张惠：城镇污水处理行业低碳技术研究现状与发展趋势分析
摘 要 在全球气候变化的大背景下,我国在2020 年提出了“双碳”目标,推进经济社会发展全面绿色转型。城镇污水污泥处理处置由于其具备污染物削减功能和高能耗特点,碳排放量可观,成为减污降碳的重点实施行业。研究基于污水污泥处理处置过程中碳排放特征,从过程和管理优化、技术和工艺升级、能源和资源回收三方面,总结了具有研究实践基础和推广应用前景的污水污泥处理处置低碳技术,系统分析了各技术的减碳关键点和碳减排效果,最终凝练提出了未来城镇污水污泥处理处置行业节能、低耗、低碳、循环的发展趋势,为我国污水污泥处理处置行业践行绿色循环理念,实现“碳中和”愿景,促进可持续发展提供方向。
关键词 污水污泥 处理处置 碳排放 低碳 节能降耗
【引文格式】
张惠.城镇污水处理行业低碳技术研究现状与发展趋势分析[J].净水技术, 2024, 43(7): 1-9.
ZHANG H.Analysis on research status and development trend of low-carbon treatment and disposal technologies for urban sewage and sludge [J].Water Purification Technology, 2024, 43(7): 1-9.
引言
污水处理行业关系公共卫生和生态安全，是我国水生态环境质量改善、人居环境品质提升的重要一环。同时，污水处理行业属于能耗大户，占全社会碳排放总量的1%～2%，碳排放量可观。据测算，到2030年，我国污水处理行业碳排放量将达3.65亿tCO2eq， 占全国碳排放量比例也将升至2.95%。在全球气候变化的大背景下，污水处理行业碳减排已成为各国共识，多个国家已发布相关“碳中和”计划。丹麦作为低碳转型的典型国家，于2012年发布了Copenhagen 2025 Climate Plan，详细规划了哥本哈根的减排方向、目标和路径，其中市政领域是四大减排领域之一。我国为实现2030年“碳达峰”、2060 年“碳中和”的目标，在各领域发布了一系列政策文件，其中生态环境部等部委2022年在联合发布的《减污降碳协同增效实施方案》中对污水污泥节能降耗和资源化利用提出了详细要求：推进污水处理厂节能降耗，优化工艺流程，提高处理效率；鼓励污水处理厂采用高效水力输送、混合搅拌和鼓风曝气装置等高效低能耗设备；推广污水处理厂污泥沼气热电联产及水源热泵等热能利用技术；提高污泥处置和综合利用水平；在污水处理厂推广建设太阳能发电设施。在此背景下，我国城镇污水污泥处理处置已开启低碳转型之路。
目前关于污水处理行业碳排放构成与核算已有较多研究。城镇污水处理过程中碳排放环节主要包括：污水生化处理等过程产生的CO2、CH4 和N2O 等气体造成直接碳排放；污水厂各单元的能源、电力和药剂消耗造成间接碳排放。本研究从污水处理行业工艺特点和碳排放特征出发,梳理城镇污水污泥减碳技术的要点、优势和减排效果等，并分析应用前景和发展趋势,为污水处理行业实现减污降碳协同增效提供理论基础。
过程优化、精细管理
污水处理过程中，污水提升系统、曝气系统、污泥脱水系统是主要耗能单元，其中污水提升系统电耗占全厂电耗的10%～20%，曝气系统占50% ～70%。药耗主要包括外加碳源、除磷剂、消毒剂、污泥脱水药剂等。根据测算，当单位水量电耗发生±0.05 kW·h/m3 变化时,年碳排放量相应±945 tCO2/a;药耗每发生±10%时，年碳排放量相应±318 tCO2/a。可以针对能耗和药耗潜在提升点采取相应减碳技术。此外，由于我国普遍存在管网系统不健全的问题，在污水收集过程中也有减碳空间。
（1）管网建设和改造：系统治理、提质增效
管网是我国城市水系统治理的关键所在和薄弱环节，管网的破损、混接、淤积等往往导致污水集中收集率低、合流制溢流污染严重、污水厂进水浓度不升反降等现象，不利于污水处理行业的减污降碳。因此，应重视厂网系统化治理、管网建管运维，从而提高污水厂污水收集率和进水有机物浓度，减少外部碳源带来的化学药剂消耗，也可解决污泥厌氧消化和热电联产过程中因碳源不足影响沼气产生量和发电量的问题。
（2）污水提升和输送：合理布局、优化设计
在污水提升和输送过程中，设计应充分考虑地形和自然坡度，合理进行高程布置、减少水泵扬程，避免跌水过大、多次提升。污水厂内管道应布置紧凑，尽量采用直线连接，减少弯管和连接管长度。选择合适出水方式，如二沉池前选择淹没出流方式、二沉池选择堰口出水方式，可减小水泵扬程。可采用变频调速、流量调节等措施，使提升泵处于高水位时启动运行，减少启停频率。卢伟等对某污水厂开展运行优化，通过改造提升泵叶轮使其实际提升流量、扬程均处于高效区，提升泵运行效率可由58%提高至65%以上。
（3）污水搅拌与曝气：提高能效、智能控制
在污水进行生化处理过程中，搅拌和曝气环节是节能降耗的重要潜力点，曝气规模、曝气工艺、曝气管布置方式、设备选择等都将影响曝气系统能效。合理确定曝气规模是曝气系统节能降耗的基础。
（4）污水处理与加药：精准投加、按需调控
药剂种类和数量不仅影响污水和污泥处理效果，还关系到降本增效。长期以来，加药过程一般为人工调节、基础自动化控制，依赖于运行人员对进出水水质的经验判断，误差较大。随着污水处理行业向精细化运行发展，科学加药、智能加药技术研发和应用将越来越多。
（5）污水减量与储存：高效减量、优化储存
污水厂污泥减量是后续储存、运输和处理处置的前提，减量化程度和效果关系到后续环节实施难度，影响经济性和碳排放。
污泥源头减量是通过各种手段使活性污泥中的微生物充分进行内源呼吸，将污水中有机物较彻底地氧化分解，达到降低活性污泥产率、减少剩余污泥量的目的，从而降低后续处理处置成本和碳排放水平。常见污泥源头减量技术包括隐性生长技术、解偶联技术、生物捕食技术等。
技术开发、工艺升级
近年来，大量研究聚焦于各种低碳、高效、集约的新型污水污泥处理处置技术开发，其中污水处理低碳新技术包括好氧颗粒污泥、厌氧氨氧化、短程硝化反硝化等，污泥处理处置低碳新技术包括污泥热解炭化技术、污泥热解气化技术等。
（1）好氧颗粒污泥技术
好氧颗粒污泥是活性污泥微生物在好氧条件下形成的结构紧凑、形状规则的生物聚集体，分层结构营造了外部好氧区域和内部厌氧区域，因此好氧和厌氧微生物可同步去除氮磷。该技术微生物富集量是传统活性污泥法的2～3倍，占地节省20%以上，能耗可减少30%～50%，无需额外药耗；但造粒速度慢、稳定性差。
（2）厌氧氨氧化技术
厌氧氨氧化是在厌氧条件下，厌氧氨氧化菌利用CO2、HC图片等无机碳，以N图片-N 和NH图片N 为电子受体与供体，摩尔比为1∶1.32 反应生成N2 的过程。与传统污水处理工艺相比，该技术无需外加碳源，可节约药剂90%；污泥产量低，可减少80%剩余污泥量；可节约投资和运行成本20%，节省能耗30%，全过程碳排放可降低50%。厌氧氨氧化技术目前主要应用于污水处理厂污泥消化液处理，如北京市目前建有世界上最大规模的污泥消化液厌氧氨氧化脱氮工程，年碳减排量约1.05 万t。
（3）短程硝化反硝化技术
短程硝化反硝化技术缩短了传统生物脱氮反应路径,控制硝化作用在N图片生成阶段后直接进行反硝化，可节约耗氧量25%,节省碳源40%，节约占地，减少污泥产量。该技术对菌种要求较高，在反应体系中需形成氨氧化菌对亚硝酸盐氧化菌的竞争优势，且对氧环境要求较高、受温度影响较大。
（4）污泥热解炭化技术
2008 年以后，中国逐步开展了污泥炭化的技术研究和工程应用。污泥热解炭化是在无氧或缺氧条件下进行热解处理，以获得含碳固体产物为主要目标产物的污泥稳定化过程。有机物在碳化过程发生分解，产物包括由低分子有机物、水蒸气等组成的热解气、焦油以及由固定碳和无机物为主的固体碳化物。生物炭具有改良土壤性质、促进土壤团聚体的形成、调控土壤微生物生态、减少温室气体效应等作用。此外，它还可在建材、燃料、吸附材料等方面多元利用。该技术属于新工艺，目前在国内已有应用，如无为市污水处理厂污泥处理处置项目、即墨污泥热解炭化处理项目等。
（5）污泥热解气化技术
污泥热解气化是在微正压、无氧或缺氧条件下通过加热使污泥中有机物充分分解，转化为热解气、热解油、残炭等产物的过程。可燃气经净化后可用于发电或补充干化系统热能，固态渣体可用于建材原料和土地改良等领域。
能源优化、资源回收
污水中可提取的化学能为1.5～1.9 kW·h/m3，是污水处理所需能耗的近5倍，能源利用和资源回收潜力可观。理论上，污水处理厂可实现能量自给甚至向外输出，有望从耗能大户转为能源供给方。
（1）污水热能回收利用
污水余热中蕴含的热能约为化学能的4倍，占城市废热排放总量的15%～40%，回收价值较高。生活污水温度波动小，夏天温度低于环境温度，冬天温度高于环境温度；污水源热泵技术利用这一特点，实现夏天制冷、冬天制热，如满足厂内能源需求仍有富余还可扩大输出范围。但污水余热属于低品位热源，有效输送半径仅为3 ～5 km，适合就近利用。
（2）清洁能源开发利用
污水处理厂占地面积较大，沉淀池、曝气池、滤池等构筑物上方空间有条件安装太阳能发电设施，实施光伏发电可自给自用、节约能耗，符合循环经济理念和绿色低碳要求。
（3）污泥生物质回收利用
污泥中含有丰富有机质，通过厌氧消化可回收生物质能、产生沼气，沼气热电联产可实现热、电两种能源回收。污泥热电联产可减少污水处理厂总碳排放量约40%。
（4）污泥焚烧热能回收利用
污泥焚烧产生的烟气进行热能回收的方式分为一次利用和二次利用。一次利用指回收的热量用于焚烧以减少辅助热源或燃料消耗，如用于预热燃烧空气或污泥脱水/干化；二次利用指回收的热量用于发电、加热外部介质等。
（5）磷回收
磷是重要的战略资源，是组成生命体的必要元素之一，因此，从污水和污泥中回收磷具有十分重要的意义。污水处理厂利用鸟粪石实现磷回收可抵消约13 000 tCO2eq，降低7% ～18%温室气体排放量。磷回收技术主要分为5 类：源头分离回收、出水沉淀回收、污泥消化液或污泥脱水上清液中沉淀回收、生污泥及消化污泥沉淀回收、污泥焚烧灰分回收，其中后3 类应用较多。磷回收多数通过投加化学药剂沉淀实现，产物主要有鸟粪石(磷酸铵镁)、磷酸钙、磷酸镁等。
（6）氨回收
对于高浓度氨氮废水，目前已有两种较成熟的方法进行氨回收：吹脱法，即通过升高液体温度或pH 提高氨离解率，再通过载气将NH3 与液体分离后用于氮肥生产；化学沉淀法，即在特定反应器中投加含金属离子的化学药剂，使N图片形成金属盐化合物并在污水中以结晶形式沉淀析出。对于低浓度氨氮污水，目前研究热点技术包括折点氯化法、电化学氧化法、电容去离子技术、离子交换技术等。
发展趋势
城镇污水污泥处理属于耗能密集型行业，在双碳背景下，打造节能、低耗、低碳、循环的新型污水污泥处理工程是大势所趋。在减污降碳协同增效的政策导向下，城镇污水污泥处理行业将呈现如下发展趋势。
(1)绿色、低碳、循环发展的配套政策和标准体系将更加健全。目前我国城镇污水污泥处理行业正处于低碳发展转型过渡期，亟需在统一碳排放核算方法的基础上开展多维度评估标准和评价指标，建立低碳发展标准体系。根据污水污泥处理企业的减碳贡献、能源转化效果制定低碳转型激励机制和价格机制，促进污水污泥处理工程进行工艺改造和技术升级。
(2)污水污泥处理处置的运营管理将趋向精细化、智能化。我国城镇污水处理厂正由规模增长向质量增效转变，系统性和整体性不断增强。污水污泥处理工程的精细化管理和智能化运维将大大提升污水和污泥效率，对于问题可进行有效诊断、及时反馈、精确调控，助力污水处理行业可持续发展。
(3)能源资源回收利用和碳平衡碳中和理念将更加深入。污水中尚有巨大能源潜力未充分发掘，其中有机碳源高效捕获、氮磷高效分离回收、能量高效开发等技术是低碳转型道路上的研究应用热点。目前我国面向未来的污水处理概念厂建设工作刚刚起步，仍需在实践推广中突破和发展，真正实现出水可持续、能源零消耗、物质可循环及环境友好。
