破局高碳排放!国内外污水处理低碳化技术研究进展

污水处理过程中存在多个高碳排放环节, 主要包括传统活性污泥法, 曝气与搅拌单元, 污泥处理处置工艺及深度处理环节. 传统活性污泥法虽广泛应用, 但其对污泥回流依赖性强, 曝气负荷大, 且对水质水量波动适应性较差, 易导致系统处理性能波动, 进而造成能耗增加与污染物排放不稳定, 整体能源利用效率偏低. 曝气与搅拌环节作为能耗占比最高的运行单元, 其设备运行效率直接影响系统能效水平, 低效曝气及不均匀搅拌不仅加剧能耗浪费, 还可能诱发氧化亚氮(NO)等温室气体的释放, 成为污水厂碳排放的重要来源. 在污泥处理处置方面, 传统手段如直接填埋, 低效脱水和高剂量投加的处理方式, 不仅占用土地资源, 且伴随显著的温室气体排放与资源浪费问题. 此外, 深度处理工艺在实现出水达标提标的同时, 其高能耗, 高药耗和化学污泥的产出亦增加了系统的碳排放负担. 1 节能降耗类技术 (1)智慧曝气采用活性污泥法工艺(如AAO, AO, MSBR等)的污水处理厂生化池鼓风曝气充氧工艺段. 其控制目标是:根据生化池进水水量, 水质及出水水质要求, 基于模型及人工智能算法, 对曝气充氧过程进行全自动精确控制, 实现按需供氧, 保证好氧池DO, 出水水质稳定, 降低鼓风机运行电耗. 只根据进水流量, 进水水质, 剩余污泥排放及硝酸盐利用等因素, 在线或者离线通过机器学习算法得到生化系统实际需氧量;根据实际需氧量和曝气效率计算实际所供风量;将实际所需供风量传输给鼓风机控制系统, 通过强化学习算法或先进控制技术实现风机群组动态优化分配, 风机风量和曝气管道阀门开度一体化调节控制风机的供气量, 实现按需供气. 智能曝气采用的算法可选择(1)活性污泥法机理模型(ASM):根据进水水量, 水质, 好氧池溶解氧预测出水化学需氧量, 氨氮;(2)多层神经网络算法:预测好氧池溶解氧变化趋势, 维持溶解氧逼近目标值情况下预测需氧量;(3)强化学习算法:以预测模型的结论为目标, 通过分析历史经验数据和实际运行数据信息, 合理预估好氧池溶解氧变化情况及最佳工艺区间, 自动分配各组好氧池的曝气量, 降低鼓风机能耗. 智慧曝气的实施保证生化池正常稳定运行, 好氧区溶解氧波动范围降低, 一般可控制在±0. 25mg/L;保证生化处理出水水质稳定达标;降低曝气电耗, 一般可节约10%~15%的电耗, 具体节能效益需要结合工程分析测算. (2)变频控制与能耗监测系统在污水处理过程中, 曝气系统, 污水泵站, 搅拌设备等高耗能单元通常占据了整个厂区电耗的70%以上. 其中, 传统运行模式常采用恒速或粗略分时控制方式, 容易出现“过曝气”“空载运行”“能效冗余”等问题, 导致能源浪费和碳排放增加. 为此, 将变频控制技术与能耗监测系统集成应用, 已成为实现污水厂节能降耗, 迈向低碳运行的关键路径之一. 在污水处理系统中, 曝气风机, 水泵和搅拌器等高耗能设备是碳排放的主要来源, 占总能耗比例常超过70%. 为实现污水处理过程的精细化节能控制, 近年来国内外广泛推广变频控制技术与能耗监测系统的集成应用. 变频控制通过调节电机转速, 实现对设备运行状态的实时优化匹配, 根据水量, 水质等变化动态调整泵送或曝气强度, 从而避免无效运行和能源浪费. 例如, 在曝气系统中结合DO在线监测信号, 通过风机变频调节风量, 可显著提升氧利用效率, 一般可实现15%~30%的能耗节约. 同时, 能耗监测系统通过在关键设备安装电力采集单元, 实时记录运行电流, 电压和能耗数据, 并上传至信息化平台进行分析和评估, 形成以“感知—分析—控制—反馈”为核心的闭环控制机制. 该系统不仅可用于识别高耗能单元与异常运行行为, 还能支撑吨水电耗, 碳排放强度等核心绩效指标的计算与优化. 二者的协同应用, 不仅显著提升了运行能效, 也为智慧化污水处理厂的建设提供了数据基础与决策支持, 在推进污水处理行业低碳化转型中发挥着关键作用. 2 强化脱氮技术减少碳源投加 (1)短程硝化反硝化 距提出短程硝化-反硝化理论已近50年, 如今这一污水脱氮工艺已实现了诸多的工程化应用案例. 由于硝化反应是由两类生理特性完全不同的细菌独立催化完成的不同反应, 所以需要通过适当的控制条件, 将硝化反应控制在亚硝化步骤, 阻止亚硝氮的进一步氧化, 然后衔接亚硝氮还原完成反硝化过程, 这一“捷径”将使脱氮过程更快完成. 这一优势也使得短程硝化-反硝化工艺(PN/D)比传统硝化工艺减少了约25%的曝气量, 20%的二氧化碳排放量以及30%的污泥产量. 该工艺的核心是控制氨氮向亚硝氮转化并稳定持留亚硝氮, 但在溶解氧(DO)较高条件下亚硝氮极易向硝酸盐转化, 进而导致脱氮效能大幅下降. 因此, 目前该工艺的研究重点是如何实现稳定的亚硝酸供给. (2)厌氧氨氧化 厌氧氨氧化(Anammox)是一种新型生物脱氮过程, 发现于20世纪90年代, 并在近20年取得了飞速发展, 显示了较大的发展和应用潜力. Anammox反应是指厌氧氨氧化菌(AnAOB)在厌氧条件下以氨为电子供体将亚硝酸盐还原成氮气的自养生物过程. 相较于传统的硝化-反硝化工艺, 该过程可大幅度降低曝气能耗, 无需外源电子供体, 且污泥产量显著减小. 据估算, 基于短程硝化-厌氧氨氧化的新型生物脱氮工艺可降低60%的曝气能耗, 节省90%的有机碳源以及削减约75%的剩余污泥产量. 因此, Anammox被视为未来生物脱氮的升级技术, 具有良好的发展和应用前景. 厌氧氨氧化过程的底物为亚硝酸盐与氨氮, 而亚硝酸盐在水体中难以稳定存在, 因此厌氧氨氧化与其他工艺过程相耦合是有效的解决办法. 最先提出的是短程硝化耦合厌氧氨氧化(PN/A), 传统的消化过程为氨氮在氨氧化菌 (AOB)作用下氧化为亚硝氮, 亚硝氮又在亚硝酸盐氧化菌(NOB)作用下氧化为硝酸盐氮, 而短程硝化过程(PN)即将传统硝化过程控制在第一步, 即将氨氮氧化为亚硝酸盐氮, 从而实现为厌氧氨氧化据提供亚硝酸盐的目的, 耦合的关键在于控制PN过程, 使其实现AOB的富集, 而抑制NOB的繁殖, 从而实现亚硝酸盐的有效积累. 虽然PN/A过程可以减少氧气的消耗, 无需添加碳源, 剩余污泥的产量也大大减少, 已经在高浓度氨氮废水处理中得到应用, 但是其仍然存在许多问题, 如在处理高浓度氨氮废水时100%的PN过程难以实现, AOB可能受到游离氨和游离亚硝氮的影响, 同时还会有11%左右的硝酸盐氮残留在出水中. 在主流污水处理中, PN/A还面临着难以完全抑制NOB, 有机物引起异养菌的过度繁殖等问题, 虽然可以通过间歇曝气, 对pH/DO的实时监控来改善, 但是效果并不理想. 此外在运行时, PN/A过程常出现不知原因的系统崩溃[18], 这也大大限制了PN/A的实际应用. 为解决PN/A系统的运行不稳定问题, 又有人提出了短程反硝化耦合厌氧氨氧化过程(PD/A). 有研究发现反硝化过程中, 控制一定的碳氮比可以实现80%以上的亚硝酸盐积累率, 即可以实现将传统反硝化过程控制在第一阶段, 以此为厌氧氨氧化过程稳定提供亚硝酸盐. 与传统的硝化/反硝化工艺相比, 高效的PD/A可将曝气能耗降低50%, 有机资源需求降低80%, N2O产量也更低. 与PN/A过程相比PD/A具有在低温下稳定运行, 低氨氮负荷处理效果好等优势. (3)同步硝化反硝化(SND)技术与在多个反应器中完成硝化及反硝化的传统生物脱氮不同的是, SND能够在特定的运行条件下在单个生物反应器中进行氮的脱除, 同步硝化反硝化的形成机理主要有三种:制造宏观环境, 制造微观环境及培养特定微生物. 宏观环境下存在于曝气死区的反硝化微生物与曝气区的硝化微生物协同反应形成在单个反应器中实现硝化及反硝化. 微观环境中, 活性污泥絮体或生物膜表面与内部形成氧浓度梯度, 絮体表面氧的浓度高, 形成好氧区进行硝化反应, 内部氧浓度低, 形成缺氧区, 进行反硝化反应, 除了活性污泥絮凝体外, 一定厚度的生物膜中同样可存在溶氧梯度, 使得生物膜内层形成缺氧微环境. 另外近年来许多特定微生物的出现, 如好氧反硝化菌及异养硝化菌, 也使得同步硝化反硝化过程得以实现. SND是污水处理厂非常具有前途的新工艺, 其优点在于:(1)碳需求及污泥产量减少30%, (2)减少碱的添加, (3)不需要内循环, (4)较低的曝气需求, (5)占地面积小. 但其缺点也是显而易见的:(1)与单独的反硝化和硝化相比, 氮去除率较低, (2)N2O积累量高, (3)系统微生物竞争激烈. SND常被应用于生物膜反应器中, 生物膜系统允许参与营养物去除的多样化和复杂的微生物群落共存, 这使得这些系统非常适合SND工艺. 3 绿色能源替代与系统碳补偿 (1)污泥厌氧消化 污泥中含有丰富有机质, 通过厌氧消化可回收生物质能, 产生沼气, 沼气热电联产可实现热, 电两种能源回收. 预处理(水解)后的污泥进入厌氧消化罐, 酸化菌, 产氢产酸菌利用高分子有机物被水解形成的可溶性小分子有机物作为能量和生长基质, 进行发酵, 产生醋酸等挥发性脂肪酸, 及二氧化碳, 醇类和能量等, 并形成新的细胞物质. 在甲烷发酵阶段, 产气产甲烷菌进一步分解水解预处理和酸化阶段的代谢产物, 形成以甲烷和二氧化碳为主的沼气. 在污水CODCr浓度偏低, 污泥产量和有机质含量偏低的情况下, 污泥单独厌氧消化难以实现能量自给, 因此常添加其他高有机质废弃物协同处理. 如美国Sheboygan污水处理厂将高有机质餐厨垃圾与污泥协同厌氧消化并进行热电联产, 在2013年其产热量与耗热量比值达0. 85~0. 90, 产电量与耗电量比值达0. 9~1. 15, 基本接近“能源零消耗”目标. 厌氧消化提高了污泥的脱水稳定性, 使后续焚烧减少了1/3能耗. 除此之外, 污泥中大部分有害病原体被消灭, 使得消化污泥可以进行进一步的处理和资源化利用, 其中, 作为土壤改良剂, 肥料或能源原料, 是真正实现无害化, 减容化, 稳定化的综合处理. (2)污泥焚烧热能回收利用技术 污泥焚烧是将污泥中的有机物在高温条件下氧化分解为二氧化碳和水, 同时回收热能, 能实现污泥的无害化治理与资源化利用, 大大缩减了污泥的体积. 由于完全消除了污泥内的病原体, 焚烧后的污泥没有恶臭, 在各类污泥处理方式中, 属于最完全, 最彻底的一种. 此外, 由于脱水处理后的污泥与褐煤的热值水平一致, 还能通过能量的回收减少处理成本, 实现供热和发电等方式的能源应用尽用. 现如今, 由于污泥厌氧消化技术水平相对比较落后, 污泥干化焚烧技术在国内处于主流地位, 在今后一段时间的应用也将越来越多. 焚烧 实现了对污泥的彻底处理和处置, 但是针对干化焚烧设备以及为降低焚烧烟尘严重污染的烟尘处理系统的高昂投资, 也使污泥处理的费用大大增加. 因而仅有经济发达并且用地比较紧张的区域采用干化焚烧工艺. 而协同焚烧可利用现有垃圾焚烧厂, 燃煤电厂等对污泥进行处置, 投资较低, 是现阶段污泥处置的一个很好的发展方向, 契合我国国情污泥焚烧产生的烟气进行热能回收的方式分为一次利和二次利用. 一次利用指回收的热量用于焚烧以减少辅助热源或燃料消耗, 如用于预热燃烧空气或污泥脱水/干化;二次利用指回收的热量用于发电, 加热外部介质等. 河北省辛集市污泥干化焚烧项目无需辅助燃料, 除设备驱动耗能外无其他能耗, 每年还可发电8640万kW·h, 每年减少CO2排放超过7. 5 万 t. (3)污水源热泵技术 污水中含有丰富的余温热能, 相比化学能高近4倍, 占城市废热排放总量的15%~40%. 生活污水温度波动小, 夏天温度低于环境温度, 冬天温度高于环境温度;污水源热泵技术利用这一特点, 实现夏天制冷, 冬天制热, 如满足厂内能源需求仍有富余还可扩大输出范围, 尤其适用于医院, 学校, 大型公建, 科技和工业园区等冷暖同供建筑. 按照污水源是否经过污水厂处理可以分为两类, 一类是未经过处理的原生污水直接来作为热源, 其由于未经过处理, 杂物繁多, 极易造成污水源热泵系统的管路堵塞和结垢;二类是经过污水处理厂处理后的污水再作为热源, 其虽然在一定程度上避免了污水中杂物对于污水源热泵系统管路的影响, 但污水厂到热能供给用户的距离较远, 造成热量损耗较多, 并且经过处理后的污水冬季温度太低, 整个系统的能效比会降低. “双碳”背景下, 国家大力推广清洁能源供冷供热技术, 鼓励污水的合理化应用, 市政污水是一座巨大的能源宝库, 可满足区域供冷供热的需求, 是真正的清洁能源, 对污水合理地取热与放热正是符合“双碳”战略的重要举措. (4)光伏发电 污水厂光伏发电是当前“污水处理厂绿色低碳转型”背景下的重要发展方向之一, 主要通过在污水厂可用空间(如建筑屋顶, 沉淀池上方, 绿化带, 厂界空地等)布设太阳能光伏板, 将太阳能转化为电能, 供厂区自身使用或并网发电, 从而实现可再生能源的利用, 减少碳排放和降低运行能耗. 苏州一泓污水厂一泓污水处理厂1053. 25千瓦分布式光伏发电项目总屋顶使用面积约1. 3万平方米. 根据预测, 与相同发电量的火电相比, 该电站建设投运后每年可节约标准煤约324. 5吨, 每年可减少烟尘排放量约284. 7吨, 减少二氧化碳排放量约898. 3吨, 减少氮氧化物排放量约15. 5吨, 减少二氧化硫排放量约27. 1吨, 实现经济效益与生态效益“双赢”. 2022 年 3月, 无锡市市政集团下属无锡市水务集团有限公司锡澄水厂4. 6MW光伏电站项目正式开工建设. 该项目是江苏省内最大的自来水厂光伏发电站, 总体建设规模为4619. 16 kWp, 采用最佳倾角布置方式, 使用清水池顶面积约4. 4万㎡, 是已知省内单体面积最大的自来水厂光伏电站建设项目. 采用“自发自用, 余电上网”供电模式, 通过对太阳能的综合利用, 实现太阳能光伏发电应用. 建成后25年总发电量约为12777. 3万kWh, 25年年平均发电量约511. 1万kWh. 经测算, 与燃煤火电站相比, 每年可为国家节约1580吨以上标准煤, 相应每年可减少多种有害气体和废气排放, 其中减少SO2排放量约150吨, NOx(以NO2计)排放量约14吨, 每年可减少温室气体CO2的排放量约4300吨. (5)再生水利用 污水厂再生水利用是实现水资源可持续利用和城市水系统绿色转型的重要路径之一. 再生水(也称中水)是指城镇污水经适当处理后达到一定水质标准, 可在非饮用途径上重复使用的水资源, 广泛应用于市政, 工业, 农业及生态补水等领域. 苏州工业园区第二污水处理厂配套建设2万吨/天的再生水回用系统, 将处理后的中水供周边企业使用, 用于工业冷却, 绿化灌溉, 道路喷洒等, 有效节约了宝贵的淡水资源. 目前, 厂内再生水年使用量已达200万吨. 根据<苏州工业园区桑田岛片区再生水利用规划>(2024—2035), 二污厂还将进一步提升再生水回用能力, 待项目全部完成后, 年再生水量将增加到800万吨. 据悉, 该举措不仅提高了水资源的循环利用率, 降低了企业用水成本, 还为园区可持续发展提供了有力的水资源保障, 实现了经济效益与环境效益的双赢.