污水處理領(lǐng)域的碳減排如何做？

導(dǎo) 讀

 

污水處理碳排放包括間接排放和直接排放。

 

污水處理是社會(huì)中較小的行業(yè)，但屬于能源密集型行業(yè)，美國(guó)、德國(guó)、日本等國(guó)家污水處理行業(yè)電耗占全社會(huì)總電耗的1%左右，高能耗導(dǎo)致大量間接碳排放。

 

污水處理過(guò)程會(huì)產(chǎn)生并逸散大量CH4和N2O，是重要的直接碳排放源。

 

據(jù)歐洲統(tǒng)計(jì)辦公室2014年歐洲統(tǒng)計(jì)報(bào)告，污水處理與固體廢棄物處理組成的廢物處理行業(yè)是第五大碳排放行業(yè)，占全社會(huì)總碳排放量的3.3%。

 

美國(guó)EPA統(tǒng)計(jì)預(yù)測(cè)，全球污水行業(yè)2015年CH4和N2O逸散量分別為5.4億t 和0.9億t CO2當(dāng)量，預(yù)測(cè)2020年將分別達(dá)到5.65億t和0.94億t CO2當(dāng)量，2030年將分別超過(guò)6億t 和1億t CO2當(dāng)量，約占非CO2總排放量的4.5%。

 

總體上，污水處理行業(yè)碳排放量占全社會(huì)總排放量的1%～2%。

 

而碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)的提出，對(duì)“十四五”水污染防治工作也將產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。

 

首先中國(guó)很多地方缺水，而污水治理達(dá)標(biāo)后又白白排放掉了，非?？上?。如果把這些再生水循環(huán)利用起來(lái)，對(duì)每一個(gè)城市來(lái)講就都是一個(gè)巨大的穩(wěn)定的水源，在確保安全的前提下可以利用起來(lái)。

 

一方面，這樣可以減少污染源的排放；另一方面，也可以減少碳的排放，因?yàn)檫@些水的回用就意味著處理過(guò)程的能耗、藥耗省掉了。

 

按照國(guó)際經(jīng)驗(yàn)，采用高效的設(shè)備，對(duì)水廠運(yùn)行過(guò)程進(jìn)行優(yōu)化控制，電耗可降低20-50%，則進(jìn)行水廠的提效改造可節(jié)省耗電量為28-70億kWh，相當(dāng)于減少排放CO2e 279-698萬(wàn)t/a，產(chǎn)生效益約為22.4-56 億元人民幣。

 

目前我國(guó)污水處理廠在運(yùn)行過(guò)程中，既有由于運(yùn)行調(diào)控的不合理以及管理不當(dāng)所導(dǎo)致的能源浪費(fèi)，也有各處理單元設(shè)備效率低下造成的碳排放量過(guò)高。

 

對(duì)于中國(guó)污水處理廠的低碳運(yùn)行有兩個(gè)方面需要重視：一是基于全生命周期的碳排放量低，主要面向污水處理過(guò)程中所用的構(gòu)筑物、產(chǎn)品或服務(wù)；另一種是終端消耗的碳排放量低，需要關(guān)注處理電耗、藥耗以及運(yùn)營(yíng)過(guò)程中的節(jié)能減排。

 

1. 提高污水處理綜合能效 　　

 

第一，采用高效機(jī)電設(shè)備，新建設(shè)施直接采購(gòu)高效設(shè)備，已有設(shè)施逐步更新成高效設(shè)備。污水處理機(jī)電設(shè)備主要包括水力輸送、混合攪拌和鼓風(fēng)曝氣三大類(lèi)。采用高效電機(jī)通常可實(shí)現(xiàn)5-10%的效率提高。

 

第二，加強(qiáng)負(fù)載管理，滿足工藝要求的前提下要使負(fù)載降至最低，同時(shí)，設(shè)備配置要與實(shí)際荷載相匹配，避免“大馬拉小車(chē)”。

 

主要包括以下幾個(gè)方面：① 污水提升以及污泥回流等單元的水力輸送設(shè)備絕大部分時(shí)段在低效工況運(yùn)行，應(yīng)予以改造。②污泥混合攪拌設(shè)備的設(shè)計(jì)攪拌功率普遍偏大，處于過(guò)度攪拌狀態(tài)，準(zhǔn)確把握攪拌器與介質(zhì)之間力和能量的傳遞關(guān)系，可以準(zhǔn)確衡量實(shí)際工況所需攪拌器的大小，有效避免電耗浪費(fèi)。③優(yōu)化推進(jìn)器和曝氣系統(tǒng)的位置和距離，可以使系統(tǒng)的能量損失最小。④ 曝氣系統(tǒng)的電耗約占污水處理總電耗的50-70%，是加強(qiáng)負(fù)載管理的重點(diǎn)。

 

第三，建立需求響應(yīng)機(jī)制，根據(jù)實(shí)際工況的需求及其變化，動(dòng)態(tài)調(diào)整設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)。目前污水行業(yè)已經(jīng)出現(xiàn)感應(yīng)式調(diào)速和線性調(diào)速的水力輸送和攪拌設(shè)備，此類(lèi)設(shè)備可以有效優(yōu)化水力輸送和攪拌系統(tǒng)的整體運(yùn)行情況，實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗。

 

采用內(nèi)置智能控制系統(tǒng)的水力輸送設(shè)備和攪拌器，在特定工況條件下，與傳統(tǒng)設(shè)備相比，甚至可以節(jié)省50%以上的能耗。

 

2. 大力回收能源 　　

 

污水中蘊(yùn)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(jīng)處理后，其中的能量大部分轉(zhuǎn)移到了污泥中，因此開(kāi)發(fā)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(fā)酵產(chǎn)乙醇、厭氧發(fā)酵產(chǎn)氫和厭氧消化產(chǎn)甲烷三個(gè)技術(shù)路徑。

 

傳統(tǒng)厭氧消化技術(shù)能源轉(zhuǎn)化率在30-40%，而高級(jí)厭氧消化技術(shù)可提高到50-60%。高級(jí)厭氧消化技術(shù)包括高溫厭氧消化、溫度分級(jí)厭氧消化(TPAD)、酸—氣兩相厭氧消化和延時(shí)厭氧消化。

 

采用傳統(tǒng)厭氧消化技術(shù)可使污水處理廠實(shí)現(xiàn)20-30%的能源自給率，預(yù)處理、高級(jí)厭氧消化、渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)或燃料電池以及熱電聯(lián)產(chǎn)(CHP)等技術(shù)的耦合使用，有望使污水處理實(shí)現(xiàn)30-50%的能源自給率，及大大降低間接碳排放量，又降低甲烷產(chǎn)生并逸散導(dǎo)致的直接排放。

 

3. 探索可持續(xù)新工藝 　　

 

(1)針對(duì)有機(jī)物去除的工藝

 

基于有機(jī)污染物去除的可持續(xù)污水處理新工藝主要是厭氧處理技術(shù)，能耗低，且可回收能源。

 

高濃度有機(jī)廢水的厭氧技術(shù)已成熟，但城市污水有機(jī)物濃度低，厭氧處理存在投資大和占地大等障礙。

 

可以尋找市場(chǎng)上相關(guān)新材料新技術(shù)，如特種吸附材料相關(guān)配套工藝進(jìn)行針對(duì)性有機(jī)物的去除。

 

(2)針對(duì)脫氮的低能耗、低藥耗工藝

 

低能耗、低碳源消耗的脫氮工藝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(tǒng)的AAO工藝相比，SHARON可節(jié)約25%的能耗、40%的碳源消耗，而ANNAMOX工藝可節(jié)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。ANNAMOX工藝在典型城鎮(zhèn)污水處理上雖有進(jìn)展，但離實(shí)際應(yīng)用仍有差距。

 

(3)碳氮兩段法工藝

 

未來(lái)革命性的可持續(xù)污水處理工藝方向是碳氮兩段法：首先對(duì)污水中的有機(jī)物進(jìn)行分離，分離出的污泥通過(guò)厭氧消化產(chǎn)生CH4，或?qū)ξ鬯苯舆M(jìn)行厭氧處理產(chǎn)能，分離后含有氨氮的污水通過(guò)主流厭氧氨氧化進(jìn)行脫氮。

 

根據(jù)理論估算，采用上述碳氮兩段法，處理1人口當(dāng)量的污染物將產(chǎn)生24瓦時(shí)能量，使污水處理廠真正成為“能源工廠”，且污泥產(chǎn)量?jī)H為活性污泥法的四分之一。

 

專家們認(rèn)為，在投資建設(shè)領(lǐng)域，應(yīng)貫穿生命周期成本理念，關(guān)注工藝、技術(shù)、機(jī)電裝備建設(shè)成本，更要注重運(yùn)營(yíng)過(guò)程的節(jié)能低耗，要低碳建設(shè)污水處理設(shè)施；在運(yùn)營(yíng)生產(chǎn)領(lǐng)域，應(yīng)構(gòu)建清潔生產(chǎn)技術(shù)體系，提高綜合能效、降低物料消耗，實(shí)現(xiàn)污水處理設(shè)施的低碳運(yùn)營(yíng)；在監(jiān)督管理領(lǐng)域，應(yīng)提出減排目標(biāo)，建立以碳審計(jì)為核心的碳排放監(jiān)管制度體系，引導(dǎo)行業(yè)實(shí)現(xiàn)低碳發(fā)展。