全球變暖導(dǎo)致極端天氣事件頻發(fā)、生態(tài)系統(tǒng)退化，是人類當(dāng)今面臨的最大挑戰(zhàn)之一。在這樣的背景下，國際社會積極采取行動，應(yīng)對氣候變化。污水處理是重要的碳排放行業(yè)，亟需系統(tǒng)全面地開展碳減排工作。

污水處理碳排放包括間接排放和直接排放。污水處理是社會中較小的行業(yè)，但屬于能源密集型行業(yè)，美國、德國、日本等國家污水處理行業(yè)電耗占全社會總電耗的1%左右，高能耗導(dǎo)致大量間接碳排放。污水處理過程會產(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)計辦公室2014年歐洲統(tǒng)計報告，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)，占全社會總碳排放量的3.3%。美國EPA統(tǒng)計預(yù)測，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6億t 和1億t CO2當(dāng)量，約占非CO2總排放量的4.5%?？傮w上，污水處理行業(yè)碳排放量占全社會總排放量的1%～2%。

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我國城鎮(zhèn)污水處理行業(yè)的總體碳排放水平及趨勢

經(jīng)過“十一五”和“十二五”時期的高速建設(shè)，中國城鎮(zhèn)污水處理設(shè)施已經(jīng)形成規(guī)模化的處理能力。截至2015年底，全國設(shè)市城市和縣城建成并投入運(yùn)行污水處理廠共3830座，日處理能力達(dá)1.62億m3，超過了美國1.25億m3(33240MGD)的處理能力。2015年全年實(shí)際處理污水511億m3。

基于各地區(qū)代表性污水處理廠典型工藝運(yùn)行數(shù)據(jù)分析及實(shí)際監(jiān)測，按照IPCC方法學(xué)以及相關(guān)方法學(xué)研究，初步計算，2015年全國污水處理逸散CH4和N2O產(chǎn)生的直接碳排放量為2 512.2萬tCO2當(dāng)量，電耗產(chǎn)生的間接碳排放量為1 401.6萬t CO2當(dāng)量，絮凝劑消耗產(chǎn)生的間接碳排放量為70.9萬t CO2當(dāng)量。綜上，2015年中國污水處理行業(yè)碳排放量為3 984.7萬t CO2當(dāng)量，單位水量的碳排放當(dāng)量(碳排放強(qiáng)度)為0.78 kg/m3。

2015年，中國污水處理行業(yè)總電耗為140億kW·h，僅占全社會總電耗的0.26%，遠(yuǎn)低于西方國家1%的比例。主要原因有：污水收集系統(tǒng)不完善導(dǎo)致污水收集處理率較低、污水濃度也較低、處理標(biāo)準(zhǔn)總體不高以及污泥處理處置滯后等。隨著收集系統(tǒng)的完善、提標(biāo)改造的實(shí)施以及污泥處理處置率的提高，污水處理電耗將逐年升高?！笆濉逼陂g，污水處理電耗年平均增加 12.9%。隨著城鎮(zhèn)化率、污水處理率、污泥處理處置率不斷提高以及排放標(biāo)準(zhǔn)的提高，污水處理電耗還將進(jìn)一步增加，應(yīng)及早采取措施提高行業(yè)能效，降低間接碳排放。

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我國污水處理行業(yè)碳減排路徑

與能源、建筑、交通等行業(yè)相比，污水處理減排成本低，減碳效益大。發(fā)達(dá)國家意識到污水處理行業(yè)蘊(yùn)含的高效減排潛力，將其列入碳減排重點(diǎn)領(lǐng)域，并探索出了一些可行的碳減排路徑。美國和日本強(qiáng)調(diào)通過高效機(jī)電裝備和高級控制對策節(jié)能降耗，同時加大污水污泥蘊(yùn)含能源的開發(fā)回收力度。加拿大著力開發(fā)運(yùn)營優(yōu)化技術(shù)，目前已形成較完善的污水處理運(yùn)營優(yōu)化技術(shù)體系。歐洲重視低碳處理新工藝研發(fā)，在可持續(xù)污水處理工藝研究方面居于領(lǐng)先水平。西方國家的經(jīng)驗(yàn)為尋找我國污水處理行業(yè)的碳減排路徑提供了很好的借鑒。

2.1提高污水處理綜合能效

美國在供水和污水處理行業(yè)提出三個層面的能效提高路徑：一是采用高效機(jī)電設(shè)備，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;二是加強(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(shí)際荷載相匹配，避免“大馬拉小車”;三是建立需求響應(yīng)機(jī)制，根據(jù)實(shí)際工況的需求及其變化，動態(tài)調(diào)整設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)。

2.1.1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、混合攪拌和鼓風(fēng)曝氣三大類。采用高效電機(jī)是這些設(shè)備具有較高機(jī)械效率的前提，目前污水行業(yè)的水力輸送和攪拌設(shè)備均已經(jīng)出現(xiàn)具備IE4能效水平的高效電機(jī)，采用高效電機(jī)通?？蓪?shí)現(xiàn)5%~10%的效率提高。

水力輸送設(shè)備的水力端設(shè)計是關(guān)鍵，水力端需具備無堵塞、持續(xù)高效的特點(diǎn)，無堵塞技術(shù)可避免通道容量減少降低效率或長期超負(fù)荷運(yùn)行燒毀電機(jī)。持續(xù)高效可確保電機(jī)長期高效運(yùn)行，先進(jìn)的水力端設(shè)計可以實(shí)現(xiàn)水力輸送設(shè)備全生命周期節(jié)省7%~25%的能耗，而且介質(zhì)條件越惡劣，其節(jié)能效果相對會越明顯。

混合攪拌設(shè)備的水力端設(shè)計同樣關(guān)鍵，采用后掠式葉片設(shè)計可以提供額外的自清潔功能，使攪拌器具有良好的抗纏繞性能，從而避免攪拌效率降低甚至燒毀電機(jī)的風(fēng)險。

鼓風(fēng)曝氣包括鼓風(fēng)機(jī)和曝氣器兩部分。容積式鼓風(fēng)機(jī)雖然購置費(fèi)用較低，但機(jī)械效率很低，應(yīng)盡量避免采用。單級高速離心式鼓風(fēng)機(jī)效率很高，且技術(shù)進(jìn)步很快，采用空氣懸浮或磁懸浮等高速無齒技術(shù)，可使電機(jī)與風(fēng)機(jī)實(shí)現(xiàn)“零摩擦”驅(qū)動，實(shí)現(xiàn)超高速運(yùn)行，顯著提高機(jī)械綜合效率及效益。不同材質(zhì)不同結(jié)構(gòu)形式的曝氣器氧傳質(zhì)性能差別很大，采用抗撕裂、抗老化、壽命長的新型高分子聚氨酯材料以及超微孔結(jié)構(gòu)設(shè)計的曝氣產(chǎn)品具有充氧性能高、運(yùn)行穩(wěn)定和調(diào)節(jié)品質(zhì)好的特征。另外，混合曝氣、逆流曝氣、限制性曝氣、全布曝氣都是可以采用的高效曝氣形式。在進(jìn)行曝氣器數(shù)量的選擇時應(yīng)綜合考慮水廠水質(zhì)水量波動情況和鼓風(fēng)機(jī)性能參數(shù)，使其在最優(yōu)單頭通氣量范圍內(nèi)工作，也可明顯提高充氧性能。

2.1.2加強(qiáng)負(fù)載管理

污水提升以及污泥回流等單元的水力輸送設(shè)備常由于流量級配不合理、揚(yáng)程選擇偏大，使設(shè)備絕大部分時段在低效工況運(yùn)行，應(yīng)予以改造。

由于擔(dān)心污泥沉積，混合攪拌設(shè)備的設(shè)計攪拌功率同樣普遍偏大，實(shí)際處于過度攪拌狀態(tài)，導(dǎo)致電耗增加，準(zhǔn)確把握攪拌器與介質(zhì)之間力和能量的傳遞非常關(guān)鍵，而采用推力作為攪拌器的選型依據(jù)，可以準(zhǔn)確衡量實(shí)際工況所需攪拌器的大小，有效避免此類電耗的浪費(fèi)。

隨著脫氮除磷要求的日益嚴(yán)格，污水處理過程需要攪拌器數(shù)量也越來越多，成為不容忽視的耗電環(huán)節(jié)。當(dāng)設(shè)置潛流推進(jìn)器時，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。當(dāng)推進(jìn)器距離上游曝氣器不小于一倍水深，并且推進(jìn)器距離下游曝氣器不小于水深和廊道寬度的最大值時，推進(jìn)器和曝氣系統(tǒng)最為穩(wěn)定，能耗最低。高效的潛水推進(jìn)器配合好氧池的池型優(yōu)化設(shè)計，可以降低池內(nèi)阻力損失、減少推進(jìn)器的功率需求，實(shí)現(xiàn)能耗降低。曝氣系統(tǒng)的電耗占污水處理總電耗的50%~70%，是加強(qiáng)負(fù)載管理的重點(diǎn)。設(shè)計基于穩(wěn)妥的目的，常使鼓風(fēng)機(jī)風(fēng)量級配不合理、出風(fēng)壓力選擇偏大，使之絕大部分時段在低效工況運(yùn)行。鼓風(fēng)氣量偏大或曝氣器數(shù)量偏少都將導(dǎo)致單位曝氣器氣量過大，造成充氧轉(zhuǎn)移效率降低、阻力增大，降低能效。另外，曝氣器堵塞后如不能及時清洗，也會增加阻力損失，增大能耗。

2.1.3建立需求響應(yīng)機(jī)制

建立需求響應(yīng)機(jī)制就是實(shí)現(xiàn)各單元以及全流程的優(yōu)化運(yùn)行。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)備內(nèi)置智能控制系統(tǒng)，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。

高效的水力輸送設(shè)備內(nèi)置專業(yè)為水力輸送系統(tǒng)設(shè)計的智能控制系統(tǒng)，可以自動進(jìn)行設(shè)備自清洗，泵坑自清洗和管路自清洗，可以自動調(diào)節(jié)設(shè)備運(yùn)行頻率達(dá)到系統(tǒng)的能耗最低點(diǎn)。額外的控制系統(tǒng)甚至可以優(yōu)先啟動效率最高的水泵，可以根據(jù)整個輸送管網(wǎng)的波峰波谷自動切換控制模式，從而發(fā)揮泵站的蓄水能力，減少對管網(wǎng)的沖擊，使輸送泵站與水廠協(xié)同運(yùn)行。

混合攪拌設(shè)備內(nèi)置智能控制系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)攪拌器推力可調(diào)，當(dāng)由于工況變化所需推力降低時，攪拌器通過降低轉(zhuǎn)速滿足工況需求，同時節(jié)省能耗;當(dāng)所需推力升高時，攪拌器通過提高轉(zhuǎn)速滿足工況需求，避免設(shè)備增加或更換。

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。

目前，前饋、反饋、前饋、反饋耦合等各種不同控制品質(zhì)的曝氣控制器和控制策略已較成熟，可以實(shí)現(xiàn)按需供氧，避免不必要的電耗。目前，基于SOUR和OTR在線實(shí)時測定的先進(jìn)曝氣控制系統(tǒng)(BIOS)可在滿足處理要求的前提下將鼓風(fēng)曝氣量動態(tài)降至最低，大幅度降低能耗，同時還能提高曝氣器的氧利用率。設(shè)置高效潛流推進(jìn)器，使池內(nèi)介質(zhì)保持一定的流速，可在滿足工藝實(shí)際需要的前提下進(jìn)一步降低鼓風(fēng)曝氣量時，避免混合液發(fā)生沉積。另外，介質(zhì)保持一定的流速，可使氣泡在水中有更長的停留時間，進(jìn)一步提高系統(tǒng)的氧轉(zhuǎn)移效率。應(yīng)定期調(diào)節(jié)污泥回流比，在滿足污泥回流量的前提下，使之降至最低，在實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗的同時提高出水水質(zhì)。通過微波含固量在線測定技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)污泥脫水單元加藥量的前饋或反饋控制，降低絮凝劑的消耗量，減少間接碳排放。

2.2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)甲烷三個技術(shù)路徑。產(chǎn)乙醇技術(shù)雖然成熟，但能源轉(zhuǎn)化率較低。產(chǎn)氫技術(shù)目前仍存在反應(yīng)器放大的困難，制約生產(chǎn)性應(yīng)用。實(shí)踐中普遍采用的是厭氧消化技術(shù)。傳統(tǒng)厭氧消化技術(shù)能源轉(zhuǎn)化率在30%~40%,而高級厭氧消化技術(shù)可提高到50%~60%。高級厭氧消化技術(shù)包括高溫厭氧消化、溫度分級厭氧消化和酸氣兩相厭氧消化。污泥預(yù)處理技術(shù)近年來進(jìn)展較快，具體包括熱水解、超聲細(xì)胞破碎、微波細(xì)胞破碎、生物酶水解、聚焦電脈沖和化學(xué)細(xì)胞破碎等技術(shù)，目前應(yīng)用較多的是熱水解技術(shù)，這些預(yù)處理技術(shù)可使厭氧消化的能源轉(zhuǎn)化率進(jìn)一步提高。傳統(tǒng)厭氧消化技術(shù)可使污水處理實(shí)現(xiàn)20%~30%的能源自給率，預(yù)處理、高級厭氧消化、渦輪發(fā)動機(jī)或燃料電池以及熱電聯(lián)產(chǎn)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。

2.3探索可持續(xù)新工藝

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(diǎn)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。

另一類可持續(xù)污水處理工藝是低能耗、低碳源消耗的脫氮工藝，有很多種類，但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工藝可節(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，在污泥回流液處理中已有一批成功案例。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。

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。按照Kartal等人的理論估算，采用現(xiàn)在的活性污泥法，處理1人口當(dāng)量的污染物需要耗電44 W·h，而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 W·h能量，從而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。

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我國城鎮(zhèn)污水處理行業(yè)碳減排潛力

碳減排潛力包括現(xiàn)實(shí)可得潛力和最大可得潛力，前者是指在現(xiàn)有的技術(shù)經(jīng)濟(jì)條件下可以挖掘的潛力，后者是通過可預(yù)見的技術(shù)經(jīng)濟(jì)進(jìn)步未來能夠挖掘的潛力。

3.1我國城鎮(zhèn)污水處理行業(yè)碳減排現(xiàn)實(shí)可得潛力(RAP)

提高污水處理綜合能效可以挖掘第一部分現(xiàn)實(shí)可得潛力。目前，我國污水提升泵站水泵普遍存在級配不合理、揚(yáng)程偏大、沒有變頻裝置及自動編組控制等現(xiàn)象，按照國際經(jīng)驗(yàn)及國內(nèi)已有成功改造案例，通過采用高效機(jī)電設(shè)備、加強(qiáng)負(fù)載管理和建立需求響應(yīng)機(jī)制等路徑，可實(shí)現(xiàn)20%～50%的減排潛力。對于混合攪拌單元，普遍存在攪拌器機(jī)械效率低、功率輸入大、過度攪拌等現(xiàn)象，按照國際經(jīng)驗(yàn)及國內(nèi)已有成功改造案例，通過采用高效機(jī)電設(shè)備、加強(qiáng)負(fù)載管理和建立需求響應(yīng)機(jī)制等路徑，可實(shí)現(xiàn)20%～40%的減排潛力。對于曝氣系統(tǒng)，普遍存在鼓風(fēng)機(jī)出口壓力過大、曝氣器效率低、未設(shè)置曝氣控制系統(tǒng)等狀況，按照國際經(jīng)驗(yàn)及國內(nèi)已有成功改造經(jīng)驗(yàn)，通過采用高效機(jī)電設(shè)備、加強(qiáng)負(fù)載管理和建立需求響應(yīng)機(jī)制等路徑，可實(shí)現(xiàn)20%～30%的減排潛力。對于污泥脫水單元，只有自控溶藥裝置，目前還沒有投藥量控制系統(tǒng)，按照國際經(jīng)驗(yàn)及國內(nèi)已有成功改造經(jīng)驗(yàn)，通過采用高效機(jī)電設(shè)備、加強(qiáng)負(fù)載管理和建立需求響應(yīng)機(jī)制等路徑，可實(shí)現(xiàn)20%～30%的減排潛力。綜上，在2015年基礎(chǔ)上，通過提高污水處理綜合能效，每處理萬立方米污水可挖掘的現(xiàn)實(shí)可得潛力為284.9～509.2 t CO2當(dāng)量。

大力回收能源可以挖掘第二部分現(xiàn)實(shí)可得潛力。美國年產(chǎn)污泥750萬干噸，建設(shè)了650座集中厭氧消化設(shè)施，將58%的污泥進(jìn)行了厭氧消化。設(shè)置76套熱電聯(lián)供系統(tǒng)(CHP)，總裝機(jī)裝機(jī)容量220 MW，且正在迅速增加。歐盟國家年產(chǎn)污泥800萬干噸，50%以上進(jìn)行了厭氧消化，英國厭氧消化率達(dá)到66%，總體能源自給率約20%。目前，我國年產(chǎn)污泥約540萬干噸，僅有不到五十座消化設(shè)施，厭氧消化率不足5%，存在較大能量開發(fā)與回收空間，由此可挖掘的碳減排潛力很大。通過采用預(yù)處理、高級厭氧消化以及熱電聯(lián)產(chǎn)(CHP)等技術(shù)，將污泥厭氧消化比例提高到55%，可實(shí)現(xiàn)15%～25%的能源自給，實(shí)現(xiàn)間接減排量210.0～350.4萬t CO2當(dāng)量。目前，全行業(yè)污泥總體以填埋為主，

如不進(jìn)行厭氧消化，厭氧消化產(chǎn)生的甲烷將逸散產(chǎn)生直接排放。將污泥厭氧消化比例提高到55%，減少的直接碳排放為425.2萬～708.7萬t CO2當(dāng)量。綜上，回收能源的現(xiàn)實(shí)可得潛力為635.2萬～1 059.1萬t CO2當(dāng)量。

綜合提高能效和能源回收的減排潛力，全行業(yè)全年可實(shí)現(xiàn)間接碳減排494.9萬～859.6萬t CO2當(dāng)量，為2015年間接碳排放量的33.6%～58.4%。加上厭氧消化同步實(shí)現(xiàn)的直接碳減排量，全行業(yè)全年碳減排現(xiàn)實(shí)可得潛力為920.1萬～1 568.3萬t CO2當(dāng)量，為2015年總碳排放量的23.1%～39.4%。

3.2我國城鎮(zhèn)污水處理行業(yè)碳減排最大可得潛力(MAP)

選擇新型的節(jié)碳工藝，降低能耗、避免外加碳源，是減少生物處理過程碳排放的關(guān)鍵。短程硝化反硝化、厭氧氨氧化和反硝化除磷技術(shù)是廣受關(guān)注的節(jié)碳工藝。短程硝化反硝化技術(shù)可節(jié)約25%左右的需氧量和40%左右的碳源，減少50%左右的污泥量;厭氧氨氧化可節(jié)省60%的需氧量，不需額外投加碳源，并且高負(fù)荷，低污泥產(chǎn)量;反硝化脫氮除磷可節(jié)省30%左右的需氧量和50%左右的碳源，減少50%左右的污泥產(chǎn)量。未來，如厭氧氨氧化工藝獲得突破并得以普遍應(yīng)用，能耗將在現(xiàn)有基礎(chǔ)上進(jìn)一步降低30%，全部碳源將用于高效厭氧消化，產(chǎn)生的能量足以覆蓋能耗，污水處理將不再產(chǎn)生間接碳排放，成為名副其實(shí)的“能源工廠”，這是污水處理行業(yè)碳減排最大可得潛力(MAP)。

作者：王洪臣，刊登在《給水排水》2017年03期水業(yè)導(dǎo)航欄目