全球变暖导致极端天气事件频发、生态系统退化, 是人类当今面临的最大挑战之一。在这样的背景下, 国际社会积极采取行动, 应对气候变化。污水处理是重要的碳排放行业, 亟需系统全面地开展碳减排工作。

　　 污水处理碳排放包括间接排放和直接排放。污水处理是社会中较小的行业, 但属于能源密集型行业, 美国、德国、日本等国家污水处理行业电耗占全社会总电耗的1%左右, 高能耗导致大量间接碳排放。污水处理过程会产生并逸散大量CH₄和N₂O, 是重要的直接碳排放源。据欧洲统计办公室 (Eurostat) 2014年欧洲统计报告, 污水处理与固体废弃物处理组成的废物处理行业是第五大碳排放行业, 占全社会总碳排放量的3.3%。美国EPA统计预测, 全球污水行业2015年CH₄和N₂O逸散量分别为5.4亿t和0.9亿t CO₂当量, 预测2020年将分别达到5.65亿t和0.94亿t CO₂当量, 2030年将分别超过6亿t和1亿t CO₂当量, 约占非CO₂总排放量的4.5%。总体上, 污水处理行业碳排放量占全社会总排放量的1%~2%。

　　 经过“十一五”和“十二五”时期的高速建设, 中国城镇污水处理设施已经形成规模化的处理能力。截至2015年底, 全国设市城市和县城建成并投入运行污水处理厂共3 830座, 日处理能力达1.62亿m³, 超过了美国1.25亿m³ (33 240 MGD) 的处理能力。2015年全年实际处理污水511亿m³。

　　 基于各地区代表性污水处理厂典型工艺运行数据分析及实际监测, 按照IPCC方法学以及相关方法学研究, 初步计算, 2015年全国污水处理逸散CH₄和N₂O产生的直接碳排放量为2 512.2万t CO₂当量, 电耗产生的间接碳排放量为1 401.6万t CO₂当量, 絮凝剂消耗产生的间接碳排放量为70.9万t CO₂当量。综上, 2015年中国污水处理行业碳排放量为3 984.7万t CO₂当量, 单位水量的碳排放当量 (碳排放强度) 为0.78kg/m³。

　　 2015年, 中国污水处理行业总电耗为140亿kW·h, 仅占全社会总电耗的0.26%, 远低于西方国家1%的比例。主要原因有:污水收集系统不完善导致污水收集处理率较低、污水浓度也较低、处理标准总体不高以及污泥处理处置滞后等。随着收集系统的完善、提标改造的实施以及污泥处理处置率的提高, 污水处理电耗将逐年升高。“十二五”期间, 污水处理电耗年平均增加12.9%。随着城镇化率、污水处理率、污泥处理处置率不断提高以及排放标准的提高, 污水处理电耗还将进一步增加, 应及早采取措施提高行业能效, 降低间接碳排放。

　　 与能源、建筑、交通等行业相比, 污水处理减排成本低, 减碳效益大。发达国家意识到污水处理行业蕴含的高效减排潜力, 将其列入碳减排重点领域, 并探索出了一些可行的碳减排路径。美国和日本强调通过高效机电装备和高级控制对策节能降耗, 同时加大污水污泥蕴含能源的开发回收力度。加拿大着力开发运营优化技术, 目前已形成较完善的污水处理运营优化技术体系。欧洲重视低碳处理新工艺研发, 在可持续污水处理工艺研究方面居于领先水平。西方国家的经验为寻找我国污水处理行业的碳减排路径提供了很好的借鉴。

　　 美国在供水和污水处理行业提出三个层面的能效提高路径:一是采用高效机电设备 (Energy Efficiency) , 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;二是加强负载管理 (Load Management) , 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”;三是建立需求响应机制 (Demand Response) , 根据实际工况的需求及其变化, 动态调整设备的运行状态。

　　 污水处理机电设备主要包括水力输送、混合搅拌和鼓风曝气三大类。采用高效电机是这些设备具有较高机械效率的前提, 目前污水行业的水力输送和搅拌设备均已经出现具备IE4能效水平的高效电机, 采用高效电机通常可实现5%~10%的效率提高。

　　 水力输送设备的水力端设计是关键, 水力端需具备无堵塞、持续高效的特点, 无堵塞技术可避免通道容量减少降低效率或长期超负荷运行烧毁电机。持续高效可确保电机长期高效运行, 先进的水力端设计可以实现水力输送设备全生命周期节省7%~25%的能耗, 而且介质条件越恶劣, 其节能效果相对会越明显。

　　 混合搅拌设备的水力端设计同样关键, 采用后掠式叶片设计可以提供额外的自清洁功能, 使搅拌器具有良好的抗缠绕性能, 从而避免搅拌效率降低甚至烧毁电机的风险。

　　 鼓风曝气包括鼓风机和曝气器两部分。容积式鼓风机虽然购置费用较低, 但机械效率很低, 应尽量避免采用。单级高速离心式鼓风机效率很高, 且技术进步很快, 采用空气悬浮或磁悬浮等高速无齿技术, 可使电机与风机实现“零摩擦”驱动, 实现超高速运行, 显著提高机械综合效率及效益。不同材质不同结构形式的曝气器氧传质性能差别很大, 采用抗撕裂、抗老化、寿命长的新型高分子聚氨酯材料以及超微孔结构设计的曝气产品具有充氧性能高、运行稳定和调节品质好的特征。另外, 混合曝气、逆流曝气、限制性曝气、全布曝气都是可以采用的高效曝气形式。在进行曝气器数量的选择时应综合考虑水厂水质水量波动情况和鼓风机性能参数, 使其在最优单头通气量范围内工作, 也可明显提高充氧性能。

　　 污水提升以及污泥回流等单元的水力输送设备常由于流量级配不合理、扬程选择偏大, 使设备绝大部分时段在低效工况运行, 应予以改造。

　　 由于担心污泥沉积, 混合搅拌设备的设计搅拌功率同样普遍偏大, 实际处于过度搅拌状态, 导致电耗增加, 准确把握搅拌器与介质之间力和能量的传递非常关键, 而采用推力作为搅拌器的选型依据, 可以准确衡量实际工况所需搅拌器的大小, 有效避免此类电耗的浪费。

　　 随着脱氮除磷要求的日益严格, 污水处理过程需要搅拌器数量也越来越多, 成为不容忽视的耗电环节。当设置潜流推进器时, 优化推进器和曝气系统的位置和距离, 可以使系统的能量损失最小。当推进器距离上游曝气器不小于一倍水深, 并且推进器距离下游曝气器不小于水深和廊道宽度的最大值时, 推进器和曝气系统最为稳定, 能耗最低。高效的潜水推进器配合好氧池的池型优化设计, 可以降低池内阻力损失、减少推进器的功率需求, 实现能耗降低。曝气系统的电耗占污水处理总电耗的50%~70%, 是加强负载管理的重点。设计基于稳妥的目的, 常使鼓风机风量级配不合理、出风压力选择偏大, 使之绝大部分时段在低效工况运行。鼓风气量偏大或曝气器数量偏少都将导致单位曝气器气量过大, 造成充氧转移效率降低、阻力增大, 降低能效。另外, 曝气器堵塞后如不能及时清洗, 也会增加阻力损失, 增大能耗。

　　 建立需求响应机制就是实现各单元以及全流程的优化运行。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, 此类设备内置智能控制系统, 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。

　　 高效的水力输送设备内置专业为水力输送系统设计的智能控制系统, 可以自动进行设备自清洗, 泵坑自清洗和管路自清洗, 可以自动调节设备运行频率达到系统的能耗最低点。额外的控制系统甚至可以优先启动效率最高的水泵, 可以根据整个输送管网的波峰波谷自动切换控制模式, 从而发挥泵站的蓄水能力, 减少对管网的冲击, 使输送泵站与水厂协同运行。

　　 混合搅拌设备内置智能控制系统可实现搅拌器推力可调, 当由于工况变化所需推力降低时, 搅拌器通过降低转速满足工况需求, 同时节省能耗;当所需推力升高时, 搅拌器通过提高转速满足工况需求, 避免设备增加或更换。

　　 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。

　　 目前, 前馈、反馈、前馈-反馈耦合等各种不同控制品质的曝气控制器和控制策略已较成熟, 可以实现按需供氧, 避免不必要的电耗。目前, 基于SOUR和OTR在线实时测定的先进曝气控制系统 (BIOS) 可在满足处理要求的前提下将鼓风曝气量动态降至最低, 大幅度降低能耗, 同时还能提高曝气器的氧利用率。设置高效潜流推进器, 使池内介质保持一定的流速, 可在满足工艺实际需要的前提下进一步降低鼓风曝气量时, 避免混合液发生沉积。另外, 介质保持一定的流速, 可使气泡在水中有更长的停留时间, 进一步提高系统的氧转移效率。应定期调节污泥回流比, 在满足污泥回流量的前提下, 使之降至最低, 在实现节能降耗的同时提高出水水质。通过微波含固量在线测定技术, 可以实现污泥脱水单元加药量的前馈或反馈控制, 降低絮凝剂的消耗量, 减少间接碳排放。

　　 污水中蕴含着大量的能量, 理论上是处理污水所需能量的很多倍。污水经处理后, 其中的能量大部分转移到了污泥中, 因此开发回收污泥中的能量具有极大的潜力。污泥能源化主要集中在厌氧方向, 污泥厌氧能源化包括厌氧发酵产乙醇、厌氧发酵产氢和厌氧消化产甲烷三个技术路径。产乙醇技术虽然成熟, 但能源转化率较低。产氢技术目前仍存在反应器放大的困难, 制约生产性应用。实践中普遍采用的是厌氧消化技术。传统厌氧消化技术能源转化率在30%~40%, 而高级厌氧消化技术 (Advanced Anaerobic Digestion) 可提高到50%~60%。高级厌氧消化技术包括高温厌氧消化、温度分级厌氧消化 (TPAD) 和酸-气两相厌氧消化。污泥预处理技术近年来进展较快, 具体包括热水解、超声细胞破碎、微波细胞破碎、生物酶水解、聚焦电脉冲和化学细胞破碎等技术, 目前应用较多的是热水解技术, 这些预处理技术可使厌氧消化的能源转化率进一步提高。传统厌氧消化技术可使污水处理实现20%~30%的能源自给率, 预处理、高级厌氧消化、涡轮发动机或燃料电池以及热电联产 (CHP) 等技术的耦合使用, 有望使污水处理实现30%~50%的能源自给率, 及大大降低间接碳排放量, 又降低甲烷产生并逸散导致的直接排放。

　　 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。

　　 另一类可持续污水处理工艺是低能耗、低碳源消耗的脱氮工艺, 有很多种类, 但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工艺可节约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AN-NAMOX在高浓度氨氮污水处理中已较成熟, 在污泥回流液处理中已有一批成功案例。在典型城镇污水处理上虽有进展, 但离实际应用仍有差距。

　　 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。按照Kartal等人的理论估算, 采用现在的活性污泥法, 处理1人口当量的污染物需要耗电44 W·h, 而采用上述碳氮两段法, 处理1人口当量的污染物将产生24 W·h能量, 从而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。

　　 碳减排潜力包括现实可得潜力 (Realistic Achievable Potential, RAP) 和最大可得潜力 (Maximum Achievable Potential, MAP) , 前者是指在现有的技术经济条件下可以挖掘的潜力, 后者是通过可预见的技术经济进步未来能够挖掘的潜力。

　　 提高污水处理综合能效可以挖掘第一部分现实可得潜力。目前, 我国污水提升泵站水泵普遍存在级配不合理、扬程偏大、没有变频装置及自动编组控制等现象, 按照国际经验及国内已有成功改造案例, 通过采用高效机电设备、加强负载管理和建立需求响应机制等路径, 可实现20%~50%的减排潜力。对于混合搅拌单元, 普遍存在搅拌器机械效率低、功率输入大、过度搅拌等现象, 按照国际经验及国内已有成功改造案例, 通过采用高效机电设备、加强负载管理和建立需求响应机制等路径, 可实现20%~40%的减排潜力。对于曝气系统, 普遍存在鼓风机出口压力过大、曝气器效率低、未设置曝气控制系统等状况, 按照国际经验及国内已有成功改造经验, 通过采用高效机电设备、加强负载管理和建立需求响应机制等路径, 可实现20%~30%的减排潜力。对于污泥脱水单元, 只有自控溶药装置, 目前还没有投药量控制系统, 按照国际经验及国内已有成功改造经验, 通过采用高效机电设备、加强负载管理和建立需求响应机制等路径, 可实现20%~30%的减排潜力。综上, 在2015年基础上, 通过提高污水处理综合能效, 每处理万立方米污水可挖掘的现实可得潜力为284.9~509.2tCO₂当量。

　　 大力回收能源可以挖掘第二部分现实可得潜力。美国年产污泥750万干吨, 建设了650座集中厌氧消化设施, 将58%的污泥进行了厌氧消化。设置76套热电联供系统 (CHP) , 总装机装机容量220 MW, 且正在迅速增加。欧盟国家年产污泥800万干吨, 50%以上进行了厌氧消化, 英国厌氧消化率达到66%, 总体能源自给率约20%。目前, 我国年产污泥约540万干吨, 仅有不到五十座消化设施, 厌氧消化率不足5%, 存在较大能量开发与回收空间, 由此可挖掘的碳减排潜力很大。通过采用预处理、高级厌氧消化以及热电联产 (CHP) 等技术, 将污泥厌氧消化比例提高到55%, 可实现15%~25%的能源自给, 实现间接减排量210.0~350.4万t CO₂当量。目前, 全行业污泥总体以填埋为主, 如不进行厌氧消化, 厌氧消化产生的甲烷将逸散产生直接排放。将污泥厌氧消化比例提高到55%, 减少的直接碳排放为425.2万~708.7万t CO₂当量。综上, 回收能源的现实可得潜力为635.2万~1 059.1万t CO₂当量。

　　 综合提高能效和能源回收的减排潜力, 全行业全年可实现间接碳减排494.9万~859.6万t CO₂当量, 为2015年间接碳排放量的33.6%~58.4%。加上厌氧消化同步实现的直接碳减排量, 全行业全年碳减排现实可得潜力为920.1万~1 568.3万t CO₂当量, 为2015年总碳排放量的23.1%~39.4%。

　　 选择新型的节碳工艺, 降低能耗、避免外加碳源, 是减少生物处理过程碳排放的关键。短程硝化反硝化、厌氧氨氧化和反硝化除磷技术是广受关注的节碳工艺。短程硝化反硝化技术可节约25%左右的需氧量和40%左右的碳源, 减少50%左右的污泥量;厌氧氨氧化可节省60%的需氧量, 不需额外投加碳源, 并且高负荷, 低污泥产量;反硝化脱氮除磷可节省30%左右的需氧量和50%左右的碳源, 减少50%左右的污泥产量。未来, 如厌氧氨氧化工艺获得突破并得以普遍应用, 能耗将在现有基础上进一步降低30%, 全部碳源将用于高效厌氧消化, 产生的能量足以覆盖能耗, 污水处理将不再产生间接碳排放, 成为名副其实的“能源工厂”, 这是污水处理行业碳减排最大可得潜力 (MAP) 。