在碳達(dá)峰、碳中和這場“硬仗”中，水環(huán)境治理再次成為減污降碳關(guān)鍵領(lǐng)域之一，加快推進(jìn)水環(huán)境治理減污降碳協(xié)同增效，將推動我國水生態(tài)環(huán)境保護(hù)工作進(jìn)入新發(fā)展階段。污水處理行業(yè)能耗雖然沒有發(fā)電、鋼鐵、化工等行業(yè)那么高，但總能耗占比并不小，也屬于能耗大戶。

污水處理廠中的碳減排

污水處理過程實際就是碳排放的過程，污水處理行業(yè)的碳排放量約占全社會總排放量的1%，在環(huán)保產(chǎn)業(yè)中占比最大。

污水處理過程中會排放二氧化碳、甲烷和氧化亞氮。污水處理需要消耗大量燃料和藥劑，間接排放大量溫室氣體，處理過程本身也會直接排放溫室氣體。

其中，二氧化碳主要來源于污水治理設(shè)施的能耗過程，而水污染物降解產(chǎn)生的二氧化碳則認(rèn)定為生源性碳排放；甲烷主要來源于污水處理厭氧環(huán)節(jié)，包括管網(wǎng)、厭氧池、化糞池、污泥厭氧消化池等；氧化亞氮主要來源于污水處理過程的硝化反硝化階段。同時污水處理本身也是碳減排過程。未經(jīng)處理的污水直排導(dǎo)致黑臭是個厭氧過程，會產(chǎn)生更多的碳排放。

目前，我國統(tǒng)計出的污水處理率雖然較高，但污水集中收集率普遍較低，許多城市不足50%，污水處理工作任務(wù)仍然艱巨。水源保護(hù)也是降碳。在人為干預(yù)的水循環(huán)中，污水經(jīng)過處理后達(dá)標(biāo)排入自然水體，是一個必經(jīng)的環(huán)節(jié)。

因此，通過開展水源保護(hù)、降低農(nóng)業(yè)面源污染等手段，減少進(jìn)入水體的污染物含量和污水產(chǎn)生量，用基于自然的解決方法從源頭提升水質(zhì)，本身也是在實現(xiàn)碳減排。

污水處理過程中的碳排放示意圖

在污水處理過程中，通過提高污水處理綜合能效、提高污水集中收集處理率、探索可持續(xù)新工藝等手段，實現(xiàn)低碳污水處理，就是污水處理行業(yè)對實現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)的重要貢獻(xiàn)。

從能量轉(zhuǎn)化的角度來說，傳統(tǒng)污水處理模式本質(zhì)是以能耗換水質(zhì)。為了減少水污染，我們使用大量電能，間接產(chǎn)生大量二氧化碳排放，對全球生態(tài)環(huán)境造成負(fù)面影響。

如何實現(xiàn)綠色低碳發(fā)展？

《城鎮(zhèn)水務(wù)系統(tǒng)碳核算與減排路徑技術(shù)指南》中指出，污水處理廠碳減排路徑可分為減碳路徑和替碳路徑兩大方面，減碳路徑包括源頭控制、自動化控制、緊湊型污水處理工藝、高效脫氮技術(shù)及污水污泥資源回收五部分；替碳技術(shù)包括化學(xué)能回收、污水余溫?zé)崮芴崛〖肮夥l(fā)電。

那么，污水處理行業(yè)如何實現(xiàn)綠色低碳發(fā)展呢？對于中國污水處理廠的低碳運行有兩個方面需要重視：

.是基于全生命周期的碳排放量低，主要面向污水處理過程中所用的構(gòu)筑物、處理工藝、產(chǎn)品或服務(wù);

.是終端消耗的碳排放量低，需要關(guān)注處理電耗、藥耗以及運營過程中的節(jié)能減排。

源頭控制

污水處理廠主要活動為處理生活污水中各類污染物,同時消耗大量能量、藥劑，并間接造成了相應(yīng)溫室氣體排放與大氣污染。第一，采用措施消減流入污水處理廠生活污水中的污染物濃度。例如，采取源分離技術(shù)，將居民排泄物與一般清潔用水相分離，單獨收集、輸送與處置。從而截流、分離排泄物中所含有的氮、磷、鉀等營養(yǎng)元素，使之用于可持續(xù)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。

同時，又避免了過剩污染物進(jìn)入污水處理廠，大幅降低進(jìn)入污水處理廠氮、磷總量，間接提高進(jìn)水中的C/N、C/P比，相當(dāng)于增加額外碳源、降低污水處理程度、降低污水處理能耗及碳排放強(qiáng)度。

傳統(tǒng)污水處理實際是將水環(huán)境污染轉(zhuǎn)嫁為大氣污染的過程。

提高出水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)可以降低黑臭水體與富營養(yǎng)化等環(huán)境問題風(fēng)險，但同時也加大了污水處理廠活動水平，向大氣中間接排放了更多溫室氣體。因此，各地管理部門應(yīng)結(jié)合各自情況，因地制宜，寬嚴(yán)相濟(jì)地制定地方標(biāo)準(zhǔn)。

一般來說，工業(yè)企業(yè)生產(chǎn)的生產(chǎn)廢水經(jīng)處理達(dá)標(biāo)后，允許其排入市政污水管渠，與生活污水一同進(jìn)行后續(xù)處理。治理工業(yè)廢水違規(guī)超標(biāo)偷排問題，需要管理部門長期嚴(yán)肅地監(jiān)管，實施強(qiáng)力有效的懲治手段。

污水處理自動化控制，提高污水處理綜合能效

依托于信息技術(shù)發(fā)展，現(xiàn)代污水處理廠可使用精細(xì)傳感器與控制設(shè)備對水務(wù)信息進(jìn)行采集、傳輸、存儲、處理和服務(wù)，提升污水處理效率與效能，亦可實現(xiàn)對污水控制過程的全面監(jiān)測、科學(xué)決策、自動控制并及時響應(yīng)，實現(xiàn)污水處理廠人工智能化。

最終達(dá)到優(yōu)化污水處理廠運營管理、實現(xiàn)精準(zhǔn)曝氣與回流控制，科學(xué)投加各類藥劑，節(jié)約運行能耗與電力消耗，減少間接間接碳排放量，助力碳中和目標(biāo)實現(xiàn)。

采用高效機(jī)電設(shè)備。污水處理機(jī)電設(shè)備主要包括水力輸送、混合攪拌、鼓風(fēng)曝氣、污泥脫水、離心、微濾、氣浮機(jī)等。精確曝氣是自動化控制的關(guān)鍵，曝氣過程耗能超過污水處理廠運行總能耗的50%。其次是水泵運行能耗。新建設(shè)施直接采購高效設(shè)備，已有設(shè)施逐步更新成高效設(shè)備。采用高效電機(jī)通?？蓪崿F(xiàn)10%-30%的效率提高。

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，設(shè)備配置要與實際荷載相匹配，避免“大馬拉小車”。例如，好氧顆粒污泥（AGS）工藝，利用了微生物團(tuán)聚形成的密實結(jié)構(gòu)，其密度及生物量較傳統(tǒng)工藝都有明顯提高。

由于氧氣擴(kuò)散受限，AGS內(nèi)部微生物形成了層狀結(jié)構(gòu)。這種多層次的結(jié)構(gòu)使得AGS可同時同步進(jìn)行COD、氮、磷的同步去除。其反應(yīng)器占地面積通常僅為同規(guī)模污水處理工藝的1/4，而其運行維護(hù)中生化反應(yīng)產(chǎn)生的N2O水平與傳統(tǒng)污水處理廠相當(dāng)，需要的機(jī)械設(shè)備較少，不需要污泥回流泵等設(shè)備，可解也25-30%總能耗。

其工藝過程需求曝氣量更低，可節(jié)約30%能耗。AGS工藝整體可減少30%-50%能量消耗，且不需要額外投加化學(xué)藥劑。

高效脫氮技術(shù)應(yīng)用縮短脫碳流程，減少反應(yīng)器容積及機(jī)械能耗，節(jié)省藥劑消耗，可以有效降低脫氮過程中產(chǎn)生的間接碳排放量。

例如，短程硝化反硝化工藝?yán)脕喯趸?xì)菌（AOB）與硝化細(xì)菌（NOB）對氧氣親和力的不同，控制硝化反應(yīng)只進(jìn)行到NO₂^-為止 ，隨后再進(jìn)行反硝化反應(yīng)，因此，可縮短脫氮反應(yīng)流程。

由此可增大反應(yīng)器處理負(fù)荷，縮小反應(yīng)器體積，減少碳排放量，降低對碳源與氧氣的需求，減少曝氣過程能耗，消減因電力消耗導(dǎo)致的間接碳排放量。

再如，厭氧氨氧化反應(yīng)（ANAMMOX）是利用相關(guān)微生物的活動，在厭氧環(huán)境中，以NO₂^- 為電子受體，將NH₄⁺直接氧化為N₂。此反應(yīng)過程流程短，且不需消耗有機(jī)物及氧氣，減少了脫氮過程的機(jī)械耗能與磨損，尤其是曝氣過程，其節(jié)省能源可達(dá)60%之多，大幅度減少了碳排放。

污水處理廠節(jié)能降耗關(guān)鍵點在升級水處理工藝。系統(tǒng)節(jié)能的核心是在保證出水達(dá)標(biāo)的前提下，就爆氣系統(tǒng)來說按需提供微生物所需的溶解氧，達(dá)到供需平衡，避免曝氣能耗的浪費。

建立需求響應(yīng)機(jī)制，根據(jù)實際工況的需求及其變化，動態(tài)調(diào)整設(shè)備的運行狀態(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，此類設(shè)備可以有效優(yōu)化水力輸送和攪拌系統(tǒng)的整體運行情況，實現(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。

3、優(yōu)化工藝回收有機(jī)物能量

首先，通過開源實現(xiàn)能量自給，是從根本上解決綠色低碳發(fā)展問題。據(jù)測算，污水中所含能量達(dá)污水處理本身所消耗能量的9-10倍之多。通過優(yōu)化污水處理工藝，回收有機(jī)物能量，利用沼氣熱聯(lián)發(fā)電，可實現(xiàn)碳中和。

在污泥處置領(lǐng)域，國內(nèi)小紅門、高碑店污泥處理中心成功運行，污泥產(chǎn)氣率超出預(yù)期目標(biāo)，除滿足熱水解能量平衡的需要外，還有余量。

這充分表明，污泥高級厭氧消化技術(shù)已經(jīng)比較可靠、穩(wěn)定，既為國內(nèi)污泥處理探索出新思路，同時也為實現(xiàn)碳中和提供有力支撐。

其次，污水余溫?zé)崮芴崛　?/strong>

城鎮(zhèn)生活污水四季溫度變化不大，流量穩(wěn)定，具有冬暖夏涼的特點，可以作為穩(wěn)定的冷熱交換源，可以通過水源熱泵技術(shù)從污水處理廠處理出的水中交換熱能來實現(xiàn)供冷供熱。

4、優(yōu)化原料投入環(huán)節(jié)

污水處理工藝多樣，但本質(zhì)是通過生化反應(yīng)來去除水中污染物。因此，在處理環(huán)節(jié)需要投加碳源和多種化學(xué)藥劑。這些原材料在生產(chǎn)和運輸過程中消耗能源，在投加過程中也消耗一定能源。因此，優(yōu)化投料環(huán)節(jié)，有助于節(jié)能降耗減少碳排放。

如何優(yōu)化原料投入環(huán)節(jié)呢？目前，市場上主要有兩種方式。第一種，對加藥系統(tǒng)進(jìn)行配置升級，由常用的變頻計量泵升級為數(shù)字泵，加藥量有不同程度減少。

另外，也有企業(yè)深入研究碳源投加和除磷加藥環(huán)節(jié)，對加藥設(shè)備進(jìn)行智能化精準(zhǔn)化控制。有數(shù)據(jù)表明，相比傳統(tǒng)模式，最高可減少9.66%的加藥量。

第二種，運用AI技術(shù)對污水水量、水質(zhì)等參數(shù)和加藥系統(tǒng)運行數(shù)據(jù)等進(jìn)行大數(shù)據(jù)分析，形成最優(yōu)算法模型，從而實現(xiàn)加藥系統(tǒng)精細(xì)化控制，也能有效降低藥品消耗以及設(shè)備運行能耗。

智能加藥（智能除磷、智能脫氮）模塊可通過采集過程數(shù)據(jù)、水質(zhì)數(shù)據(jù)，按相應(yīng)工藝（除磷、絮凝、脫氮、消毒）的預(yù)置程序運算（前饋控制），輸出數(shù)據(jù)至I/O模塊轉(zhuǎn)換成電信號，驅(qū)動計量泵，閥門，再與流量、水質(zhì)反饋數(shù)據(jù)閉環(huán)（后饋控制），結(jié)合植入行業(yè)經(jīng)驗的模糊邏輯，自適應(yīng)精準(zhǔn)調(diào)節(jié)加藥量。能有效降低藥品消耗和設(shè)備運行能耗，實現(xiàn)節(jié)能減排、控制成本的目的。

據(jù)實際使用系統(tǒng)的污水處理廠數(shù)據(jù)顯示，在處理水量增大的情況下，藥耗、電耗仍在持續(xù)走低。與同期相比，電單耗從0.716度/噸降低為0.554度/噸，降耗率為22.63%，有效降低電費5萬余元，占全年總電費的11.3%；除磷劑單耗從0.043kg/m³降低為0.031kg/m³，降耗率為27.91%；碳源單耗從0.241kg/m³降低為0.192kg/m³，降耗率為20.33%。

二、探索可持續(xù)新工藝

1.針對有機(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。目前，城鎮(zhèn)污水厭氧處理方向研究的熱點是厭氧膜生物反應(yīng)器 AnMBR，與傳統(tǒng)厭氧工藝相比，可大幅度減少占地，但技術(shù)成熟度離生產(chǎn)性應(yīng)用尚存在差距。

針對脫氮的低能耗、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，但離實際應(yīng)用仍有差距。

碳氮兩段法工藝

未來革命性的可持續(xù)污水處理工藝方向是碳氮兩段法：首先對污水中的有機(jī)物進(jìn)行分離，分離出的污泥通過厭氧消化產(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瓦時能量，使污水處理廠真正成為“能源工廠”，且污泥產(chǎn)量僅為活性污泥法的四分之一。