污水处理厂污水污泥处理碳减排设计策略研究

摘 要：在全球温室气体排放问题日益凸显的背景下， 各国纷纷加大碳减排的力度， 而污水处理厂作为一个潜在的高碳排放源，其碳减排策略的研究变得尤为迫切。 本文着眼于能源回收、 提高处理效能以及开发可持续新工艺三个关键方面， 深入研究污水处理和污泥处理的节能减排路径， 致力于实现碳中和运行的目标。

关键词：污水处理厂；污水污泥处理；碳减排文章编号：2095-4085（2024）09-0070-03

0 引言

随着城市化进程的加速和人口增长，污水处理厂面临着日益严重的污水和污泥处理问题。国外对于污水污泥处置碳排放的研究主要聚焦于寻求高效的污泥管理技术，以实现能源和材料的有效回收，从而降低污泥处置的碳足迹。在国内，随着我国致力于在2030年前实现二氧化碳排放峰值，并在2060年前实现碳中和的承诺，污水处理厂的污水污泥处理在碳减排领域日益引起广泛关注［1］。为实现双碳目标并更进一步减缓全球变暖，迫切需要准确量化和分析污水处理系统的碳排放水平。

1 能源回收技术

1.1 污水处理能源回收

污水处理过程会产生大量甲烷和一氧化二氮，是重要的直接碳排放源。城市污水属于优秀的可再利用热源，可作为热泵的低品位热源。通过污水源热泵系统获取原生污水及二级出水中的热能，一部分用于污水处理厂内部建筑及构筑物的供热，另一部分可通过热力站将热能用于厂内供热场所［2］。污水源热泵的合理应用将带来可观的CO2排放消减量（见图1）。

1.2 污水能源回收

污水能源回收的实施通常包括以下关键步骤。

（1）前处理。先对污水中的固体颗粒、油脂等杂质进行物理和化学处理，可确保后续处理过程能够高效进行。

（2）生物处理。通过采用厌氧消化和好氧生物处理等生物技术，将污水中的有机物质降解为简单的化合物，其中厌氧消化产生甲烷气体，好氧生物处理产生二氧化碳和水［3］。

（3）能源回收。从生物处理中产生的甲烷气体和释放的热能中提取能源，用于供热、发电或其他能源需求。甲烷可作为可燃气体替代天然气。

（4）剩余污泥处理。通过生物气化、焚烧等方式将生物处理过程中产生的剩余污泥转化为更多的能源，以实现对污泥的资源化利用。

1.2.1 前端筛分COD技术

该技术的主要目的是在污水处理的初期阶段有效地去除污水中的COD，从而减少后续生物处理过程中的有机物负荷，提高处理效率。通过物理和化学手段，前端筛分技术能够将污水中的固体颗粒、油脂等杂质剔除，从而为后续的生物处理和能源回收创造良好的条件。这一技术的应用不仅有助于提高污水处理系统的整体性能，还为后续阶段的污泥处理和能源提取提供了更为优越的处理基础［4］。工艺流程（见图2）。

1.2.2 污泥高温厌氧消化技术

通过在高温环境下进行厌氧消化，使污泥中的有机物质更为充分地分解产生甲烷气体，这一过程既能减少剩余污泥的体积，又能够回收污泥中的有机能源。该技术不仅在提高能源利用效率方面具有显著优势，还实现了污泥的无害化、减量化，并产生可用于能源回收的沼气［5］。下图展示了采用污泥高温厌氧消化技术的污水处理厂发电系统（见图3）。

1.2.3 污泥厌氧共消化技术

污泥厌氧共消化技术是在传统污泥厌氧消化的基础上，引入外部有机废物进行共同消化的一种创新处理方式。通过将城市有机废物与污水处理厂的污泥进行共同消化，可以提高厌氧发酵过程中产生的甲烷气体的产量。这种技术不仅能够有效减少城市的有机废物排放，还能够提高能源回收效益。在共同消化的过程中，城市有机废物中的有机物质与污泥中的有机物相互作用，促使厌氧发酵反应更为充分，从而增加甲烷的生成量。通过污泥厌氧共消化技术，不仅实现了有机废物的资源化利用，还提高了能源回收的可持续性。

2 提高处理效能的措施

2.1 选用高效能设备

为了降低污水处理过程中的碳排放，应当选用高效能的设备。高效能设备通常具有更先进的技术和更高的能效，能够在降低能耗的同时提高处理效率。例如，可以选择采用先进的生物处理技术，如MBR（膜生物反应器）和MBBR（流动床生物反应器），这些技术能够在相对较小的空间内高效去除污水中的有机物质，减少处理过程中的能耗和碳排放。在设备选型过程中，需综合考虑其性能、成本和维护方便性，以实现在减排的同时保障处理质量。

2.2 加强设备管理

在设备管理方面，应建立定期巡检和维护制度，确保设备处于良好的工作状态。定期的设备检查和保养能够及时发现并解决潜在问题，防止设备故障对处理效能的影响。同时，通过实时监测设备运行状态、能耗情况以及效果参数，可以迅速发现异常情况并采取相应的措施。这有助于提高对设备运行的掌控能力，确保在最佳状态下运行，减少不必要的能耗和排放。

2.3 建立需求响应机制

需求响应机制的建立涉及到运营管理和技术创新两个方面。在运营管理方面，可以通过合理的排班和工艺调整，使污水处理厂在不同时间段保持最佳运行状态。例如，在低负荷时采取节能运行模式，而在高峰时段增加处理能力，以应对突发的大量污水排放。技术创新方面，可以引入智能化控制系统和先进的处理工艺。通过实时数据分析和预测，智能化控制系统能够更精准地调整设备运行参数，提高处理效率。同时，还可采用更高效的处理工艺，如深度脱氮脱磷工艺，能够更彻底地去除有害物质，减少后续处理过程中的碳排放。

3 可持续新工艺分析

3.1 脱氮工艺

传统的污水处理厂生物脱氮工艺通常采用先硝化后反硝化的方式，其中A/O（Anaerobic/Anoxic/Oxic）和A2/O（Anaerobic-Anoxic-Oxic）工艺是比较典型的代表。这些工艺通过在不同的处理阶段引入厌氧和好氧条件，利用不同的微生物群体完成氮的硝化反应和反硝化过程［6］。然而，这些传统工艺在基建投资和运行费用方面存在较高的问题，需要大量的设备和能源支持，因此逐渐出现了一些重点关注氮素转化途径优化的生物脱氮工艺，如由荷兰Delft技术大学开发的短程反硝化原理的脱氮工艺（SHARON工艺）和基于厌氧氨氧化的ANNAMOX/DEMON工艺［7］。SHARON工艺通过短程反硝化原理实现氮的高效去除，而 ANNAMOX/DEMON 工艺则利用厌氧氨氧化的方式，更为优化地完成氮素的转化。现有数据表明，以上两种工艺与传统的A2/O工艺相比，均能在一定程度上减少能耗和碳源消耗，其中ANNAMOX工艺减少的尤为明显，可节约90%的碳源消耗和60%的能耗。

3.2 碳氮两段法

碳氮两段法是一种污水处理工艺，能更有效地去除有机物和氮化合物。该工艺的核心思想是通过两个不同的处理阶段，分别处理有机物和氮。在第一阶段，采用生物处理方式去除有机物，然后在第二阶段通过生物或化学方式去除氮化合物。这种分段处理的方式能够更好地适应不同水质特点，提高处理效率。例如，在第一阶段通常采用好氧条件，有机物被氧化成二氧化碳和水；而在第二阶段通常采用厌氧或缺氧条件，进行氮的硝化和反硝化［8］。这样的处理方式在提高处理效能的同时，减少了对氮源和有机物的过量利用。

3.3 光伏发电技术

光伏发电技术作为一种直接将太阳能转换为电能的可再生能源技术，在污水处理厂中的应用为环保和可持续发展提供了有力支持。在光伏发电系统中，通过安装光伏组件或建设光伏电站，太阳能光伏板将阳光转化为直流电能。随后，逆变器将直流电能转换为交流电能，供电给污水处理设备。通过减少对电网的依赖，污水处理厂可以降低能源采购成本。其次，光伏发电技术的使用可以减少碳排放，有助于实现低碳环保目标。这符合社会对于环境友好型污水处理厂的期望，同时也有助于企业树立良好的社会形象。

4 结语

尽管资源回收策略在理论上表现出很大的潜力，但在实践中仍然面临着技术的成本效益、运营的可行性、废水处理厂规模的适应性等挑战。本文在研究内容上更加全面，考虑了多个层面的问题。在技术深度上，对污水处理能源回收方面提出了多种技术，如前端筛分COD技术、污泥高温厌氧消化技术等，展现了相对独特的技术深度。未来的研究应重点关注资源回收策略的实施效果，通过长期监测和评估，量化其对环境、经济和社会的影响。还需要深入研究技术成本、可行性和社会接受度等方面的问题，以促进这些策略的广泛应用。

参考文献：

［1］蒲麟鑫.重庆中心城区典型中型污水处理系统碳足迹综合评估［D］. 重庆：重庆交通大学， 2023.

［2］陈显峰，黄开，赵荣.基于碳减排理念的Q市某污水再生处理厂提标设计与运行［J］.净水技术，2022，41（9）：150-155，161.

［3］盛德洋，朱洁，安东璇.基于碳减排的污水厂污泥处理处置全流程最佳技术路线分析［J］.净水技术，2023，42（1）：75-82.

［4］林文聪，赵刚，刘伟.污水厂污泥典型处理处置工艺碳排放核算研究［J］.环境工程，2017，35（7）：175-179.

［5］高海霞.污水处理厂污水污泥处理碳减排路径分析［J］.清洗世界，2024，40（1）：14-16.

［6］王晨瑾.城镇污水处理厂污泥资源化利用技术［J］.清洗世界，2023，39（12）：121-123.

［7］李建涛.生活污水处理技术现存问题及方法研究［J］.化纤与纺织技术，2023，52（12）：66-68.

［8］刘洪涛，陈同斌，高定.污水厂污泥处理处置工艺碳排放比较［J］.建设科技，2010（19）：82-83.