浅谈污水处理的低碳化理念与技术

浅谈污水处理的低碳化理念与技术

周桅帆  邱建贺  翁雯

玉凰生态科技股份有限公司  广东佛山  528200

摘要：本文就污水处理阶段中碳排放状况进行探讨，论述“低碳”理念在污水处理方面的实际应用，浅谈污水处理与碳排放之间的关系，对提升污水处理综合效能，创设显著低碳经济效益，有积极有效的促进作用。

关键词：污水处理；低碳；环保

1. 污水处理阶段中的碳排放

污水处理的低碳化理念是指在污水处理过程中采取一系列措施，减少温室气体排放，实现能源消耗和碳排放的双重减少。这一概念与全球推动绿色可持续发展战略相一致，特别是在实现碳中和目标的背景下。

在污水处理的实践中，采用传统的工艺方法，通过供氧来消耗有机物，也会产生大量的二氧化碳气体，不可避免地会造成空气污染。从利用能源和控制温室气体的角度来看，这种污水处理方式不适合可持续发展制定全面的策略。污水中所含的污染有机物主要是COD，经过处理，最终生成二氧化碳气体。为降低能耗，另一种处理方式是将COD有机物转化为氢、甲烷等能物质，可用于二次化学能应用，然后逐步加工生成二氧化碳气体。以上两种处理方式最终都会导致有机污染物COD以二氧化碳的形式排放，而后一种处理方式则有效降低了应用的外部能源需求。废水中的有机污染物COD含有大量的化学能。如果其能量得到有效利用和收集，可以缓解碳排放，对实现废水低碳处理具有重要的现实意义。

2. 污水处理与碳排放关系

2.1宏观角度下的低碳污水处理

污水处理阶段的剩余污泥可作为绿色能源，其有机物可合理利用，形成环保能源进行二次利用。这一理念得到了业界的认可，但在现实中比较难实施。一些污水处理单位认为能源转换需要大量的成本，这阻碍了他们探索研究和开发的主动性。低碳环保策略在污水处理中的应用是毋庸置疑的。因此，我们借鉴发达国家的成功经验，充分鼓励发展剩余污泥新能源生态战略。同时，通过综合实践，开发污泥转化新能源的关键在于有效地促进细胞裂解。因此，业界应进一步探索厌氧消化污泥的综合预处理，有效开发低碳技术，实现科学的能量转换。从运行能耗来看，污水处理阶段所消耗的能量主要是电能，其目的是提升污泥，推进、曝气等一系列操作，从而促进污泥脱水、回流、浓缩。在实际处理阶段，为了达到低碳降耗的目标，应对上述生物处理和污泥操作阶段进行全面更新和优化。利用能够控制动态水流中水质波动的科学技术，促进水质、总量、曝气回流总量一一对应，快速匹配。为此，可以推动模拟数字技术与实时在线技术的科学融合，从而扩大污水处理的低碳能效。

此外，在实际污水处理阶段添加化学药剂或碳源也会增加总能耗，因此应合理避免引入这一环节。对于需要除磷除氮的废水工艺，应以生物工艺为基础实现这一目标，尽量避免使用化学方法。这对于强调脱氮除磷的污水处理工艺来说尤为重要，应尽量利用生物作用进行脱氮除磷，而非主动采取化学方式。低碳源污水中COD/P值偏低的问题可以采用厌氧上清液测流磷回收的方式加以解决。

2.2微观角度下的低碳污水处理

随着污水处理中除磷、除氮目标的确立，废水生物处理工艺逐渐得到广泛应用，其中短程硝化/反硝化、反硝化除磷和厌氧氨氧化等处理方式具有显著的低碳环保能效。

2.2.1短程硝化/反硝化

在传统脱氮途径中，硝化/反硝化生物脱氮途径存在大量的能耗问题。事实上，硝化过程分为两步即氨氮(NH4+)转化为亚硝酸氮(NO2-,)的亚硝化过程与亚硝酸氮(NO2-)转化为硝酸氮(NO3-)的硝化过程。若硝化能停留在亚硝化阶段，并从NO2-开始反硝化，则可以节省25%的02，和40%的COD(见图1)。可见，稳定、经济地实现亚硝化成为短程硝化/反硝化即低碳脱氮途径的技术关键。

图1传统与短程硝化/反硝化脱氮途径

2.2.2反硝化除磷

传统观念认为，生物脱氮与除磷是彼此独立、互不相关的两个过程，即脱氮与除磷是在两类完全不同细菌作用下完成的生物过程。然而，工程实践中却发现自然界存在一类可以在缺氧环境下过量摄磷的细菌，在摄磷的同时将NO3-/NO2-，还原为N2(反硝化)，这类细菌被称为反硝化除磷菌(DPB)(见图2)。实际上，将传统反硝化脱氮与生物除磷有机结合在一起，可以节省约50%的COD和30%的02。可见，DPB 细菌在低碳运行方面有着举足轻重的作用。

图2反硝化除磷与传统反硝化和除磷过程示意

2.2.3厌氧氨氧化

厌氧氨氧化是一种转化氨氮的新技术，它基于厌氧条件进行处理的，从而避免了大量的碳能和氧消耗，在低碳废水处理中实现了氮和氨的科学转化。在污水处理实践中，通过深入探索，发现了一种以厌氧吸磷为基础的反硝化细菌。因此，基于这一特点，我们可以将生物除磷和反硝化除氮科学地结合起来，有效地降低能耗，实现环保目标，促进污水处理的高效低碳运行。

图2厌氧氨氧化过程示意

3. 污水处理的低碳运行策略

3.1降低污水处理各阶段的能耗

污水处理过程的能耗主要体现在电能的消耗上。目前，污水处理过程中耗电量较大的几个环节是：预处理阶段污水的改善、生化处理阶段的曝气过程、污泥的浓缩脱水过程、污泥与混合液的回流过程。在众多工艺中，生化处理工艺和污泥脱水浓缩工艺的电耗分别占整个工艺流程总电耗的60%和90%。因此，要实现污水处理的低碳运行，就必须从这两个方面改进工艺方法，有效降低污水处理的能耗，达到节能减排的效果。

3.2.剩余污泥资源化利用

剩余污泥是污水生化处理过程的副产物之一。虽然它已被公认为一种潜在的绿色能源，但目前国内对剩余污泥的处理方法仍主要处于脱水浓缩、化学固定和高温处理阶段。其实，只要解决了剩余污泥的二次污染问题，就可以变废为宝，使剩余污泥成为一种很好的能源物质。

3.3.减少外加剂的使用

污水处理过程不仅消耗大量电力，而且通过添加添加剂来改善污水的化学成分也间接消耗能源。因此，要想在污水处理过程中降低能耗，就要从降低用电量和减少添加剂的使用两方面入手。实际上，在污水处理过程中，有一种非常简单的方法可以减少添加剂的使用，而不是减少电力的消耗。正常情况下，城市生活污水和水产养殖废水中的有机物浓度较高，而工业污水中的有机物含量较低。如果将两类污水按比例混合，则可以减少甚至省去人工碳源的添加。同样，不同工业废水的pH值也不相同。如果将两种或两种以上不同pH值的废水以合理的比例混合，可以节省大量调节废水pH值的添加剂。同时，在处理废水进行脱氮除磷时，应尽量选择生物法，而不是化学法，这样不仅可以降低成本，还可以提高废水脱氮除磷效率。

4. 低碳污水处理运行实践

4.1废水脱磷脱氮工艺

污水中的除磷通常基于反硝化原理，将除磷和脱氮相结合，从而去除碳有效地节约了能源，污水中的有机COD可以转化为甲烷。可以应用当前成熟的bcfs技术来优化整体加工能效，创造良好的运营环境。污水脱氮可以科学应用自养脱氮技术，短程硝化，有效降低二氧化碳排放总量，合理控制系统运行和处理成本。目前，荷兰等国家已成功应用佳能短程硝化技术，实现生产加工高氮氨氮废水处理，使低碳污水综合处理能力得到显著优化和提升。

4.2优化污水综合处理工艺的能效

在污水处理企业的实际运营中，水质和水量会随着阶段的推移和季节的更替而有所不同。因此，用于各种污水处理的机械设备在运行中并不总是一个好的标准。因此，我们应该科学地采取处理措施，防止不良的能源浪费。借助变频交流技术，可以合理地调节速度，从而科学地实现对回流的有效控制，使曝气更加准确。设备始终可以在良好和健康的标准下运行，以实现高质量的条件。在应用阶段，应充分了解水量和水质的综合特性，可引入在线监测，实现信息高效传输。同时，它还可以集成到仿真技术模型中，使污水处理过程更加科学、优质、运行良好，并及时反映各种实时参数，形成科学的调速和变频系统调控管理。在污水处理实践中，有效减少应用化学品和碳源的总量可以显著降低间接能源消耗。因此，在工艺处理阶段，应科学地根据内部单元的实际特点，实现对药剂添加量的有效控制，提高除磷脱氮废水处理的综合能效。

5总结

深入开展污水处理工艺碳排放研究，客观评价废水处理设施中温室气体的释放并提出切实可行的降耗、减排措施，是每一位环保工作者为我国实现“双碳行动”目标不可推卸的职责。

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