+改良A2O生化池+矩形二沉池+紫外消毒池”工艺，污泥一部分脱水外运，一部分处置采用“污泥浓缩池+污泥厌氧消化罐+沼气发电”（图2）。该污水厂项目集成了智能调控、水源热泵、光导纤维采光、沼气发电、雨水回收利用、光伏发电等绿色低碳技术。自2014年正式通过验收后，一直稳定运行至今，出厂水质、大气污染物、厂界噪声排放达到马来西亚《城市污水处理厂污染物排放标准》，产生了良好的社会效益、经济效益与环境效益。

图1 马来西亚PANTAI污水处理厂实景图

图2 PANTAI污水厂工艺流程图

相比传统污水处理厂而言，地埋式污水处理厂具有以下优点：一是解决邻避问题，对厂区周边环境友好；二是构筑物集约化程度高，土地资源利用效率高；三是上部地面空间可以开发利用，有利于城市土地价值提升；四是在寒冷地区有利于处理设施保温。同时，地埋式污水处理厂也具有明显的缺点：一是构筑物埋深大，设计、施工难度大；二是建设投资高于地面厂；三是配套通风、照明、消防等要求高；四是运行能耗高于同规模地面厂；五是扩建难度大。因此，与传统污水处理厂相比，地埋式污水处理厂更应该采用低碳技术来降低其运行能耗。

本研究结合该污水厂项目的设计基础资料，针对其绿色低碳技术进行深入剖析，评估其碳减排量。为方便比较，本文均按照国内相关标准和文献的计算方法和取值进行碳排放计算。

植被固碳量计算方法

绿地中的植物固碳量估算方法依照《城市绿化碳汇计量与监测技术规程》（DB33/T 2416—2021）与《城镇水务系统碳核算与减排路径技术指南》，计算公式如下：

CSSzb=EFzb·Szb

式中，CSSzb为植被固碳量，kg CO2-eq；EFzb为植被固碳因子，kg CO2-eq/m2；Szb为植物覆盖面积，m2。

电能回收减碳量计算方法

PANTAI污水厂部分污泥通过厌氧消化技术回收甲烷气体，用其发电再供污水厂运行使用，节约外购电量，二氧化碳当量的减少量计算公式如下：

CSSe=EFcs-d·EFd/Qin

式中，CSSe为电能回收减碳量，kg CO2-eq/m3；EFcs-d为评价年内生产的总电能，kWh/a；EFd为该地区电力排放因子，kg CO2-eq/kWh；Qin为评价年内生活污水处理总量，m3/a。

热能回收减碳量计算方法

PANTAI污水厂通过水源热泵技术回收热能，用于厂前区综合楼、设备间的制冷，代替传统的空调制冷方式，有效节约标煤电量，二氧化碳当量的减少量计算公式如下：

CSSh=EFcs-h·EFh/Qin

式中，CSSh为热能回收减碳量，kg CO2-eq/m3；EFcs-h为评价年内可向污水处理系统外输出的热能，GJ/a；EFh为化石燃料排放因子，kg CO2/GJ；Qin为评价年内生活污水处理总量，m3/a。

工程设计

雨水利用与污水再生回用。PANTAI污水厂地面以上是体育公园，其景观用水全部来自于污水厂处理后的再生水及收集再利用的雨水（图3）。雨水和污水再生回收利用可以减少自来水的使用量，这意味着降低了自来水生产过程中所产生的能耗与药耗，从而减少碳的排放量。PANTAI污水厂再生尾水通过“超滤膜”过滤后，经臭氧消毒脱色，最终供地面景观循环使用。再生水与自然水体或自来水相比，具有水量稳定、水源可靠、引水路径短、水价低廉等优点，污水再生回用是实现污水厂绿色低碳发展的有效路径之一。同时，PANTAI污水厂厂区设计引入海绵城市理念设计雨水利用系统，雨水水质较好，可直接用于市政用水和景观用水等。由于削减了厂区范围雨水排放量，也可大大减轻雨水管网和城市防洪系统的负荷。PANTAI污水厂平均每日回用再生水1400m3，全年可减少碳排放量约363.7t。

图3 PANTAI污水厂雨水利用与污水回用实景图

水源热泵。马来西亚气候炎热，水源热泵技术可利用比热较大的污水处理尾水，随着尾水流动带走空气中的热量，通过这种换热为建筑及地下箱体内房间供空调冷源，代替传统空调机柜，更加节能环保。PANTAI污水厂配置带有热回收功能的水冷冷水机组，污水将冷量传递给中介水后，再进入热泵机组完成冷量转换（图4）。因常规循环冷却塔式冷水机组的冷却水进出口温度为30℃和35℃，而污水源冷水机组的换热器进出口污水尾水温度25℃到30℃，这样冷凝温度可降低5℃，系统效率提高15%—20%。同时，由于直接向污水排放尾水中排热，这样就不需通过冷却塔进行冷却。不需要循环冷却水，不产生热岛效应和局部霉菌数量超标，有利于节能环保。项目省去冷却水系统，投资节省10%，运行电耗为常规系统能耗的40%—50%，每年可减少碳排放量约4162.8t。

图4 水源热泵技术示意图

沼气发电。PANTAI污水厂每日剩余活性污泥量为44.8tDS/d，经厌氧消化后产沼气量约为9900m3。消化罐内沼气收集后经砾石过滤器去除冷凝水，再进入生物脱硫塔去除硫化氢，经此预处理的沼气储存在双层膜球沼气柜中（图5）。在储气柜内沼气再次经过滤干燥加压后，通过热电联供沼气发电机组，从而实现利用污水中的污泥消化所产生的沼气燃烧发电，以及沼气发电机组的冷却水与废气中的热量为污泥厌氧消化增温，从而减少化石能源的消耗，大大减少二氧化碳、甲烷等温室气体的排放[3]。目前，PANTAI污水厂日均总用电量为4.41万kWh，沼气自发电量占总用电量的5%—10%左右，全年减少碳排放772.6t—1543.3t。

图5 PANTAI污水厂厌氧消化罐实景图

光伏发电。马来西亚吉隆坡日照充足，太阳能资源非常丰富，为4.9kWh/(sqm·天)，具备发展太阳能光伏电站的良好条件。为充分利用当地太阳能资源，依据国际和马来西亚电器标准和规范，PANTAI污水厂厂区车棚顶面铺设太阳能板，地面建设了200kW的独立太阳能电站。PANTAI污水厂太阳能发电系统采用819块240W单晶硅光伏电池组件，成3组光伏阵列，7串39并组组成。充分利用白天的阳光储能到蓄电池中，在满电情况下，太阳能发电直接供给负载使用。停电时，通过逆变器以交流电形式供给发展总部大楼负载使用，可维持200kW系统用电约4.6h，全年可产生约33.6万度电，减少碳排放量约为322.4t/年。

光导纤维采光。PANTAI污水厂利用景观水体作为下部采光通道（图6），白天利用自然光照明。绿地中设置光导照明系统采光设施，并结合景观预留照明窗，充分利用日光实现箱体、隧道空间白天零能耗的绿色照明。理论上，全年可节约电量47.3万kWh、减少碳排放量约为450t。此外，各照明控制箱和按键面板采用总线连接方式，实现手/自动控制灯具点亮组态、多方位异地控灯、中控室集中控灯、定制控灯等功能。当发生火灾时，可自动强制亮灯，智能灯控系统实现了安全生产保障和高效节能管控。

图6 PANTAI污水厂采光通道实景图

智能化管控。PANTAI污水厂采用“精准曝气系统”及EICA智能监控系统。该系统可对全厂进行分散控制和集中管理，大大提高了系统的可靠性和稳定性。各现场控制单元还可独立运行，并通过通讯总线与中央控制室连接，组成全厂集中管理系统。同时，采用开放式网络结构，使厂内办公管理系统方便接入总系统，并充分考量远期技术、设备升级接入空间。系统设计主要包含自控设计、控制系统和仪表系统三个方面。其中，自控设计采用国内外先进的集散型计算机系统进行自动控制和管理。控制系统由中心控制室和现场PLC子站组成，实现分散检测和控制、集中显示和管理以及资源共享；仪表系统满足“工艺必须、计量达标、实用有效、免维护”的原则。

污水厂精准曝气系统是采用生化动力学模型及阀门开度最大控制理论，按照生物处理过程需求进行精确曝气，节约能耗。为实现对曝气池溶解氧浓度的稳定控制，根据污水负荷和反应条件的实际变化情况，综合考虑各种干扰因素和系统中各个单元的相互影响和协调管控问题，开发可靠的动态调节曝气量数学模型。PANTAI污水厂采用智能曝气池溶解氧浓度稳定智能控制系统，实现了满足进水负荷变化过程中溶解氧浓度的稳定化控制，优化调控各工艺的相关参数，实现策略分级和智能切换，保障系统安全运行，充分节约能源消耗。PANTAI污水厂精准曝气系统全年可节约电约1622.2万kWh、减少二碳排放量约15573.3t。

景观绿地碳汇。景观绿地可通过增加城市中的绿地面积，吸收大量二氧化碳并储存起来，从而减少温室气体的排放。不仅如此，景观绿地还能够一定程度上调节城市微气候，并能融合海绵城市理念，提升景观效果，有效防止土壤侵蚀，提供雨水滞留和自然过滤功能。PANTAI污水厂是在原氧化塘处理区上新建而成，采用全地下建设形式，其地面生态公园占地约17万m2，绿化面积近10万m2，全年固碳量约为14.5t。

减碳效益分析

PANTAI污水厂绿色低碳技术效益分析。PANTAI污水厂项目采用了污水再生回用、建筑雨水收集回用、污水源热泵系统（空调供冷）、光伏发电、光导纤维采光、精准曝气等多项绿色技术，并在地埋式污水厂上方打造了休闲体育公园，实现了节能降耗、减碳降碳的目的，成功打造了一个再造生态环境、突出绿色节能的环境友好型项目典范。根据PANTAI污水厂设计参数估算各绿色低碳技术的减碳量发现（表1），精准曝气＞水源热泵＞沼气发电技术的减碳量，节约成本分别为670.8万元/年、89.7万元/年和31.9万元/年～61.9万元/年。曝气环节被认为占污水厂总能耗的40 %～60%，是能耗的最主要单元，精准曝气可节约近10%的耗电量，该技术产生的节能效益最为显著，因此减少的碳排放量较高。马来西亚属于热带地区，常年高温，公共设施区域空调常开，对于这种地区水源热泵技术带来的节能效果更为突出，可有效降低空调的能耗，但对于我国多数地区效果会有所削弱。

表1 PANTAI污水厂各绿色低碳技术碳减排当量与运营成本节约

表2 不同国家污水厂能耗情况

PANTAI与其他污水厂能耗对比分析。污水厂的能耗与被处理的污水原水水质、水量以及排放水质指标等均有关联，不同地区的原水特性与处理标准存在差别，因此采用“比能耗”将每处理单位体积的污水所消耗的能量折算为电能（kWh/m3）这一指标来进行比较。我国关于比能耗的调查研究较少，通过张羽就等[4]的研究结果可知，2016年对全国1291座污水处理厂运行能耗调研的结果显示，95%污水处理厂的单位能耗分布在0.030 kWh/m3～1.418 kWh/m3，均值为(0.317±0.229) kWh/m3；地下式污水处理厂基本都在0.45 kWh/m3～0.6 kWh/m3[5]。与国内外污水厂平均比能耗水平相比，PANTAI污水厂作为地埋式污水厂本应能耗较高，但因其采用多项绿色低碳技术，使得其比能耗水平处于下游。可见，PANTAI污水厂项目中所采用的精准曝气、沼气发电、水源热泵等绿色低碳技术产生了良好的节能减碳效果，为未来“双碳”背景下城市污水厂的发展提供了借鉴作用。

结论

PANTAI污水处理厂为地埋式污水处理厂，其运行能耗约为0.25kWh/m3，相较于国内外污水厂而言处于较低水平，是低碳型污水处理厂的典型案例。PANTAI污水厂设计与建设采用了雨水利用与污水再生回用、水源热泵、沼气发电、光伏发电、光导纤维采光、精准曝气与景观绿化7项绿色低碳技术。理论上，精准曝气技术的碳减排当量与成本节约最为显著，分别为15573.3吨/年和670.8万元/年。其次是其沼气发电和水源热泵技术，碳减排当量为772.6吨/年～1545.3吨/年，全年可节约31.9 ～61.9万元/年；水源热泵技术的碳减排当量为4162.8吨/年，全年可节约179.3万元/年。最后，其他绿色低碳技术的碳减排当量在400吨/年左右，成本节约低于20万/年。PANTAI污水厂采用的7项绿色低碳技术共减少碳排放当量21659.3吨/年～22432.0吨/年，节约运营成本931.2万元/年～961.2万元/年。

城市污水处理厂作为污染物资源化的重要载体，如何实现污水处理的资源化、低碳化、智能化是未来发展的方向。基于本文研究成果，精准曝气、污泥厌氧消化与沼气发电以及水源热泵技术是值得城市污水厂选择与推进的低碳技术，在减少碳排放的同时可实现节能降耗，以此实现污水厂减污降碳协同处置、绿色低碳发展转型，从而助力我国“双碳”目标实现。（王雪原系本文通讯作者）