污水处理碳中和运行技术研究
时间：2023-06-07 16:40:16 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
文／尉迟佶佼、魏国荣 榆林市污水处理厂 陕西榆林 719000
污水处理厂作为公认的温室气体主要排放源之一，目前正处于由“达标排放”向着可持续方向进行发展的过程中，碳中和运行是污水处理厂发展过程的核心内容。基于污水处理厂的实际情况，采取恰当的碳中和运行技术，不仅可以降低污水处理厂的碳排放总量，而且有助于促进污水处理厂低碳运行的实现，最终实现碳中和的发展目标。
碳中和是节能减排术语，是指国家、企业、产品、活动或个人在一定时间内直接或间接产生的二氧化碳或温室气体排放总量，通过植树造林、节能减排等形式，以抵消自身产生的二氧化碳或温室气体排放量，实现正负抵消，达到相对“零排放”。当下所进行的人为参与的补偿式的碳平衡处理，可以分为2种不同的形式：（1）可以让一些再生能源物质，进行循环利用处理，同时替代一些不可再生的能源碳排放流程。（2）是购买一些其他企业的碳排放额度，这样就可以形成一个大体上的能量平衡关系。但是，对于污水处理的工作而言，由于处理量比较大，其具备的特殊性，导致实际处理过程中能耗较大，进而导致碳排放也比较严重。因此，在日常进行处理的过程中，基于碳中和的理念，需要进行处理流程的绿色环保，以此保障实现污水处理碳中和，可以控制能耗量。
2.1 淤泥资源化利用
在污水处理活动中，淤泥属于常见的副产物，以往在对污水进行无害化处理时，多采用活性污泥法进行处理，这也是一种集中处理大量污泥的技术手段。但是污泥中含有数量众多的有机质，这些有机质如果在前期处理中没有得到可靠处理，也将直接影响到水体环境的安全性。基于此，在碳中和目标下也需要做好污泥的再利用，对其中存在的内部能量进行积极 获取，随后将其融入到燃料制造活动中，使其可以作为一种清洁能源进行再次利用。在具体的处理活动中，为了确保处理后的污泥质量，一般会利用超声波破碎的方法来处理污泥，这样也可以产生大量气体（主要以CH4为主），将其通入到燃烧系统中进行再次利用，以提高燃烧结果的可靠性。另外，在污泥处理活动中也会采用水泥窑与焚烧相结合的方法进行处理，这样也可以顺利分解污泥中有机物，最大限度地发挥其应用价值。
2.2 污水资源化利用
在污水处理活动中，会经过曝气、有氧、无氧等多个环节，过程中也会产生较多余热，而且污水也具备了良好的再利用价值。在对污水进行综合化处理时，可以对污水的余热进行二次利用，将污水中余热用于当地生活供热，这样也可以提高污水资源余热的利用效率，从而使碳补偿能力得到有效提升。在污水处理活动中，也会利用污水再生技术对水资源进行净化处理，处理过的污水也可以重复利用到农田灌溉、道路绿化浇灌、工业生产等领域，从而减少了水资源浪费，提高了水资源的利用效率。
2.3 自然能源利用
基于以往的实践经验，污水处理厂在修建时一般会将其建设在远离城镇中心的郊区，而且也会占用到大量的土地资源。基于此，为了确保运行活动中能量损耗处于较低状态，在污水处理厂的建设中需要做好新能源应用，如风能、太阳能等，从而减少传统能源的消耗量，提高已有能源的利用效率。例如，目前许多污水处理厂在屋顶设置光伏太阳能电池板，产生的电能会作为辅助电源供给污水处理厂的照明系统、各类设备，以此来减少传统电能的损耗，对于“碳中和”目标的实现有着积极意义。
3.1 “碳捕捉”技术
3.1.1 HRAS技术
HRAS技术（即高负荷活性污泥工艺）在应用中具有水力停留时间较短、污泥停留时间较短、污泥负荷较高等优势，技术在应用中的操作原理（如图1所示）。该工艺在具体应用中的步骤如下：（1）污水中的高活性污泥可以对各种类型的COD（包括溶解性COD、颗粒性COD和胶体状COD）进行回收，根据统计资料显示，COD的回收率可以达到70%-75%。（2）固定后的COD也会经过过滤、曝气等处理后，在沉淀池中进行沉淀处理，从而让清水和污泥顺利完成分层，上层清水进行消毒处理后可以直接排放到外界，而沉淀的污泥除了用于碳存储外，剩余部分也会回流到池中进行再次利用，从而实现循环利用。HRAS工艺在使用中，能够顺利提高能源产能，而且在应用中也可以降低综合成本支出，具有良好的使用和推广价值。
图1 HRAS技术应用原理示意图
CEPT技术（即化学强化一级处理工艺）在应用中具有污泥停留时间较短、有机物处理效率较高、产生的淤泥容易处理等优势。该工艺在具体应用中的步骤如下：（1）污水中存在较多的有机污染物，输入到生化池后利用化学混凝的方式将其中的有机物去除干净，同时在处理中也可以对各种类型的COD（包括溶解性COD、颗粒性COD和胶体状COD）进行捕获，根据统计资料显示，COD的捕获效率可达75%。（2）处理后的污水会流入到下一个生化池，该生化池则是对污泥中的剩余污染物进行处理，可利用三氯化铁作为主要处理物，从而将BOD5捕获率控制在65%-70%，减少处理过程中的碳排放量。CEPT工艺在使用中，能够对COD进行持续捕获，而且在应用中也可以提高易降解有机物含量，这样也有利于能源的顺利回收，具有良好的应用价值。
3.1.3 膜分离工艺
膜分离工艺在应用中具有污泥停留时间非常短、有机物处理效率高等应用优势。该工艺在具体应用中的“碳捕捉”原理是依托高负荷膜生物反应器来对污水中的COD进行回收，平均回收率可达85%。在实际应用中，水力停留时间在0.7h左右，而污泥停留时间在0.5-1.0d，整个过程中可以将结构的矿化率控制在10%以内，以此来提高碳物质的回收率。也可以使用厌氧膜生物反应器来处理污水，此反应器对污水中COD的平均回收率可达90%，同时CH4的回收率也将会超过50%，具备了良好的应用价值。
3.1.4 微筛工艺
微筛工艺在具体应用中的“碳捕捉”原理是依托精细过滤装置（孔隙不超过100μm）对污水中的溶解性COD、颗粒性COD和胶体状COD进行回收，以此来降低污水中杂质逸散速度，具备了良好的应用价值。总结以往的应用经验，在实际应用中对比空白组，总的化学需氧量去除率可达到70%，而溶解性COD的回收率则达到了83%，CH4产生量达到了135L/kg，拥有着良好的应用价值。
综上所述，在实际应用中只是利用单一工艺，并不能达到预期的捕捉效果。因此在具体应用中可以使用两种及两种以上的工艺来进行碳捕捉，也可以达到最佳效能，满足相应的使用要求。
3.2 能源回收技术
3.2.1 AD-CHP技术
2.1.4 学生乐于参与社会实践，做兼职的学生较多问卷表明，约88%的学生都有过社会兼职工作经历，主要做的工作按选项比例高低排序为：营销、家教、餐饮服务、清洁工等。少数学生在寒暑假期间，能够帮助家长做家务、干农活或做些社会兼职工作。多数学生在校学习期间，都参加过志愿者活动或公益劳动，这些经历和活动都有益于学生的成长。
AD-CHP技术（即厌氧消化-热电联产技术）在应用中具有CH4产量较高、处理效率较高等优势。该工艺在应用中的原理在于，将污泥捕捉作为主要手段，对污泥进行处理后可以产生CH4，随后借助热电联产技术来进行能源回收，从而达到资源多元化利用的目的。在该技术的应用中，会搭配“碳捕捉”技术进行使用，例如，HRAS技术和AD-CHP技术联合在一起进行使用，CH4产量将是传统处理方法的1.5倍，具有良好的应用价值。
3.2.2 热能回收技术
总结以往处理经验可以得知，污水具有较强的余温热能，这些能量也是污水化学能的3.0-4.0倍，其占比城市废热排放总量的10%-35%，这些热量若能进行有效转换，也可以起到缓解传统能源损耗过大的作用，以此来提高资源利用率的作用。在具体的处理活动中，多利用污水源热泵技术来进行能源回收，该技术的应用流程（如图2所示）。该技术在应用中，会将污水源热泵作为主要的工作载体，利用污水流量稳定性强的特征，对低位热能进行有效回收，并且作为清洁能源进行使用，以达到良好的应用效果。但是在应用中，污水中的热能作为低品位能源，为了减少回收后热量的逸散，会将热量回收距离控制在较小范围内，即有效输送半径会控制在3.0-4.5km，这也意味着所回收的能量只会向周围建筑、工业区进行供冷或者供热，较远距离则不具有应用价值。另外，根据已有统计数据显示，该技术的应用能够有效回收污水中的热能，碳中和运行比例超过了465.35%，对于提高能源利用效率，减少污水处理厂碳排放量有着积极作用。
图2 污水源热泵技术流程示意图
3.2.3 太阳能回收技术
从目前清洁能源使用情况来看，太阳能作为应用较早的可再生资源，基于太阳能进行发电能够提升污水处理厂的能源自给率，减少传统能源的损耗量。该技术在具体应用中，可以在建筑物（如清水池、沉淀池等）顶部铺设太阳能电池板，将太阳能转换为电能，供给污水处理厂照明系统、各类设备，若电能富余量较多，也可以作为辅助能源供给周围区域进行使用，以此提高资源利用率。例如，某污水处理厂在生化池顶部铺设太阳能电池板，其年平均发电量在1×109kW·h，可以替代该污水处理厂20%-25%的能源。需要注意的是，太阳能回收技术在应用中的一次性投资量较大，并且后期所需要投入的维护成本较高，一般情况下多应用在建设面积较大、建设资金比较充足的污水处理厂。
3.2.4 风能回收技术
从目前清洁能源使用情况来看，风能也是经常使用到的可再生资源，基于风能进行发电可以提升污水处理厂的能源自给率，大幅度降低传统能源的损耗量。该技术在具体应用中，可以在污水处理厂附近风力充足区域建立风机，将风能转换为电能，供给污水处理厂照明系统、各类设备，若电能富余量较多，也会作为辅助能源供给周围区域进行使用，以此来降低传统能源的损耗量，充分发挥清洁能源的利用价值。例如，某污水处理厂位于海拔较高、风力较为充足的区域，建立风机设备，其年平均发电量在1.3×109kW·h，可以替代该污水处理厂10%-30%的能源。需要注意的是，风能回收技术在应用中也具备了一次性投资量较大，后期维护成本较高等特征，但是所能带来的综合效益较高，适用于一些大型污水处理厂。
3.3 二级处理技术
3.3.1 可持续脱氮技术
3.3.2 反硝化除磷技术
除上述提到相关技术外，在实际应用中反硝化除磷技术也具备了良好的应用价值。在该技术的具体应用中，会利用兼性反硝化聚磷菌和相关内容关联在一起，从而起到了同步去除污水中氮磷元素的作用。在施工技术应用过程中，细胞中的储能物质PHA会成为整个处理过程中的主要碳源，而且该碳源在使用中也会作为去磷过程的碳源，以此达到“一碳两用”的目的。相较于传统的脱氮除磷工艺，新工艺在应用中具有较高的使用价值，可以节省50%-60%的COD，以及30%-50%的O2，这样也可以降低50%的剩余污泥量，具有良好的使用价值。另外，在该工艺的应用过程中，将NO-2作为主要的电子受体，将整个反硝化除磷过程控制在NO-2阶段，这样也可以直接将NH+4氧化成N2，整个过程也可以减少30%的曝气量，并且对于氮元素和磷元素的去除效率均超过83.23%，起到了良好的处理效果[1]。例如，某污水处理厂进水总磷质量浓度在6.8mg/L，氮磷比例为8.5，在该工艺的应用下，处理后的污水中总磷浓度为0.7mg/L，而总氮浓度为8.7mg/L，在应用中具有良好的处理效果。
4.1 案例概述
某污水处理厂于2012年3月16日投入使用，该地区政府计划到2030年全面实现碳中和目标，并且在此过程中也会不断提升再生资源的应用比例，将新能源应用和热能关联在一起，使污水处理厂顺利转型为“能源工厂”，而且发展中区域可再生资源供热比例也增长到35%，以满足相应的使用要求[2]。
4.2 改造效果整理
4.2.1 污泥产沼气情况
该污水处理厂在未改进之前，采用了传统的A/O工艺，生产过程中产生的剩余污泥会进入到初沉池中，用于吸附部分COD，最后和初沉污泥混合在一起排放到外界，并且在无害化处理、堆肥处理、发酵处理后，将产生的沼气利用热电联技术将其转换为污水处理厂的供暖和制冷电力，减少传统资源损耗。另外一部分污泥也会加工成肥料或者土地改良剂进行再次利用，以达到相应的处理效果[3]。经过核算处理后，在沼气的生产过程中所产生的能量为20.6GW·h/a，在实际应用中能够满足污泥处理、搅拌、运输等过程的能源损耗，而且还存在一定量的盈余供给其他设备使用，以此来实现资源回收目标。
4.2.2 碳排放情况
在污水处理厂的运营中引入污水源热泵技术，对于污水处理厂的余热进行了回收再利用。根据统计资料显示，每年的制热输出总量超过了2.35×108kW·h，能够为当地超过14000户家庭提供供暖，同时制冷输出量为2.1×107kW·h，满足当地70%的制冷需求，这样每年也可以减少9.3万t的碳排放量，从而达到预期的技能效果。在改造处理后，所能够回收的能源总量达到了36.12GW·h/a，具备了良好的应用价值。并且所回收的余温热能也是产生能量的重要来源，在应用中占据了80%的产能，顺利实现了能源中和这一目标，碳中和率超过了300%，具有良好的应用价值[4]。
综上所述，在污水处理过程中，碳中和运行技术具备良好的应用价值，在宏观层面上进行污水处理厂低碳改造，可以从曝气系统改造、合理回流等环节展开控制，以此减少污水处理能耗问题。从微观层面上进行污水处理厂低碳改造，可以从“低碳”潜能工艺展开优化，如积极开发风能、太阳能等新能源、优化硝化反硝化工艺等，从而提高污水处理厂运行环境的碳中和水平。在未来发展过程中，也需要做好新工艺开发、设备优化等工作，不断优化污水处理技术水平，提高污水处理效率。
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