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污水处理行业的碳排放有哪些?污水处理厂碳减排路径分析展望
阅读量:81 发表时间:2022-08-09

根据住房与城乡建设部发布的《中国城镇排水与污水处理状况公报:2006-2015》和《2015年城乡建设统计公报》显示,从2005年到2014年,城镇污水处理能力从不到7000万立方米/日增加到1.7亿立方米/日,增幅高达143%;城镇污水处理厂数量从1000座增加到4436座。城镇生活污水厂正常运转是削减生活污水污染的最主要的途径,生活污水和污泥处理过程含碳、氮污染物的降解转化会伴随着甲烷、氧化亚氮和二氧化碳等温室气体的产生和排放,并且废水处理设施需要消耗大量电力和化学药剂,不可避免的会产生大量的温室气体和消耗大量的能源。

传统污水处理实际上为“以能消能、污染转嫁”方式,碧水的同时未必是蓝天。确实,COD+O2→CO2+H2O的传统有机物去除方式是用能量(曝气)去摧毁能量(有机物),并且随着污水厂出水标准日益提高,其所需能源也将大幅提升,结果,污水处理有可能让水环境变干净,但因耗能导致的CO2等气体则会贡献温室气体。

据研究表明2015年全国整个污水处理行业(市政污水、农村生活污水、工业污水和畜禽与水产养殖废水)的碳排放总量为1.97亿吨CO2eq,占全国温室气体排放总量的1.71%。其中市政污水行业的碳排放强度稳定在0.92kgCO2eq/m3左右,若沿用当前的排放强度,我国市政污水行业将在2030年排放8316万吨CO2eq温室气体,整个污水行业将产生碳排放3.65亿吨CO2eq,占全国总排放量的2.95%。所以污水处理系统产生碳排放的量是巨大的,是我国碳排放的重要一环,为实现我国的“双碳”目标,污水处理厂的碳减排工作意义重大。

一、污水处理厂典型工艺

污水处理厂典型工艺为污水通过污水管网收集,然后泵送至污水处理厂进行处理。污水进入污水处理厂后先经过一级处理,去除污水中所含的固体和悬浮物;然后,经过生物处理去除大部分有机物和氮磷,并产生剩余污泥;为了达到严格的出水标准,常常采用三级处理以进一步去除氮磷。符合出水标准的出水将被排放到自然水体中,产生的污泥经浓缩、调质、脱水后,进行无害化处置。

其中污水处理的主体生物处理工艺中除了传统的活性污泥法(CAS),还包括厌氧-好氧工艺(AO)、厌氧-缺氧-好氧活性污泥法(AAO)、氧化沟工艺、序批式活性污泥法(SBR)、膜生物反应器(MBR)、曝气生物滤池(BAF)、生物膜法等。实践发现不同工艺的耦合可以得到更高质量的出水,比如AAO与生物膜法的耦合,AO与MBR的耦合,氧化沟工艺与BAF的耦合等等。

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污水处理过程会产生大量剩余污泥,一般污水厂将剩余污泥脱水后委外处理,常见污泥处理步骤为:重力沉淀,加入氯化铁、石灰或有机髙分子絮凝剂促进固液分离,最后使用带式压滤、板框压滤或离心脱水等技术进行脱水。脱水后的污泥进行无害化处置,国内外常用的污泥处置方法有卫生填埋、焚烧、建筑材料利用等。

二、污水处理行业的碳排放有哪些?

直接碳排放主要来自生物反应过程中CH4、N2O和CO2的逸散,间接碳排放主要是生产过程中电力、药剂等消耗

碳达峰碳中和影响着各行各业的神经,污水处理行业也不例外。论坛上,有专家指出,污水处理行业碳排放量占全社会碳排放总量的1%~2%。那么,污水处理厂的碳排放有哪些?

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中国人民大学低碳水环境技术研究中心主任王洪臣表示,在污水处理系统运行过程中,甲烷(CH4)、一氧化二氮(N2O)、电耗三个载体直接或间接产生的碳排放量大体相当。其中,CH4排放主要发生在化粪池、管道淤积、污水直接排放等情景,N2O排放主要发生在污水好氧处理过程和受纳水体,而电耗、物耗等产生的间接碳排放取决于污水处理厂的管理水平。

郑州新区污水处理厂厂长张艳介绍说,他们的污水处理厂碳排放主要分为直接碳排放和间接碳排放,而直接碳排放主要来自生物反应过程中CH4、N2O和CO2的逸散,间接碳排放主要是生产过程中电力消耗、药剂消耗等。

“直接碳排放主要受工艺选型影响,污水处理厂运行过程中控制更多的是间接碳排放部分。”张艳告诉记者,他们对间接碳排放环节进行分析后发现,碳排放量排在前三位的工艺环节分别是曝气系统、提升系统和回流(推流)系统,这三个系统是污水处理厂实现碳减排的关键环节。

北京城市排水集团有限责任公司(以下简称北京排水集团)副总经理张荣兵则指出,“十三五”时期,北京排水集团的间接碳排放99%来源于电力消耗,而电力消耗主要集中在污水处理、污泥处理和再生水供应板块,占北京排水集团碳排放总量的96.4%。

三、污水处理厂碳减排路径展望

从碳排放尺度而言,污水处理过程是一个高耗能行业,未来污水处理行业的碳减排首先应该从全局入手,在规划理念、工艺选择、运行管理的方案比选中引入“碳尺”概念,污水收集、输送、处理、处置全方位采用低碳技术,削减“碳源”,增加“碳汇”。所以未来污水厂“碳中和”目标的实现可以从两个方面进行,一是“开源”,即挖掘污水中潜在能量,例如从生化处理过程、污泥处理过程进行能量回收利用,探索能源自给模式可行性,从而降低能源损耗;二是“节流”,即通过技术革新、智能装备、工艺优化等方式降低电耗,从而降低碳排放。

国外工程实例

芬兰Kakola污水处理厂处理规模为10×104m3/d,为了实现低碳排放,Kakola热泵厂毗邻Kakola污水处理厂建设,利用出水余热,为图尔库地区的公共建筑和家庭供热/供冷。


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图3 芬兰Kakola污水处理厂

波兰一污水厂采用热电联产方式,实现发电1.02MWe、7700MWh/a、产热1.05MWt、28647GJ/a。利用生物质能源替代化石能源,是碳减排同时减少大气污染的重要途径之一。

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图4 波兰Poznan(波兹南)


日本岩手县以都南污水处理厂(处理能力195600m3/d)能源自给为目的,优化设备运转方式,降低电耗。具体措施为水泵避免转速过低和频繁启停,风机根据处理负荷选择最合适风量和最佳机型,搅拌器厌氧池和污泥储槽中的搅拌器间歇运行。以2015年为基准,2019年(试验后)电耗减少3.3%。

国内案例——污水处理概念厂


在深入研究了解国外先进污水处理厂理念、工艺、技术和工程实践的同时,中国学术界和产业界也在积极探索新的污水处理模式。2014年,中国工程院院士曲久辉等6位专家提出“建设面向未来的中国污水处理概念厂”的构想。污水处理概念厂将实现以下需求:

1出水水质满足水环境变化和水资源可持续循环利用;

2大幅提高污水处理厂能源自给率,在有适度外源有机废物协同处理的情况下,做到零能耗;

3追求物质合理循环,减少对外部化学品的依赖与消耗;

4感官舒适、建筑和谐、环境互通、社区友好。

2020年4月,宜兴概念厂正式破土动工,于2021年全部建成投运。宜兴概念厂采用水质净化中心、有机质协同处理中心和生产型研发中心“三位一体”生态综合体“构造肌理”,颠覆了传统污水厂形态,将示范污水处理厂从污染物削减基本功能扩展至城市能源工厂、水源工厂、肥料工厂等多种应用场景。该厂的投运,将引领“污水是资源,污水厂是资源工厂”的新环保理念,将重新诠释污水厂和城市的关系,打造出生态、生活、生产“三生”融合一体、开放共享的新型城市空间。

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图6 宜兴概念厂


综上所述,未来污水处理行业碳减排应该借鉴各类经验,采用全生命周期管理理念,从污水厂建设初期关注工艺、技术、装备、循环经济;运营过程提高综合能效、减少物料消耗,实现低碳运行;以碳减排思路建立碳排放监管体系,为实现我国未来污水处理行业碳中和、碳减排奠定扎实基础。