双碳背景下 污水处理行业如何实现碳减排？
生态环境部印发的《减污降碳协同增效实施方案》明确提出要推进水环境治理环节的碳排放协同控制，增强污染防治与碳排放治理的协调性。在碳达峰、碳中和这场“硬仗”中，水环境治理再次成为减污降碳关键领域之一，加快推进水环境治理减污降碳协同增效，将推动我国水生态环境保护工作进入新发展阶段。
污水处理行业能耗虽然没有发电、钢铁、化工等行业那么高，但总能耗占比并不小，也属于能耗大户。
污水处理厂中的碳减排
污水处理过程实际就是碳排放的过程，污水处理行业的碳排放量约占全社会总排放量的1%，在环保产业中占比最大。污水处理过程中会排放二氧化碳、甲烷和氧化亚氮。污水处理需要消耗大量燃料和药剂，间接排放大量温室气体，处理过程本身也会直接排放温室气体。其中，二氧化碳主要来源于污水治理设施的能耗过程，而水污染物降解产生的二氧化碳则认定为生源性碳排放；甲烷主要来源于污水处理厌氧环节，包括管网、厌氧池、化粪池、污泥厌氧消化池等；氧化亚氮主要来源于污水处理过程的硝化反硝化阶段。同时污水处理本身也是碳减排过程。未经处理的污水直排导致黑臭是个厌氧过程，会产生更多的碳排放。目前，我国统计出的污水处理率虽然较高，但污水集中收集率普遍较低，许多城市不足50%，污水处理工作任务仍然艰巨。水源保护也是降碳。在人为干预的水循环中，污水经过处理后达标排入自然水体，是一个必经的环节。因此，通过开展水源保护、降低农业面源污染等手段，减少进入水体的污染物含量和污水产生量，用基于自然的解决方法从源头提升水质，本身也是在实现碳减排。
污水处理过程中的碳排放示意图
在污水处理过程中，通过提高污水处理综合能效、提高污水集中收集处理率、探索可持续新工艺等手段，实现低碳污水处理，就是污水处理行业对实现“双碳”目标的重要贡献。从能量转化的角度来说，传统污水处理模式本质是以能耗换水质。为了减少水污染，我们使用大量电能，间接产生大量二氧化碳排放，对全球生态环境造成负面影响。
如何实现绿色低碳发展？
《城镇水务系统碳核算与减排路径技术指南》中指出，污水处理厂碳减排路径可分为减碳路径和替碳路径两大方面，减碳路径包括源头控制、自动化控制、紧凑型污水处理工艺、高效脱氮技术及污水污泥资源回收五部分；替碳技术包括化学能回收、污水余温热能提取及光伏发电。
那么，污水处理行业如何实现绿色低碳发展呢？对于中国污水处理厂的低碳运行有两个方面需要重视：一是基于全生命周期的碳排放量低，主要面向污水处理过程中所用的构筑物、处理工艺、产品或服务;另一种是终端消耗的碳排放量低，需要关注处理电耗、药耗以及运营过程中的节能减排。
01 源头控制
污水处理厂主要活动为处理生活污水中各类污染物,同时消耗大量能量、药剂，并间接造成了相应温室气体排放与大气污染。
第一，采用措施消减流入污水处理厂生活污水中的污染物浓度。例如，采取源分离技术，将居民排泄物与一般清洁用水相分离，单独收集、输送与处置。从而截流、分离排泄物中所含有的氮、磷、钾等营养元素，使之用于可持续农业生产。同时，又避免了过剩污染物进入污水处理厂，大幅降低进入污水处理厂氮、磷总量，间接提高进水中的C/N、C/P比，相当于增加额外碳源、降低污水处理程度、降低污水处理能耗及碳排放强度。
第二，传统污水处理实际是将水环境污染转嫁为大气污染的过程。提高出水水质标准可以降低黑臭水体与富营养化等环境问题风险，但同时也加大了污水处理厂活动水平，向大气中间接排放了更多温室气体。因此，各地管理部门应结合各自情况，因地制宜，宽严相济地制定地方标准。
一般来说，工业企业生产的生产废水经处理达标后，允许其排入市政污水管渠，与生活污水一同进行后续处理。治理工业废水违规超标偷排问题，需要管理部门长期严肃地监管，实施强力有效的惩治手段。
02 污水处理自动化控制，提高污水处理综合能效
依托于信息技术发展，现代污水处理厂可使用精细传感器与控制设备对水务信息进行采集、传输、存储、处理和服务，提升污水处理效率与效能，亦可实现对污水控制过程的全面监测、科学决策、自动控制并及时响应，实现污水处理厂人工智能化。最终达到优化污水处理厂运营管理、实现精准曝气与回流控制，科学投加各类药剂，节约运行能耗与电力消耗，减少间接间接碳排放量，助力碳中和目标实现。
第一，采用高效机电设备。污水处理机电设备主要包括水力输送、混合搅拌、鼓风曝气、污泥脱水、离心、微滤、气浮机等。精确曝气是自动化控制的关键，曝气过程耗能超过污水处理厂运行总能耗的50%。其次是水泵运行能耗。新建设施直接采购高效设备，已有设施逐步更新成高效设备。采用高效电机通常可实现10%-30%的效率提高。
第二，加强负载管理，满足工艺要求的前提下要使负载降至最低，同时，设备配置要与实际荷载相匹配，避免“大马拉小车”。例如，好氧颗粒污泥（AGS）工艺，利用了微生物团聚形成的密实结构，其密度及生物量较传统工艺都有明显提高。由于氧气扩散受限，AGS内部微生物形成了层状结构。这种多层次的结构使得AGS可同时同步进行COD、氮、磷的同步去除。其反应器占地面积通常仅为同规模污水处理工艺的1/4，而其运行维护中生化反应产生的N2O水平与传统污水处理厂相当，需要的机械设备较少，不需要污泥回流泵等设备，可解也25-30%总能耗。其工艺过程需求曝气量更低，可节约30%能耗。AGS工艺整体可减少30%-50%能量消耗，且不需要额外投加化学药剂。
高效脱氮技术应用缩短脱碳流程，减少反应器容积及机械能耗，节省药剂消耗，可以有效降低脱氮过程中产生的间接碳排放量。例如，短程硝化反硝化工艺利用亚硝化细菌（AOB）与硝化细菌（NOB）对氧气亲和力的不同，控制硝化反应只进行到NO2-为止 ，随后再进行反硝化反应，因此，可缩短脱氮反应流程。由此可增大反应器处理负荷，缩小反应器体积，减少碳排放量，降低对碳源与氧气的需求，减少曝气过程能耗，消减因电力消耗导致的间接碳排放量。再如，厌氧氨氧化反应（ANAMMOX）是利用相关微生物的活动，在厌氧环境中，以NO2- 为电子受体，将NH4+直接氧化为N2。此反应过程流程短，且不需消耗有机物及氧气，减少了脱氮过程的机械耗能与磨损，尤其是曝气过程，其节省能源可达60%之多，大幅度减少了碳排放。
污水处理厂节能降耗关键点在升级水处理工艺。系统节能的核心是在保证出水达标的前提下，就爆气系统来说按需提供微生物所需的溶解氧，达到供需平衡，避免曝气能耗的浪费。
第三，建立需求响应机制，根据实际工况的需求及其变化，动态调整设备的运行状态。目前污水行业已经出现感应式调速和线性调速的水力输送和搅拌设备，此类设备可以有效优化水力输送和搅拌系统的整体运行情况，实现节能降耗。采用内置智能控制系统的水力输送设备和搅拌器，在特定工况条件下，与传统设备相比，甚至可以节省50%以上的能耗。
03 优化工艺回收有机物能量
首先，通过开源实现能量自给，是从根本上解决绿色低碳发展问题。
据测算，污水中所含能量达污水处理本身所消耗能量的9-10倍之多。通过优化污水处理工艺，回收有机物能量，利用沼气热联发电，可实现碳中和。
在污泥处置领域，国内小红门、高碑店污泥处理中心成功运行，污泥产气率超出预期目标，除满足热水解能量平衡的需要外，还有余量。
这充分表明，污泥高级厌氧消化技术已经比较可靠、稳定，既为国内污泥处理探索出新思路，同时也为实现碳中和提供有力支撑。
其次，污水余温热能提取。城镇生活污水四季温度变化不大，流量稳定，具有冬暖夏凉的特点，可以作为稳定的冷热交换源，可以通过水源热泵技术从污水处理厂处理出的水中交换热能来实现供冷供热。
04 优化原料投入环节
污水处理工艺多样，但本质是通过生化反应来去除水中污染物。因此，在处理环节需要投加碳源和多种化学药剂。这些原材料在生产和运输过程中消耗能源，在投加过程中也消耗一定能源。
因此，优化投料环节，有助于节能降耗减少碳排放。
如何优化原料投入环节呢？目前，市场上主要有两种方式。
第一种，对加药系统进行配置升级，由常用的变频计量泵升级为数字泵，加药量有不同程度减少。
另外，也有企业深入研究碳源投加和除磷加药环节，对加药设备进行智能化精准化控制。有数据表明，相比传统模式，最高可减少9.66%的加药量。
第二种，运用AI技术对污水水量、水质等参数和加药系统运行数据等进行大数据分析，形成最优算法模型，从而实现加药系统精细化控制，也能有效降低药品消耗以及设备运行能耗。
WISWATER®智慧水务管控系统的智能加药（智能除磷、智能脱氮）模块可通过采集过程数据、水质数据，按相应工艺（除磷、絮凝、脱氮、消毒）的预置程序运算（前馈控制），输出数据至I/O模块转换成电信号，驱动计量泵，阀门，再与流量、水质反馈数据闭环（后馈控制），结合植入行业经验的模糊逻辑，自适应精准调节加药量。能有效降低药品消耗和设备运行能耗，实现节能减排、控制成本的目的。
据实际使用系统的污水处理厂数据显示，在处理水量增大的情况下，药耗、电耗仍在持续走低。
与同期相比，电单耗从0.716度/吨降低为0.554度/吨，降耗率为22.63%，有效降低电费5万余元，占全年总电费的11.3%；除磷剂单耗从0.043kg/m3降低为0.031kg/m3，降耗率为27.91%；碳源单耗从0.241kg/m3降低为0.192kg/m3，降耗率为20.33%。
探索可持续新工艺
01 针对有机物去除的工艺
基于有机污染物去除的可持续污水处理新工艺主要是厌氧处理技术，能耗低，且可回收能源。高浓度有机废水的厌氧技术已成熟，但城市污水有机物浓度低，厌氧处理存在投资大和占地大等障碍。目前，城镇污水厌氧处理方向研究的热点是厌氧膜生物反应器 AnMBR，与传统厌氧工艺相比，可大幅度减少占地，但技术成熟度离生产性应用尚存在差距。
02 针对脱氮的低能耗、低药耗工艺
低能耗、低碳源消耗的脱氮工艺主要包括基于短程反硝化原理的SHARON工艺和基于厌氧氨氧化的ANNAMOX/DEMON工艺。与传统的AAO工艺相比，SHARON可节约25%的能耗、40%的碳源消耗，而ANNAMOX工艺可节约60%的能耗、90%的碳源消耗。目前，SHARON和ANNAMOX在高浓度氨氮污水处理中已较成熟。ANNAMOX工艺在典型城镇污水处理上虽有进展，但离实际应用仍有差距。
03 碳氮两段法工艺
未来革命性的可持续污水处理工艺方向是碳氮两段法：首先对污水中的有机物进行分离，分离出的污泥通过厌氧消化产生CH4，或对污水直接进行厌氧处理产能，分离后含有氨氮的污水通过主流厌氧氨氧化进行脱氮。根据理论估算，采用上述碳氮两段法，处理1人口当量的污染物将产生24瓦时能量，使污水处理厂真正成为“能源工厂”，且污泥产量仅为活性污泥法的四分之一。
