A3：科技智慧
01 污水厂建设及运行概况
1.1 建设标准
污水厂总规模为10万m3/d，分期建设，其中一期规模5万m3/d。出水标准执行《陕西省黄河流域污水综合排放标准》（DB61/224-2018）A标准，污泥处置方式为好氧发酵后土地利用，外运含水率≤40%，中水回用率5%。
工艺设计充分考虑其进水具有污染物浓度高、泥沙含量高、冬季低温的水质特点，预处理段设置了中、细2道格栅及速沉池，以避免泥沙在生物池堆积、减小设备磨损；二级生物处理采用多段多级AO工艺，可充分利用污水中碳源脱氮除磷，无污泥内回流；深度处理采用磁混凝沉淀+反硝化深床滤池工艺，进一步降低TP、TN指标，可视情况进行超越运行。污泥处理采用一体化连续深度脱水工艺，将含水率脱水至60%~65%，再进行好氧发酵，成品用于当地荒漠化土地改良，工艺流程如图1所示。
图1 工艺流程
1.2 运行情况
项目一期工程于2021年8月完成通水调试，选取2023年度运行数据进行分析。全年进、出水水质均值如表1所示，实际进水水质平均值浓度已分别达到设计值的61.02%~83.65%，在90%保证率下接近设计值。全年处理水量最大值为67733m3/d，最小值为21547m3/d，全年平均处理水量45318m3/d，均值水量达产率已高达90.63%，接近满负荷运行。在这种工况条件下，全年出水水质稳定达标，且全面优于出水标准。
表1 2023年全年进出水水质年平均值
污水处理厂能源消耗主要为电力消耗，无其他外购能源。主要化学药剂消耗分为污水处理和污泥处理两部分。污水处理药剂分别为：向生物池及反硝化深床滤池投加碳源乙酸钠，向磁混凝沉淀池投加除磷药剂PAC、PAM，向接触消毒池投加次氯酸钠。污泥脱水药剂主要为PAM、三氯化铁和草木灰。2023年全年进水量、污泥量、再生水回用量及运行电耗、化学药剂消耗详见表2。
表2 2023年污水厂运行台账
02 碳排放核算
2.1 核算边界
污水中污染物导致污水系统碳排放活动较为复杂，在水中有机物、氮化合物完全降解前所经过的相关设施、点位都应纳入核算边界。污水系统碳排放核算边界覆盖自小区化粪池、收集管网、提升泵站、污水污泥处理设施至排放受纳水体止的全部处理单元。本研究碳排放核算以污水处理厂为边界，核算污水处理厂运维阶段碳排放量。包括污水和污泥处理生化反应碳排放量、污水和污泥处理阶段能源和药剂消耗碳排放量、替碳量和碳汇量。
污水处理阶段生化反应碳排放量包括进水化石源CO2排放量及外加碳的化石源CO2排放量、提升泵站和沉砂池逸散的CH4的CO2排放当量、生物脱氮过程排放的N2O的CO2排放当量；污泥处理生化反应阶段碳排放量与污泥处置方式有关，案例污水厂污泥好氧发酵碳排放来自CH4、N2O的CO2排放当量；以上统称为直接碳排放量。污水和污泥处理阶段能源和药剂消耗产生的碳排放量统称为间接碳排放，计算应注意药剂种类及有效成分与对应碳排放因子的转化。替碳量指通过清洁能源替代、资源和能源回收获得的副产品形成的负碳量，案例污水厂发酵污泥土地利用和再生水回用会产生一部分替碳量。碳汇量指厂界内生态系统吸收固定的CO2量，本案例不考虑。运维年度碳排放量为污水污泥生化反应碳排放量与污水污泥处理能源药剂消耗碳排放量与之和减去替碳量和碳汇量。碳排放强度基于单位污水处理水量和单位耗氧污染物量分别核算，便于从不同维度在行业内进行横向比较。
2.2 结果讨论
案例污水厂碳排放核算计算方法和公式参考《城镇污水处理厂碳减排评估标准》，碳排放核算排放因子及关键参数取标准推荐值，详见表3。案例污水厂运维年度碳排放量、单位水量碳排放强度、碳排放贡献度核算结果详见表4。
表3 碳排放核算关键参数取值
表4 运维年度碳排放核算结果
由表4可知，案例污水厂运维年度碳排放总量为17310.68tCO2-eq/a，其中间接碳排放即电耗和药剂消耗产生的碳排放最大，贡献度为55.93%；污水污泥处理生化反应碳排放量次之，贡献度为52.51%；再生水回用及污泥土地利用替碳量贡献度8.35%，替碳途径有限，替碳程度较低。案例污水厂运维年度碳排放强度为0.99 kgCO2-eq/m3，核算单位污染物削减碳排放强度为1.70kgCO2-eq/kg。
污水厂处理厂碳排放强度与工程规模、运行负荷和出水水质标准等有关，碳排放强度随着污水处理厂工程规模和运行负荷的提高而降低，但随着出水水质标准的提高而呈现明显上升趋势。据统计，在进水COD≥400mg/L、进水规模5万m3/d、出水准Ⅳ类标准、含再生水回用的污水厂碳排放强度范围为0.81~1.09 kgCO2-eq/m3，行业平均值为0.92 kgCO2-eq/m3。可见案例污水厂碳排放强度基本在行业统计范围内，略高于行业平均水平。
为降低案例污水厂的碳排放强度，首先应从主要因素碳排放强度的降低出发。将污水和污泥碳排放量进行分类合并，全厂各类碳排放活动贡献度见图2。碳排放主要影响因素分别为电力消耗、N2O排放、CH4排放、药剂消耗，贡献度依次为38.12%、28.13%、22.10%、17.83%。N2O排放量主要与进水水质、工艺类型、脱氮率和N2O排放因子有关，硝化过程是产生N2O的主因，其控制难度较大，可通过工艺升级、控制污水处理环境参数调节微生物活动减少排放量。污水处理CH4的控制相对容易，主要从避免泵站及沉沙池处理单元沉积物聚集发生厌氧反应等方面控制。当然案例污水厂CH4排放量主要是污泥好氧发酵工艺引起的，这主要与污泥碳含量、通气状况和发酵工艺等因素有关，可通过控制发酵工艺环境参数减少排放量。但因现阶段N2O、CH4排放因子均无法实测，本次核算取现有研究推荐值计算，因此N2O、CH4即直接碳排放不作为本次碳减排的主要研究对象考虑。综上，为降低案例污水厂的碳排放，首先应致力于电力和化学药剂消耗产生的间接碳排放，其次应重视扩大替碳途径和程度，进一步降低碳排放总量。
图2 各类碳排放贡献度
03 碳减排潜力分析
3.1 减碳策略
在间接碳排放分布中，电耗产生的碳排放占比约为68.27%。据统计，2021年全国电力平均CO2排放因子0.5568kgCO2/kW·h。其中华东区域最高0.7120kgCO2/kW·h，西南区域最低为0.2113kgCO2/kW·h，这主要与西南区域主要以水力发电为主有关。案例污水厂所在地电力排放因子为0.6336kgCO2/kW·h，降低电力消耗对案例污水厂碳减排的意义较大。污水厂用电大户为各类水泵和曝气风机，目前水泵均已按照变频运行，碳减排潜力较小。案例污水厂生物池曝气系统电力消耗约占全厂电力消耗的50.74%，碳减排潜力较大。据统计，应用基于溶解氧和和氨氮控制的精确曝气系统可节约电耗约15%~20%。案例污水厂采用多段多级AO工艺，生物池溶解氧的精确控制可保障各级缺氧区的运行状态，这对工艺脱氮效果的保障也是很有必要的。此外，建议增加关键设备能效管理系统，通过过程优化运行管控，降低能耗，从而降低碳排放。
由表4可知，污水处理药剂中碳排放排在前三位的依次是消毒剂次氯酸钠、碳源乙酸钠、除磷药剂PAC。次氯酸钠主要与进水量有关，与进水水质等其他因素相关性不大，因此不作为碳减排主要因素考虑，重点以碳源乙酸钠及除磷药剂PAC为主制定碳减排策略。据统计，采用基于前馈/反馈控制模式的精确加药系统，据统计可降低药剂投加量约20%~40%。污泥处理药剂中脱水过程中添加的草木灰对碳排放的影响最大，其次为三氯化铁。根据运行统计数据，草木灰投加量为干污泥量的25%，三氯化铁的投加量为干污泥量的6%，草木灰投加产生的碳排放和污泥量的增加是目前污泥处理面临的一个主要问题。污泥脱水设备和脱水药剂选择与实际处理污泥泥质相关性较大，通过现场中试设备试验，一种滤布行走式全自动污泥脱水机，可在不投加草木灰的情况下，仅投加三氯化铁即可达到脱水目标，且三氯化铁最佳投加量可降低至干污泥量4%。
综上，污水污泥处理电力和化学药剂消耗的碳减排策略主要为应用基于溶解氧和氨氮控制的精确曝气系统、应用基于前馈/反馈控制模式的精确加药系统和对污泥脱水工艺实施技改三个方面，经测算碳排放可分别减排7.63%、1.58%、3.89%，合计减排13.10%。以上减排策略具较易实施，但仅靠节能降耗其减碳能力有限，应通过替碳策略达到减排目标。
3.2 替碳策略
污水处理厂替碳技术主要有再生水回用、光伏发电、污水源热泵、污泥资源化利用。案例污水厂核算中替碳量主要是污泥资源化利用和再生水回用（回用率5%）贡献的，分别占碳排放总量的4.56%、3.79%。案例污水厂所在地区属缺水型地区，目前也是节水型城市试点城市，正在大力开展再生水回用工程，预计近年再生水回用率可达25%，核算再生水回用替碳贡献率可提高至16.33%。通过再生水回用工业途径的进一步扩展，再生水回用率有待进一步提高，当回用率提高至60%时，再生水回用替碳贡献率可提高至36.26%。可见，再生水回用替碳潜力可观，在缺水型地区，应大力发展再生水回用工程，减碳同时助力污水厂成为“水源工厂”。
目前，案例污水厂屋顶光伏发电项目正在积极筹备中，在厂区混凝土屋面新建光伏发电系统，总装机容量754.66kWp，25年寿命期内年平均发电量84.58万kWh，约占年耗电量的8.6%，核算光伏技术替碳贡献度为3.27%。可见光伏项目具有一定的能源替代率，但仅靠光伏发电技术想要实现污水厂碳中和还远远不够。有研究表明，污水余热一般占城市总废热排放量的40%，且流量稳定，与污水源热泵相比，其他低碳技术所获取的能量就显得微不足道。案例污水厂若采用污水源热泵技术对厂区进行供暖，厂区所需热量为7776GJ/a，按照替代煤燃料测算，替碳贡献度为4.91%。值得注意的是，按照水源热泵交换4℃温差测算获取该热量的需水量仅为3000m3/d，若能利用污水厂80%的污水量，则可提取热量103654GJ/a，替碳贡献度可提高至60.55%，替碳量可观。但是水源热泵技术交换出来热能属于低品位能源，只能用于周边3~5km建筑等设施直接供热，应用范围有限。有研究提出，污水厂出水余温热能可就地用于剩余污泥低温干化，是污水厂实现碳中和重要途径，也可助力污水厂成为“能源工厂”。
根据以上减碳和替碳策略分析，结合实施难度和可落地性，实施精确曝气、精确加药（碳源、PAC）、脱水工艺技改等减碳策略，可减排13.10%；实施再生水回用（25%）、屋顶光伏项目、水源热泵厂区供暖等替碳策略，替碳贡献度可提升至29.07%，碳排放强度由0.99kgCO2-eq/m3降低至为0.66kgCO2-eq/m3，总体实现33.08%的碳减排。值得注意的是，再生水回用和水源热泵技术依然是案例污水厂未来持续碳减排的重点关注对象。项目二期工程正在规划设计阶段，以上碳减排策略拟在案例污水厂二期工程设计方案中体现和实施，助力污水厂实现绿色低碳运行。
04 结 论
（1）污水处理厂开展碳排放定量核算、绩效评价和碳减排潜力分析，有助于污水厂在行业进行横向对标，结合实际制定碳减排策略，指导碳减排工作开展，促进污水处理低碳转型。
（2）以《城镇污水处理厂碳减排评估标准》为参考，案例污水厂运维阶段碳排放强度为0.99kgCO2-eq/m3，污染物削减碳排放强度为1.70kgCO2-eq/kg。电耗和药剂消耗产生的间接碳排放最大，碳排放贡献度为55.93%。
（3）实施精确曝气、精确加药和污泥脱水工艺技改三个碳减排策略可减排13.10%；实施再生水回用（25%）、屋顶光伏项目、水源热泵厂区供暖等替碳策略可使替碳贡献度提升至26.90%；测算碳排放强度可降低至0.66 kgCO2-eq/m3。
（4）再生水回用和水源热泵技术替碳潜力较大，依然是案例污水厂未来持续实施碳减排工作的重点关注对象。
（来源：给水排水）