全球變暖導致極端天氣事件頻發、生態系統退化是人類當今面臨的最大挑戰之一。在這樣的背景下，國際社會積極采取行動，應對氣候變化。2020 年 12月 12 日，國家主席習近平在紀念《巴黎協定》簽訂 5 周年的氣候雄心峰會上發表“繼往開來，開啟全球應對氣候變化新征程”的重要講話，承諾到 2030 年，中國單位國內生產總值二氧化碳排放將比 2005 年下降 65%以上，努力爭取 2060年前實現“碳中和”。這是中國致力于自身生態文明建設的戰略舉措，也是中國愿為人類社會發展做出新貢獻的重大宣示。
要實現這一目標，需要每個行業都積極行動以降低碳排放。以國家經開區、國家高新區為代表的國家園區是區域經濟發展的重要引擎，應率先將“低碳”貫穿到園區經濟發展理念、發展方式、產業結構、增長動力、效益評價等各個方面和環節之中。污水處理作為重要的碳排放行業之一，亟需系統全面地開展碳減排工作。一方面，近年來由于我國工業化進程的加速，相對于市政污水，各類園區污水成分復雜，污染物濃度高，并含有各類難降解、難處理的污染成分，使得當前園區污水減污降碳處理成為高能耗行業，高能耗將導致大量間接碳排放。另一方面，污水處理過程中會產生并逸散大量 CH4 和 N2O，據美國 EPA 預測，到 2030年，全球污水處理 CH4 和 N2O 逸散量將分別超過 6 億噸和 1 億噸二氧化碳當量，是重要的碳排放源，約占非二氧化碳總排放量的 4.5%，園區污水處理廠的直接碳排放量也不容忽視。由此可見在國家園區開展污水集中處理設施減污降碳工作大有可為也必將大有作為。
在污水處理系統運行過程中，溫室氣體直接和間接產生的碳排放量大體相當。作為經濟社會發展的排頭兵，近年來一些國家園區的污水處理廠在可行的條件下先行先試，探索污水處理溫室氣體直接排放碳減排、間接排放碳減排，能量回收利用等方式實現碳減排，取得了初步成效。
(一)直接排放碳減排
相關研究表明，國家園區產生的污水中，有機物、氮素含量高于一般水平，因此見著污水處理中的直接碳排放，成為了國家園區減污降碳的關鍵。污水處理直接碳排放主要為處理過程中在現場直接向大氣中排放的甲烷和一氧化二氮。
甲烷的排放主要源于有機物的厭氧分解。污泥填埋場、化糞池、厭氧水解池，管理不善的初沉池、曝氣池和堆肥場都是重要的排放源。污泥焚燒也產生一定量的甲烷。另外，污泥處理處置過程中的溢出、沼氣系統的泄露及不完全燃燒也都導致甲烷的排放。
一氧化二氮的排放主要源于氮素的生物轉化過程。最初認為生物脫氮系統的反硝化單元是主要的一氧化二氮，后來發現硝化過程一氧化二氮的排放量遠高于反硝化排放。在碳減排實踐中，污水處理廠出水排入受納水體后進行的天然硝化反硝化也被認為是重要的排放源。當脫氮效果較差時，受納水體中的天然硝化反硝化將成為主要的排放源。另外，污泥填埋、土地利用、生物堆肥以及沼氣燃燒等過程也存在一氧化二氮排放。
國家園區污水集中處理設施減少溫室氣體直接排放一是減少污水處理系統厭氧環境，如逐步取消化糞池、減少管道淤積等；二是將 N2O 納入生物處理控制體系；三是提高精細化管理水平，減少直接碳排放量。
(二) 間接排放碳減排
國家園區污水處理量大，如果出現設備不匹配、負載不適當、調整不及時等問題，會產生大量的間接碳排放。間接排放是指污水處理所消耗的能量和物料的生產過程中在其生產場地發生的碳排放。污水處理消耗的能量包括電耗、燃料、熱蒸汽等，主要用于污水和污泥的輸送、混合、供氧、污泥脫水等設備運行。消耗的物料包括各種無機或有機化學藥劑如外加碳源、除磷藥劑、污泥脫水藥劑等。
污水處理間接排放碳減排可以通過以下途徑：一是采用高效機電設備，新建設施直接采購高效設備，已有設施逐步更新成高效設備；二是加強負載管理，滿足工藝要求的前提下要使負載降至最低，同時，設備配置要與實際荷載相匹配，避免“大馬拉小車”；三是建立需求響應機制，根據實際工況的需求及其變化，動態調整設備的運行狀態。
1.采用高效機電設備
國家園區污水處理工作起步較早，現階段，部分國家園區的污水處理設施出現老化的情況，主要表現為機電設備的老化。污水處理機電設備主要包括水力輸送、混合攪拌和鼓風曝氣三大類。采用高效電機是這些設備具有較高機械效率的前提，目前污水行業的水力輸送和攪拌設備均已經出現具備 IE4 能效水平的高效電機，采用高效電機通常可實現 5%-10%的效率提高。
水力輸送設備的水力端設計是關鍵，水力端需具備無堵塞?持續高效的特點，無堵塞技術可避免通道容量減少降低效率或長期超負荷運行燒毀電機。持續高效可確保電機長期高效運行，先進的水力端設計可以實現水力輸送設備全生命周期節省 7%-25%的能耗，而且介質條件越惡劣，其節能效果相對會越明顯。
混合攪拌設備的水力端設計同樣關鍵，采用后掠式葉片設計可以提供額外的自清潔功能，使攪拌器具有良好的抗纏繞性能，從而避免攪拌效率降低甚至燒毀電機的風險。
鼓風曝氣包括鼓風機和曝氣器兩部分。容積式鼓風機雖然購置費用較低，但機械效率很低，應盡量避免采用。單級高速離心式鼓風機效率很高，且技術進步很快，采用空氣懸浮或磁懸浮等高速無齒技術，可使電機與風機實現“零摩擦”驅動，實現超高速運行，顯著提高機械綜合效率及效益。不同材質不同結構形式的曝氣器氧傳質性能差別很大，采用抗撕裂、抗老化、壽命長的新型高分子聚氨酯材料以及超微孔結構設計的曝氣產品具有充氧性能高、運行穩定和調節品質好的特征。另外，混合曝氣、逆流曝氣、限制性曝氣、全布曝氣都是可以采用的高效曝氣形式。在進行曝氣器數量的選擇時應綜合考慮水廠水質水量波動情況和鼓風機性能參數，使其在最優單頭通氣量范圍內工作，也可明顯提高充氧性能。
2. 加強負載管理
國家園區發展較快，相較于其他區域，污水處理增量多，部分國家園區污水處理設施的負載難以跟上快速增長的污水量，加強負載管理很有必要。污水提升以及污泥回流等單元的水力輸送設備常由于流量級配不合理、揚程選擇偏大，使設備絕大部分時段在低效工況運行，應予以改造。
由于擔心污泥沉積，混合攪拌設備的設計攪拌功率同樣普遍偏大，實際處于過度攪拌狀態，導致電耗增加，準確把握攪拌器與介質之間力和能量的傳遞非常關鍵，而采用推力作為攪拌器的選型依據（ISO21630 標準），可以準確衡量實際工況所需攪拌器的大小，有效避免此類電耗的浪費。
隨著脫氮除磷要求的日益嚴格，污水處理過程需要攪拌器數量也越來越多，成為不容忽視的耗電環節。當設置潛流推進器時，優化推進器和曝氣系統的位置和距離，可以使系統的能量損失最小。當推進器距離上游曝氣器不小于一倍水深，并且推進器距離下游曝氣器不小于水深和廊道寬度的最大值時，推進器和曝氣系統最為穩定，能耗最低。高效的潛水推進器配合好氧池的池型優化設計，可以降低池內阻力損失、減少推進器的功率需求，實現能耗降低。曝氣系統的電耗約占污水處理總電耗的 50%-70%，是加強負載管理的重點。設計基于穩妥的目的，常使鼓風機風量級配不合理、出風壓力選擇偏大，使之絕大部分時段在低效工況運行。鼓風氣量偏大或曝氣器數量偏少都將導致單位曝氣器氣量過大，造成充氧轉移效率降低、阻力增大，降低能效。另外，曝氣器堵塞后如不能及時清洗，也會增加阻力損失，增大能耗。
3. 建立處理運行需求響應機制
國家園區的運行具有一定的周期性、季節性，準確把握規律，實現快速響應，對于國家園區的污水處理來說就顯得尤為重要。建立需求響應機制就是實現各單元以及全流程的優化運行。目前，污水行業已經出現感應式調速和線性調速的水力輸送和攪拌設備，此類設備內置智能控制系統，可以有效優化水力輸送和攪拌系統的整體運行情況，實現節能降耗。
高效的水力輸送設備內置專業為水力輸送系統設計的智能控制系統，可以自動進行設備自清洗，泵坑自清洗和管路自清洗，可以自動調節設備運行頻率達到系統的能耗最低點。額外的控制系統甚至可以優先啟動效率最高的水泵，可以根據整個輸送管網的波峰波谷自動切換控制模式，從而發揮泵站的蓄水能力，減少對管網的沖擊，使輸送泵站與水廠協同運行。
混合攪拌設備內置智能控制系統可實現攪拌器推力可調，當由于工況變化所需推力降低時，攪拌器通過降低轉速滿足工況需求，同時節省能耗；當所需推力升高時，攪拌器通過提高轉速滿足工況需求，避免設備增加或更換。
采用內置智能控制系統的水力輸送設備和攪拌器，在特定工況條件下，與傳統設備相比，甚至可以節省 50%以上的能耗。
目前，前饋、反饋、前饋-反饋耦合等各種不同控制品質的曝氣控制器和控制策略已較成熟，可以實現按需供氧，避免不必要的電耗。先進的曝氣控制系統可在滿足處理要求的前提下將鼓風曝氣量動態降至最低，大幅度降低能耗，同時還能提高曝氣器的氧利用率。設置高效推進器潛流推進器，使池內介質保持一定的流速，可在滿足工藝實際需的前提下進一步降低鼓風曝氣量時，避免混合液發生沉積。另外，介質保持一定的流速，可使氣泡在水中有更長的停留時間，進一步提高系統的氧轉移效率。應定期調節污泥回流比，在滿足污泥回流量的前提下，使之降至最低，實現節能降耗的同時提高出水水質。通過微波含固量在線測定技術，可以實現污泥脫水單元加藥量的前饋或反饋控制，降低絮凝劑的消耗量，減少間接碳排放。
(三)物料和能量回收利用
國家園區作為走在經濟社會發展前列的區域，探索開展物料和能量回收利用，不僅能夠達到污水處理減污降碳的的目的，還可以有效彌補能源缺口，實現可持續發展和綠色轉型。
1. 污水熱能利用
國家園區往往產業、生活緊密聯系，某些污水處理廠嘗試進行污水熱能利用，實現直接的熱能利用。我國對于污水源熱泵的探究起步較晚，通過近些年的研究與發展，國內已建成多個污水源熱泵系統并投入使用。污水源熱泵充分利用污水水溫恒定的特點，能夠從污水中高效提取熱量，制冷及制熱系數可達 3.5～4.4，可在穩定供暖制冷的同時，降低用電量，實現污水熱能的開發利用。
2.污泥厭氧消化利用
國家園區的生活、生產用氣需求旺盛，進行污泥厭氧消化并產生可燃氣體，在燃氣管網較為發達的國家園區具有廣泛前景。污水中蘊含著大量的能量，理論上是處理污水所需能量的很多倍。污水經處理后，其中的能量大部分轉移到了污泥中，因此開發回收污泥中的能量具有極大的潛力。污泥能源化主要集中在厭氧方向，污泥厭氧能源化包括厭氧發酵產乙醇、厭氧發酵產氫和厭氧消化產甲烷三個技術路徑。產乙醇技術雖然成熟，但能源轉化率較低。產氫技術目前仍存在反應器放大的困難，制約生產性應用。實踐中普遍采用的是厭氧消化技術。傳統厭氧消化技術能源轉化率在 30%-40%，而高級厭氧消化技術可提高到 50%-60%。高級厭氧消化技術包括高溫厭氧消化、溫度分級厭氧消化和酸-氣兩相厭氧消化。污泥預處理技術近年來進展較快，具體包括熱水解、超聲細胞破碎、微波細胞破碎、生物酶水解、聚焦電脈沖和化學細胞破碎等技術，目前應用較多的是熱水解技術，這些預處理技術可使厭氧消化的能源轉化率進一步提高。傳統厭氧消化技術可使污水處理實現 20%-30%的能源自給率，預處理、高級厭氧消化、渦輪發動機或燃料電池以及熱電聯產等技術的耦合使用，有望使污水處理實現30%-50%的能源自給率，既大大降低間接碳排放量，又降低甲烷產生并逸散導致的直接排放。污泥厭氧消化過程的碳排放量相對較低，且具備實現負碳排放的可能。污泥厭氧消化耦合沼氣熱電聯產項目，可以實現熱、電兩種能源的回收利用，提高能源利用效率。目前我國污泥熱電聯產已應用在多個項目上，并取得了明顯的碳減排效果。由于我國工業園區污水處理廠進水濃度相對較低、污泥含沙量大，目前厭氧消化工藝在整個污泥處理處置中占比較低。隨著深化污染防治攻堅戰和碳減排政策的逐步推進，污泥中的有機物濃度將逐漸提高，厭氧消化后的沼氣可轉化為熱能，實現能源自給并對外輸出，是實現污水處理行業減污降碳協同增效的重要途徑。
3. 污泥焚燒熱能利用
某些國家園區污水處理廠污泥外運不變，采用環保達標的設施，進行污泥焚燒，減少污泥外運數量，充分利用污泥燃燒產生的熱能。污泥焚燒熱能利用，即采用專用焚燒爐進行污泥獨立焚燒，污泥在焚燒過程中產生的煙氣熱量在尾部煙道中通過空氣預熱器和省煤器分別加熱燃燒所需空氣以及干化所需的導熱油，以達到熱能利用的目的，同時污泥焚燒的余熱還可進行發電。
4.光伏發電
國家園區的土地成本較高，利用污水處理設施占地較大的特點，試點開展光伏發電，也是一條有益的減污降碳路徑。污水處理作為高耗能行業，光伏發電系統在污水處理廠的應用對緩解污水處理廠高耗能問題具有重要意義。目前，我國污水處理廠與光伏發電項目的結合尚處于發展階段，部分園區已在探索利用污水處理廠的初沉池、曝氣池、膜池、清水池等構筑物上方空間安裝光伏發電設備，以實現削峰填谷、清潔發電。
國家園區污水處理領域減污降碳是一項系統性工作，同時具有一定的試點性，綜合提出相應對策，有利于推動國家園區的高質量發展。污水處理領域碳減排與能源交通等其他行業相比，減排成本較低，可以低成本為國家增加碳匯?！耙愿吣芎母呶锖臑榛A的優質出水”以及由此帶來的“減排水污染物，增排溫室氣體”局面不利于污水處理行業的健康發展，因此提出以下園區污水處理領域碳減排對策。
(一) 開展園區碳排放核算與碳減排工藝研究
科學認識工業園區能源消費結構和碳排放特征。園區作為一個較為強大的經濟獨立載體，其環境統計數據也是需要管理污染物排放，有效管理以二氧化碳為首的導致溫室效應的氣體，建設園區的核心建設數據體系。完善碳排放基礎數據，明晰碳排放現狀與特征，建立起園區碳排放核算方法。有效推動工業園區的降碳與減少溫室氣體的協同發展工作，發揮園區產業鏈共享能源以及污染物治理的獨特優勢，建設良好的產業鏈，實現經濟與能源一體化的目標。
理論是行動的先導，國家園區減污降碳具有先行先試的特點，需要從理論上進行突破并開展好試點。基于有機污染物去除的可持續污水處理新工藝主要是厭氧處理技術，能耗低，且可回收能源。高濃度有機廢水的厭氧技術已成熟，但某些園區污水有機物濃度低，厭氧處理存在投資大和占地大等障礙。目前，污水厭氧處理方向研究的熱點是厭氧膜生物反應器AnMBR，與傳統厭氧工藝相比，可大幅度減少占地，但技術成熟度離生產性應用尚存在差距。
另一類可持續污水處理工藝是低能耗、低碳源消耗的脫氮工藝，有很多種類，但主要包括基于短程反硝化原理的SHARON工藝和基于厭氧氨氧化的ANNAMOX/DEMON工藝。與傳統的AAO工藝相比，SHARON可節約25%的能耗、40%的碳源消耗，而ANNAMOX 工藝可節約60%的能耗、90%的碳源消耗。目前，SHARON 和ANNAMOX 在高濃度氨氮污水處理中已較成熟，在污泥回流液處理中已有一批成功案例。在園區污水處理上雖有進展，但離實際應用仍有差距。
未來革命性的可持續污水處理工藝方向是碳氮兩段法：首先對污水中的有機物進行分離，分離出的污泥通過厭氧消化產生 CH4，或對污水直接進行厭氧處理產能，分離后含有氨氮的污水通過主流厭氧氨氧化進行脫氮。按照 B. Kartal 等人的理論估算，采用現在的活性污泥法，處理 1 人口當量的污染物需要耗電 44瓦時，而采用上述碳氮兩段法，處理 1 人口當量的污染物將產生 24 瓦時能量，從而使污水處理廠真正成為“能源工廠”，且污泥產量僅為活性污泥法的四分之一。
目前，國際上已針對污水處理過程中碳排放機理和各種溫室氣體的碳排放系數開展了大量的研究。由于一氧化二氮的溫室效應潛能指數（Global WarmingPotential: GWP）高達 298 倍，其產生機理正在成為研究熱點。基于長效減碳，一些專家正在研究編制污水處理的未來低碳技術路線圖。一些國家基于大量檢測，提出了適于本地特點的排放系數。一些企業也正在投入精力開發污水處理節能降耗的新工藝、新技術及新設備。一批污水處理廠正在改造之中。我國在該領域的研究還處于較落后狀態，有的方向還處于空白，國家應及時規劃開展相關研究，為我國污水領域的碳減排奠定技術基礎。
(二) 開展污水處理廠的提效改造
我國工業園區污水處理廠總體能效物效較低，盡早、盡快開展污水處理廠提升改造是減污降碳的有效路徑。我國污水處理廠平均進水污染物濃度低、出水水質標準也不高，但單位水量能耗卻與美國相當。縣級污水處理廠的單位污染物能耗遠高于重點城市。隨著各地提標改造的實施，污水處理能耗將進一步增大。導致低能效的原因很多，但設施設備配置與實際運行狀況不能高效匹配、總體控制水平不高是重要原因之一。例如，污水提升泵組的級配與控制不能滿足實際水量變化，常使泵組運行在低效工況；鼓風機組與曝氣器組成的曝氣系統及其控制手段不能滿足高效曝氣的需要，使生物系統處于過曝氣狀態；污泥回流泵不適于大流量低揚程工況，泵組級配也無法實現回流量比無級調節，降低能效；攪拌系統設置不合理，處于過度攪拌；脫水系統無法自動控制投藥比，導致藥劑過度消耗。污水處理廠經過一段時間的運行后，總結實際運行規律，系統地進行提效改造，可以較大幅度降低能量及物料消耗，實現低碳運行。
(三) 基于低碳準則建設污泥處理處置設施
國家園區的污水處理設施如雨后春筍般快速發展，但是相關的配套設施還不完善，特別是污泥的處置，從技術、設施等方面，還有很長的路要走，按照低碳準則開展污泥處理迫在眉睫。隨著污水處理量的增加，污泥產量也越來越多，但是污泥有效處理處置率目前不足 10%，亟需建設大批處理處置設施。在確定污泥處理處置技術路線時，通常綜合建設投資、運營成本以及占地等因素選擇處理處置工藝。在碳減排形勢下，應將低碳準則納入工藝的評估體系，并對擬采用的技術進行生命周期分析（Life Cycle Assessment: LCA），避免高碳排放設施的建設，實現低碳污泥處理處置。在污泥穩定化處理技術中，強化預處理的高效厭氧消化及沼氣綜合利用、高溫好氧發酵等都屬于低碳技術。對于滿足要求的污泥，進行污泥農業利用是最佳的低碳處置途徑。由于污泥填埋將釋放大量甲烷，且排放周期很長，即使設置收集系統也難以有效收集。因此，填埋屬于高碳處置途徑，應盡量不予采用。當污泥的含水率高于 65%時，污泥干化焚燒系統難以實現熱量平衡，需要外加燃料，將產生化石燃料類二氧化碳排放。處于一些處置的需要，以50%-60%甚至更低的含水率為目標的深度脫水工藝，往往以大量物料消耗為代價，間接導致高碳排放，應予慎重選擇。
污水中蘊含著大量的能量，理論上是處理污水所需能量的近 10 倍。污水經處理后，其中的能量大部分轉移到了污泥中，因此開發回收污泥中的能量具有極大的潛力，已經成為國際上的一個熱點方向。在污泥處理處置設施的規劃建設中，應積極實踐各種能量回收技術，提高污水處理系統的能源自給率，進一步加大碳減排力度。
(四) 優化園區能源系統
綜合能源系統是未來園區能源系統的主要承載形式，隨著近年來我國可再生能源發電技術、智能電網技術、儲能技術、虛擬電廠技術、運行控制技術與人工智能領域（如大數據、機器學習、云計算等）的發展及應用，以初步具備開展綜合能源項目的條件。綜合能源系統設計一次能源與二次能源的整體傳輸、轉換、存儲與消費，需要分過程逐步實現。園區級綜合能源系統屬微型綜合能源系統，注重微網層面的多能協同運行，是當前階段研究重心，也是未來綜合能源系統的實現形式。園區污水集中處理設施也應當構建包含風力、光伏、各類儲能設備等在內的綜合能源運行優化調度方法與調控策略。同時，注意開展低位熱源的綜合利用，實現節能降耗，控制間接排放。
(五) 建立低碳評價及管理體系
國家園區不僅要在技術、設施上滿足減污低碳的要求，更要探索出一條可復制、可推廣的管理評價體系，在制度上走在前列。應研究分析我國各地區代表性污水處理廠污水與污泥處理處置過程中輸移、混合、曝氣、擠壓、分離、烘干、燃燒等環節的能耗物耗規律及影響能效物效的因素，提出各處理單元的能耗物耗基準；研究各地區代表性污水處理廠污水與污泥處理處置過程碳排放水平及規律，提出各處理單元的碳排放基準。在此基礎上，形成涵蓋各種典型工藝在不同條件下的能效物效評價體系以及碳排放評價體系。
應通過試點等方式，逐步開展園區污水處理廠全面能量與物料平衡以及碳減排檢測計算等工作，逐步形成碳排放報告制度。通過建立監管與考核機制，定期評價污水處理廠的能效物效以及綜合碳排放狀況，形成園區污水處理行業碳減排管理體系。
應定期全面分析評價全行業的能效物效狀況，參考國際先進標準及水平，提出行業總體能效物效及碳減排目標。應結合各地特征及客觀狀況，研究提出實現能效物效及碳減排目標的技術與管理策略。
文章轉載自 江蘇南大華興環保科技股份公司，如有侵權，可聯系我們刪除
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