近年來(lái),碳中和是一個(gè)熱門(mén)話(huà)題,不斷增加的CO₂排放已經(jīng)成為世界的基本難題之一。2015年《巴黎氣候協(xié)定》規定將氣溫上升限制在2 ℃以?xún)?為了達到這個(gè)目標,我國采取了嚴格的法規和排放標準?，F階段國內大部分的污水處理廠(chǎng)仍不能滿(mǎn)足可持續發(fā)展的要求,隨著(zhù)國家和地方采取越來(lái)越嚴格的排污標準,我國現有老式污水處理廠(chǎng)普遍暴露出達標難、不穩定、能耗高、污染治理難等問(wèn)題。

統計結果表明,2020年,我國共有4 496座城鎮污水處理廠(chǎng),總處理規模為23 070萬(wàn)m³/d。對于許多城鎮而言,污水處理廠(chǎng)是最大的能源消耗者,如果采用常規技術(shù)處理,污水處理能耗可占全球電力的3%,如果不盡快優(yōu)化目前和未來(lái)的處理廠(chǎng)處理技術(shù),污水處理設施的能源消耗將持續增加。依據2005年《關(guān)于嚴格執行〈城鎮污水處理廠(chǎng)污染物排放標準〉的通知》及2006年修訂的《城鎮污水處理廠(chǎng)污染物排放標準》(GB 18918—2002)要求,城市污水處理設施向國家、省屬重要河流、湖泊、水庫等封閉、半封閉的水體進(jìn)行排污時(shí),要達到一級A標準,開(kāi)啟了國內“提標改造”的帷幕。

目前,國內大部分的城市污廢水處理都是以生物法為主,在處理過(guò)程中,為了達到水質(zhì)凈化的目的,必須消耗很多化學(xué)物質(zhì)和能源,同時(shí)還會(huì )排放出許多的CO₂、甲烷(CH₄)等溫室氣體(GHG)。這種處理方式是“以能消能”的不可持續手段,如何實(shí)現“零碳型”排放,是污水廠(chǎng)實(shí)現碳中和運行的一個(gè)重要環(huán)節。

本文整合了目前污水處理廠(chǎng)的部分主流處理工藝及未來(lái)可突破的技術(shù)，歸納優(yōu)缺點(diǎn),以期為我國污水處理廠(chǎng)低碳綠色運行，實(shí)現碳中和運行的目標提供借鑒與參考。

1 污水處理廠(chǎng)節能減排的實(shí)現途徑

污水處理是能源密集型的高耗能產(chǎn)業(yè)。目前,我國污水處理規模大,能耗高,CO₂排放量始終位居世界第一位。通過(guò)采取節能措施和調整處理工藝,大部分的污水處理廠(chǎng)可減少30%以上的能源投入。

1.1 污水處理綜合能效的提升分析

1.1.1 污水處理設備提質(zhì)增效

電耗在污水處理廠(chǎng)的能源消耗中占比較大,對污水處理設備進(jìn)行合理的改造優(yōu)化,可以實(shí)現節能降耗、提高設備能效的目的。具體地說(shuō),在污水處理廠(chǎng)中,曝氣系統、提升泵和污泥脫水裝置占據總電力消耗的主要份額，鼓風(fēng)曝氣機和污水提升泵等裝置的能源消耗占了69%。所以,研發(fā)曝氣系統、污水提升系統等節能技術(shù)是降低能源消耗的重要措施。

在多種污水處理工藝中,氧化池作為一種天然的污水處理系統,其能源效率最高,但其占地面積大、散發(fā)異味等缺點(diǎn)嚴重限制了其應用。對于污水處理廠(chǎng)來(lái)說(shuō),最實(shí)用的方法是升級陳舊的設備,并針對污水的水量和水質(zhì)總是波動(dòng)的特點(diǎn)采用實(shí)時(shí)控制器,使設備在合適的工況運行。于洪波等的研究結果表明,選用空氣懸浮和磁浮等高效率的鼓風(fēng)機與采用傳統的羅茨風(fēng)機相比,可以節省30%左右的能源消耗。主體處理工藝的選取對整個(gè)污水處理廠(chǎng)的能源消耗總量也有一定的影響。蔣富海等采用低氧曝氣等節能操作,改進(jìn)后的Bardenpho懸掛鏈曝氣器充氧動(dòng)力效率高、曝氣均勻性好,可有效減少曝氣的能源消耗,使噸水電耗節能16%;噸水藥費同比節約28%,改造后節水節能降耗效果顯著(zhù)。吳軍偉等針對某污水處理廠(chǎng),結合變頻調速電動(dòng)機的節能技術(shù),根據集水池水位的動(dòng)態(tài)特性,提出了一種基于智能節電裝置的污水提升泵變頻節能方案,經(jīng)過(guò)變頻調速后,兩臺水泵的每月耗電量下降至57 000 kW·h,節能效果>22%。

1.1.2 更新污水處理管理方法

當前,我國污水廠(chǎng)的運營(yíng)管理過(guò)程還面臨著(zhù)很多的問(wèn)題,比如藥劑投加不精準、設備配置與實(shí)際荷載不相匹配等。解決污水廠(chǎng)運營(yíng)管理方面的問(wèn)題成為當務(wù)之急。重慶G污水處理廠(chǎng)通過(guò)加入輔助碳源和除磷劑來(lái)保持生物化學(xué)體系的穩定運轉,但調節操作滯后、加入量不精確等情況造成污水質(zhì)量不穩定。后期,該污水處理廠(chǎng)安裝了進(jìn)水在線(xiàn)監測儀表,科學(xué)測算碳氮比、碳磷比的值,合理地控制外加碳源或藥劑投加量,并對添加位置進(jìn)行了優(yōu)選,確保調控措施及時(shí)、準確、高效,從而達到節能減排的目的。

在污水處理廠(chǎng)中應用自動(dòng)控制,可實(shí)現多重效益,節省能源并減少高達9.6%的GHG排放。Baroni等在全尺寸操作過(guò)程中實(shí)現了一個(gè)模糊的邏輯系統,意大利污水處理廠(chǎng)的氨和溶解氧濃度的波動(dòng)顯著(zhù)降低,通過(guò)對1/4的反應器應用模糊控制器,污水處理廠(chǎng)的能耗降低了4%。在我國廣西桂林市,陳俊江對城市排水生產(chǎn)運營(yíng)管理系統進(jìn)行評價(jià)分析,該系統可以進(jìn)一步提升污廢水的綜合處理能力,減少故障停機的次數,同時(shí)減少人力、材料、藥劑等費用。

為了降低污水廠(chǎng)的碳排放,要從工藝、設備、管理、能源等多個(gè)環(huán)節入手,多措并舉,在確保水質(zhì)達到要求的前提下,加強對污水處理廠(chǎng)日常運營(yíng)的監督。

1.2 加大能源回收力度的工藝措施

傳統的污水生物處理工藝是能源密集型的工作,回收的資源很少或根本沒(méi)有,通常需要大量的外部化學(xué)物質(zhì)投入。通過(guò)碳捕集技術(shù),結合厭氧消化-熱電聯(lián)產(chǎn)、光伏發(fā)電、污水源熱泵等技術(shù),實(shí)現污水處理的碳中和目的。

1.2.1 污水源熱泵技術(shù)

污水含有大量的化學(xué)、熱能和水動(dòng)力能。據統計,城市社區產(chǎn)生的余熱有40%包含在污水中。由于溫度存在差異,污水中所含的熱能提供了另一個(gè)間接抵消污水處理的能源需求的能量來(lái)源,其中可回收的熱能比厭氧回收的化學(xué)能多6～8倍。因此,如果能將回收的熱能與城市熱網(wǎng)有效地結合起來(lái)并充分利用,水源熱泵技術(shù)在促進(jìn)污水處理廠(chǎng)接近碳中和目標方面具有巨大潛力。污水源熱泵其中一部分熱能可用于滿(mǎn)足污水處理廠(chǎng)的采暖需要,另外一部分則被送往城鎮供熱系統,污水源熱泵系統的詳細流程如圖1所示。以北歐國家為例,據報道,在瑞士和德國,3%的建筑可以通過(guò)污水源熱泵供暖或制冷。與傳統的空調系統相比,應用污水源熱泵的中央空調系統,CO₂的排放減少40%～51%,NOx的排放減少36%～49%;污水源熱泵分布式空調系統減少了13%的CO₂排放,以及13%的NOx排放。郝曉地等的研究結果顯示,采用朗肯循環(huán),能夠充分利用余熱供電,使污水處理廠(chǎng)達到碳中和86%的能量要求,并能進(jìn)一步降低CO2的排放。青島市團島污水源熱泵利用低品位熱能,實(shí)現了傳統的節能減排,年節電量為5.2×10⁴MW·h,標煤節約1.91×10⁴t,并減少50 042 t/a的CO₂、162.4 t/a的SO₂和141.3 t/aNO_x^-排放。

Zhang等提出一種新型組合型污水熱泵供暖方式,其節能性、經(jīng)濟性、適用性強,能夠將大量的熱能通過(guò)管網(wǎng)向集中供暖系統輸送,有助于降低燃煤和大氣污染。

如圖2所示,分析了不同工況下不同加熱方式的一次能源利用效率。在設定的條件下,與傳統的加熱方法相比,污水源熱泵可以充分利用污水熱能資源,能夠減小對環(huán)境的影響。與傳統集中供熱方式相比,在相同典型工況下,污水源熱泵組合式集中供熱方式一次能源效率提高了14%。而且,污水源熱泵是一種環(huán)境友好型技術(shù),不排放空氣污染物。因此,借助污水源熱泵提取熱量是一種節能的有效途徑,既可以節省污水廠(chǎng)的運行熱能,又可以達到“碳中和”的目的,從而達到間接減少碳的排放量。

1.2.2 光伏發(fā)電

在環(huán)境保護壓力和國家政策的雙重推動(dòng)下,太陽(yáng)能光伏技術(shù)作為一種低碳排放的方法,成為了當前眾多新建污水處理廠(chǎng)的選擇。由于工藝流程的需要,大多數污水處理廠(chǎng)的結構較大,如生物反應池、二沉池等,光伏系統的安裝空間通常較大。同時(shí),相關(guān)政策指出,要大力支持污水處理廠(chǎng)對土地進(jìn)行充分地利用來(lái)進(jìn)行光伏發(fā)電建設。

劉揚等分析了首都某污水處理廠(chǎng),發(fā)現利用光伏發(fā)電系統一年生產(chǎn)的電能為1.5×104kW·h左右,其生產(chǎn)的電能可以節省5.4 t煤,同時(shí)還可以降低12.2 t左右的CO2排放量,降低碳氧化合物排放量0.06 t左右。河南鄭州馬頭崗污水處理廠(chǎng)開(kāi)發(fā)的“光伏+水務(wù)”新的運行方式,已經(jīng)在亞洲形成了“智能化+高效太陽(yáng)能回用系統”的典范,該模式節能減排效果顯著(zhù)。安裝4 000 m2光伏電池板的法國戛納Aquaviva污水處理廠(chǎng)已經(jīng)實(shí)現了碳中和。賓夕法尼亞州污水處理廠(chǎng)完成了一個(gè)3 MW的太陽(yáng)能項目,該項目預計每年生產(chǎn)超過(guò)300萬(wàn)kW·h的電力,足以減少3 515 t的CO2排放。

這種單一的光伏-污水廠(chǎng)雖然可以達到節能的目的,但是也存在電力供應不穩定的問(wèn)題。為了解決這個(gè)問(wèn)題,姜放提出可以引進(jìn)一種新型的鋰離子蓄能發(fā)電裝置,組成一個(gè)太陽(yáng)能-蓄能裝置-污水處理廠(chǎng),其電力供應流程如圖3所示。采用儲能器技術(shù)對提高太陽(yáng)能光伏發(fā)電的性能和降低能耗具有重要意義。除了采用太陽(yáng)能外,還可以引入風(fēng)能、污水熱能、生物質(zhì)能等新能源,從而實(shí)現多種能源的補充。近年來(lái),許多污廢水處理廠(chǎng)都在積極地研究多能補充的系統。

孫振宇等將污水源熱泵和分布式太陽(yáng)能-市電系統聯(lián)合使用,使污水處理廠(chǎng)年可節省387.1 t的標準煤,減少483.9 t CO2排放量,減少了大氣中的其他污染,取得了良好的環(huán)保和經(jīng)濟效益。Buller等研究了一個(gè)基于光伏能源、生物質(zhì)氣化爐和電網(wǎng)的混合系統,與沼氣燃燒的混合組合可作為中型污水處理廠(chǎng)的替代方案,可以增加經(jīng)濟效益和環(huán)保效益。

但是,因為太陽(yáng)能板使用氫氟酸、硝酸、三氯氧磷、異丙醇等化學(xué)成分對環(huán)境造成的危害不容忽視。太陽(yáng)能產(chǎn)業(yè)帶來(lái)的相關(guān)污染問(wèn)題還需要認真對待并采取積極措施加以解決。

1.2.3 污泥厭氧消化與熱電聯(lián)產(chǎn)

文獻統計表明,運行一個(gè)污水處理廠(chǎng)所需的電量通常為0.3～0.6 kW·h/m3。污水中有機化合物的燃燒熱能為該值的9～10倍,因此,回收污水中含有的化學(xué)能具有經(jīng)濟效益。最可行的方法是利用厭氧消化產(chǎn)生的沼氣發(fā)電和供熱。污泥是污水處理廠(chǎng)生產(chǎn)中必然產(chǎn)生的副產(chǎn)物,由于其數量不斷增加和處理不完全,污泥自身穩定性和無(wú)害化處置的結果與預期的目標有很大的差距。污泥的處理需要耗費很多的化學(xué)物質(zhì)和能量,而采用填埋法進(jìn)行處理會(huì )加劇溫室效應,所以在污水處理廠(chǎng)中,對污泥處理過(guò)程碳減排的控制有著(zhù)十分關(guān)鍵的作用。

戴曉虎等歸納分析我國典型的污泥處理處置工藝碳排放如表1所示,目前已有的污泥處理工藝流程碳排放量排序為:深度脫水-應急掩埋最多;干化焚燒-建材利用次之;好氧發(fā)酵-土地利用較少;厭氧消化-土地利用最少。由表1可知,污泥的處置主要碳排放來(lái)源于設備的電耗、油耗以及藥物消耗,相應碳補償措施也較易實(shí)現。趙陽(yáng)悅等在吉林某公司改造擴建后的污泥厭氧化工程中,提出一種將污泥和有機助劑混在一起進(jìn)行的厭氧消化技術(shù),能夠達到回收能源的目的,并且減少9 414 t CO2-eq的GHG排放。

污水處理廠(chǎng)有大量的污泥,經(jīng)過(guò)厭氧法處理后得到的沼氣是一種非常潔凈的能源,其中以沼氣的熱電聯(lián)產(chǎn)在污水廠(chǎng)中最為普遍。為了促進(jìn)CH4生產(chǎn),增強過(guò)程穩定性,可以添加共基質(zhì),如城市固體廢物的有機組分;或污泥預處理方法,如應用熱水解工藝。我國大力推廣采用中溫發(fā)酵的污泥厭氧法,其中青島麥島和北京高碑店等污水處理廠(chǎng)的工藝效果最好。崔濡川等根據能源階梯利用原理,結合沼氣熱電聯(lián)產(chǎn)技術(shù)對現有的發(fā)電設備進(jìn)行了改造,與傳統的燃煤工藝比較,本工藝可節省558 t標準煤炭,降低了SO2和NO2對大氣的污染,并取得了明顯的環(huán)保和經(jīng)濟效益。邵彥青等考察馬來(lái)西亞Pantai污水處理廠(chǎng),該污水廠(chǎng)采用熱電聯(lián)產(chǎn)技術(shù),降低了60%的污泥含量,年節約標煤19.85 Mt。

污泥的厭氧消化使污水廠(chǎng)實(shí)現了剩余污泥的穩定化和資源化處理。污水廠(chǎng)設置的厭氧消化裝置可為污水廠(chǎng)提供40%～60%的運行電耗。綜上,污水污染物的主要厭氧降解在經(jīng)濟上和技術(shù)上看來(lái)可行,而且就GHG的產(chǎn)生而言,對環(huán)境有重大好處。

針對以上不同污水處理廠(chǎng)節能技術(shù)路線(xiàn)的碳中和研究,得出了表2所示的優(yōu)缺點(diǎn)。

再生水源熱泵比污泥厭氧消化技術(shù)結合沼氣熱電聯(lián)產(chǎn)具有更高的碳中和效果,再生水源熱泵可產(chǎn)生74.22 t標準煤熱能,而污泥厭氧消化僅能回收3.03 t標準煤熱能和2.97 t標準煤電。隨著(zhù)污水廠(chǎng)處理負荷的增加,再生水源熱泵可以達到更高的碳中和效果。光伏發(fā)電的應用需要考慮地理位置,在太陽(yáng)能資源豐富的地區,光伏發(fā)電體系的碳中和率可以接近厭氧消化體系的碳中和率。以5萬(wàn)m3/d的污水廠(chǎng)為例,拉薩碳中和率為35%,長(cháng)春為24%,貴陽(yáng)為13%。不同太陽(yáng)能光強的城市碳中和率差異可達2～3倍。在太陽(yáng)能豐富的地區,可以回收和利用更多的太陽(yáng)能,這更有利于光伏發(fā)電系統的功率轉換效率,并可獲得更高的碳中和。但是在構筑物頂部安裝太陽(yáng)能電池板工程太過(guò)復雜,也使得該技術(shù)沒(méi)有得到廣泛應用。污泥厭氧消化技術(shù)可以處理有機物含量較高的污泥,并且可通過(guò)沼氣熱電聯(lián)產(chǎn)系統提供熱能和動(dòng)力。隨著(zhù)污水廠(chǎng)規模的增加,污水源熱泵可以從污水中回收更多的廢熱,其碳中和率將顯著(zhù)提高。同樣,隨著(zhù)污水廠(chǎng)規模的增加,光伏板的可鋪設面積也會(huì )變大,光伏發(fā)電系統回收的太陽(yáng)能也會(huì )更多,碳中和率也會(huì )更高。然而,污水廠(chǎng)規模的變化對污泥厭氧消化系統影響不大。

1.2.4 碳源回收和儲存利用

溫室效應是影響和威脅人類(lèi)社會(huì )氣候變化的一個(gè)重要因素,CO2是全球溫室效應的最大影響因素,因此,減少其排放成為當務(wù)之急。CO2的收集、利用和儲存(CCUS)是主要的CO2減排措施。Wang等首次提出了一種將厭氧消化、裂解、催化重整和甲烷化(APRM)耦合在一起的新型生物能源使用與碳捕獲和儲存(BECCS)工藝,以城市固體廢物的有機部分(OFMSW)為原料,以負碳向的方式生產(chǎn)生物CH4,這種方式既可以處置多余沼液,也可以實(shí)現可持續發(fā)展目標。通過(guò)對西班牙加泰羅尼亞5個(gè)污水廠(chǎng)的能量平衡分析表明,污水中所含的67%的能量可以轉移到污泥中,通過(guò)將這些污泥轉化為沼氣,52%的能量可以被回收。厭氧工藝可從有機流中生產(chǎn)富CH4。厭氧的液體和固體殘渣被稱(chēng)為消化渣,可用作肥料。生物質(zhì)是一種可再生能源,煤與生物質(zhì)共利用可以顯著(zhù)降低碳排放。此外,化學(xué)循環(huán)燃燒(CLC)是一種不需要對煙氣進(jìn)行任何后處理的固有捕獲CO2的技術(shù)。將混合燃燒過(guò)程與CLC技術(shù)相結合,如果捕獲的CO2能夠被適當存儲,就可以形成一個(gè)有效的碳負系統。由于CLC體系中的氧化劑與燃料沒(méi)有直接接觸,顯著(zhù)降低了熱NOx的生成。因此,CLC是一種可行的低能耗、高效實(shí)施碳捕捉和儲存的技術(shù)。HaldorTopsΦe的TREMPTM甲烷化技術(shù)可以將生物質(zhì)氣化的合成氣轉化為純度為95%～98%的CH4,該技術(shù)已成功應用于GoBiGas 20 MW的工廠(chǎng)作為示范。污水處理廠(chǎng)生產(chǎn)的沼氣在減少CO2排放和水-能源關(guān)系背景下的能源需求方面起著(zhù)決定性的作用。為了減少對化石燃料的依賴(lài),Poblete等利用了沼氣聯(lián)合循環(huán)與碳捕獲和儲存技術(shù)能夠實(shí)現負碳排放。另外,生物電化學(xué)系統(BESs)可以直接將有機能轉化為電能或有價(jià)值的產(chǎn)品,如CH4或H2。雖然這有望實(shí)現更高效的轉化,但受限于反應速率較低,要將其轉化為實(shí)用技術(shù)需要付出巨大的努力。例如,在我國哈爾濱運行的一個(gè)微生物燃料電池(MFC)試點(diǎn)表現很差,僅將有機物質(zhì)中7%的能量轉化為電能。

Huang等提出了基于現有工藝的碳能量線(xiàn),這條路線(xiàn)包括有機碳捕獲、生物處理和熱化學(xué)轉化階段,適合于通過(guò)厭氧發(fā)酵生物處理平臺進(jìn)行生物能源生產(chǎn)和資源回收的流程,城市污水中的有機物可以被分離為化學(xué)富集沉淀物或污泥。具體路線(xiàn)如圖4所示。另外,經(jīng)過(guò)研究證明膜分離工藝能有效地提高碳分離、富集和生物處理效率,因此,膜分離可作為碳分離和回收途徑的一種很有前途的補充工藝。

1.3可持續處理新工藝的研究進(jìn)展

前部的“碳捕捉”技術(shù),可以截留60%以上的碳源,而經(jīng)二級處理后的進(jìn)水中CODCr濃度偏小,很難滿(mǎn)足常規脫氮除磷工藝對碳源的要求。短程硝化與常規的硝化法同時(shí)結合反硝化技術(shù)相比,短程硝化/反硝化處理減少了25%左右的耗氧量,以及40%左右的CO2消耗,達到了O2和CODCr的雙重節約,如圖5所示。

在這些新興技術(shù)中,厭氧氨氧化(ANAMMOX)工藝已成功應用于實(shí)踐,ANAMMOX是一種不需要有機碳的新型脫氮技術(shù),它的消耗只有常規方法的1/3,能顯著(zhù)減少曝氣的能耗和操作成本。根據理論計算,應用ANAMMOX工藝對外部碳源的需求減少了100%。然而,該工藝主要用于側流處理,將其轉變?yōu)橹髁鞴に嚾匀痪哂刑魬鹦?。Ali 等提出了一種將MFC和ANAMMOX工藝相結合的污水綜合處理系統,可以有效地回收能源,改善出水水質(zhì)。在較低的能源投入下,可獲得較好的出水水質(zhì)(CODCr去除率約為95%,氮去除率約為85%)。但是單一的ANAMMOX技術(shù)存在厭氧氨氧化菌(AAOB)生長(cháng)緩慢且對環(huán)境敏感使反應器難啟動(dòng)的問(wèn)題。所以在短程硝化的基礎上,出現了進(jìn)一步與ANAMMOX耦合的典型工藝,工藝流程如圖6所示。SHARON-ANAMMOX聯(lián)合技術(shù)與常規硝化反硝化技術(shù)相比較,可節約50%的硝化曝氣,節約100%的附加碳資源,即降低CO2排放,并生產(chǎn)少量污泥。

對于節能回收技術(shù)的創(chuàng )新,應用上流式厭氧污泥床(UASBs)和膨脹顆粒污泥床(EGSBs)等厭氧污水處理是另一種有前途的能源回收選擇。近年來(lái),厭氧膜生物反應器(AnMBR)得到了發(fā)展。在厭氧過(guò)程中,耦合膜可以保留懸浮物,而不是讓它們流失。通過(guò)延長(cháng)材料的降解時(shí)間,AnMBR為低強度城市污水處理提供了可能。然而,膜污染成為阻礙該技術(shù)結垢的最大挑戰。由于污水中含有大量的有機物和營(yíng)養物質(zhì),新興的處理工藝已經(jīng)被開(kāi)發(fā)出來(lái),以捕獲這些有價(jià)值的資源,并將其轉化為增值產(chǎn)品如鳥(niǎo)糞石、藍鐵礦、生物柴油、生物塑料、生物炭和蛋白質(zhì)。此外,已經(jīng)證明資源回收內部污水處理廠(chǎng)在實(shí)現碳中和方面發(fā)揮著(zhù)重要作用。例如,鳥(niǎo)糞石降水過(guò)程對全球變暖的減緩效應模擬為3%～38%。對于有機碳來(lái)說(shuō),生物塑料合成是從城市污水中提取有機碳并將其升級為化工商品的最有前途的途徑之一,也具有廣闊的應用前景。

2 節能減排技術(shù)工藝應用案例

在我國城市碳中和作業(yè)實(shí)踐中,已經(jīng)有很多城市的污水處理廠(chǎng)進(jìn)行了實(shí)際應用的實(shí)踐,表3為國內及國外典型的低碳運行案例。

美國Sheboygan污水處理廠(chǎng)初步建立了一套以AO為主要生產(chǎn)流程的方案,將污泥水解-酸化、混合基質(zhì)厭氧共消化和污泥濃縮等新技術(shù)相融合,并實(shí)施了一套節能方案,到2013年該技術(shù)已基本達到了自供。奧地利Strass污水處理廠(chǎng)作為一個(gè)比較成功的案例表明,回收的化學(xué)能可以彌補2003年全年總能耗的80%;通過(guò)其他改進(jìn),包括添加有機廢物,2012年Strass污水處理廠(chǎng)實(shí)現了158%～178%的能源自給自足。以上兩個(gè)污水廠(chǎng)的經(jīng)驗對于我國來(lái)說(shuō)非常有借鑒意義,在我國,餐廳及家庭的剩菜剩飯可以一同送往污水處理廠(chǎng)與剩余污泥進(jìn)行共消化。德國B(niǎo)ochum-lbachtal污水處理廠(chǎng)為三階段入水預脫氮,生物處理部分為化學(xué)除磷,利用厭氧法與熱電聯(lián)產(chǎn)相結合的技術(shù),可以實(shí)現96.9%的能量自給,經(jīng)過(guò)核算,可以實(shí)現63.2%的碳中和率。青島市海泊河污水處理廠(chǎng)利用熱電聯(lián)產(chǎn),在一年多的時(shí)間里,其發(fā)電效率已接近30%,節能效益顯著(zhù),而采用該系統可降低污水處理廠(chǎng)的脫硫耗水7×104t,降低燃煤12 670 t,降低1 383 m3CO2,通過(guò)控制廢氣的排放,可以有效降低工廠(chǎng)的能源消耗,同時(shí)也可以有效地減少煙塵對周?chē)沫h(huán)境的影響。關(guān)于污水處理管理、設備革新的應用情況,Khatri等使用水力旋流器和智能曝氣控制來(lái)降低污水處理的能耗,采用水力旋流器作為一次污泥分離器可節省曝氣電量71.46%。通過(guò)研究印度北部不同城市的7個(gè)污水處理廠(chǎng)的運行性能,結果表明UASBs和簡(jiǎn)單的有氧系統是一種有前途的技術(shù),特別是在印度,可以以低成本達到回用水所需的BOD水平。Alekseiko等研究了符拉迪沃斯托克一座污水廠(chǎng)使用的熱泵,并證明該工廠(chǎng)產(chǎn)生的熱源是一種有價(jià)值的熱源。Bruno等使用吸收式制冷機來(lái)幫助提高位于污水廠(chǎng)的沼氣驅動(dòng)的微型燃氣輪機(MGT)熱電聯(lián)產(chǎn)廠(chǎng)的性能。

3 結論與展望

我國作為全球最大的能源消費國和CO2排放國,具有巨大的碳減排潛力和綠色發(fā)展潛力,然而,就當前污水處理技術(shù)的低碳運行現狀而言,仍然有許多瓶頸問(wèn)題成為了污水處理廠(chǎng)實(shí)現碳中和的阻礙。

(1)針對污水廠(chǎng)設備與管理存在的不足,在未來(lái)污水處理廠(chǎng)可以利用互聯(lián)網(wǎng)+、大數據、人工智能等前沿信息通信技術(shù)耦合先進(jìn)節能、用能技術(shù)降低污水處理領(lǐng)域碳排放,同時(shí)通過(guò)信息通信技術(shù)優(yōu)化或重塑污水處理行業(yè)技術(shù)環(huán)節,從源頭減少能源、資源、信息領(lǐng)域消耗帶來(lái)的碳排放。

(2)用于采暖的污水源熱泵對熱量?jì)r(jià)格變化比較敏感,城市熱水管網(wǎng)建設滯后嚴重阻礙了該技術(shù)的大規模應用。光伏發(fā)電產(chǎn)生的電量有限,僅占總能耗的10%左右。在今后的研究中,應該將目前的研究結果與之相融合,發(fā)展出更穩定的能量?jì)Υ婕夹g(shù)。污泥厭氧消化過(guò)程易受環(huán)境條件的影響,消化污泥不易沉淀。碳捕捉目前存在投資大、要求高等劣勢,該技術(shù)現在的痛點(diǎn)是如何將捕捉到的CO2安全、大規模、高效地資源化。

(3)在我國今后的發(fā)展中,要充分吸收國內外先進(jìn)的污水碳中和技術(shù),以發(fā)展污水中的有機潛力以及新的低碳技術(shù)為中心,從提高裝置節能、改善生產(chǎn)操作方式等方面著(zhù)手,達到低碳運行的目的。