摘要：随着时代的进步，污水处理厂的建设越来越完善。碳中和的其中一项重要内容就是充分回收利用生产过程中所产生的余热资源、有机物质等，通过一些技术手段将二氧化碳转化为可以利用的能源，从而减少温室气体的排放。在自然环境日益恶化的背景下，我国高度重视节能低碳型绿色生产技术的发展，因此，全国各地多处污水处理厂都纷纷引入了碳中和理念及相关技术，以此提高原材料的使用率，减少能源的消耗，进而减少能源消耗所产生的碳排放。

关键词：污水处理厂；碳中和；运行技术

引言

城市污水处理有两个特点。一是城市日均污染物排放量大，然而环境承载力有限，意味着超大城市往往需要比其他地区更加严格的出水水质标准，才能够防止生态环境遭到破坏。二是土地稀缺的特点使得污泥焚烧将是城市污水处理厂污泥处置的最终出路。值得指出的是，由于集中式的污水处理模式，以及完善的管理体系，城市的大型污水处理厂往往具有规范的运行管理条件，这将有利于采用先进的技术和管理对污水处理厂进行改造和优化，有助于实现污水处理厂碳中和目标。

1研究背景

在我国当下的现代化发展进程中，伴随着工业生产水平的全面提升，同时加上人民群众在日常生活中，对于生活效率以及生活质量要求越来越高，使得消耗大量的能源物质。在这样的背景下，产生了大量的二氧化碳气体，这些气体被排放到了空气当中，使得对空气环境造成了直接的影响。在二氧化碳超过一定限度之后，就会直接导致造成全球变暖的加剧。这对于人类以及地球生物群种生存生活都造成了较为直接的影响，面临着各种生态环境变化下的威胁。因此，当下对于二氧化碳的排放问题处理过程中，已经有联合国起草了多项有关环境治理的工作标准，进行绿色环保的未来发展与建设。但是，在当下进行污水处理的过程中，大多是基于较为复杂的手段进行处理，同时并不是一种节能化的处理流程，因此与当下二氧化碳的治理方式并不相符。而在近些年的发展历程中，所出现的碳中和的技术方式，是一种针对二氧化碳的处理技术方式，可以基于不同环境当中的碳排放量，进行针对性的处理，以此形成一个绿色可持续的发展成果。在进行污水治理工作开展的进程中，所采用的开源处理手段，可以很好的将其应用到污水治理环节当中，同时由于污水处理的过程中，存在着一定的有机物，因此污水排放导致水体环境富营养化，严重影响到环境的稳定发展。

2污水处理厂碳中和运行技术

2.1有机物的捕获与回收

（1）常温生活污水厌氧消化技术。厌氧消化技术可以将蕴藏在污水中的有机物转化为沼气，继而进行燃烧或发电以实现能源的回收。该技术目前主要用于城镇污水处理厂污泥处理中，在主流工艺中应用极少的原因在于目前污水脱氮工艺仍然依赖于传统的全程硝化-反硝化工艺，而反硝化工艺必须以碳源作为基质，因此进水中的有机物主要被反硝化脱氮所用。然而对污水中的有机化学能进行回收是实现污水处理厂碳中和的重要手段，厌氧消化技术的特征恰恰符合这种需求，因此常温生活污水厌氧消化技术具有广阔的发展空间与应用前景。（2）高负荷活性污泥法。高负荷活性污泥法工艺成熟，可以实现污水中有机物的富集，避免有机物直接被氧化消耗，通过将有机物转移至污泥中进行厌氧消化来回收有机化学能，该工艺在污水处理厂碳中和过程中具有巨大的潜力，也将重新受到关注。（3）化学强化一级处理技术。化学强化一级处理技术指向初沉池中投加化学药剂来提高有机物的捕获率，使得更多易降解有机物转移至污泥中进行能源回收。研究表明，在投加混凝剂的情况下，城镇污水处理厂有机物捕获率可以达到74%。（4）超磁分离技术。超磁分离技术利用超磁分离机和磁鼓将污水中的有机物浓缩至污泥中，以提高污泥厌氧消化的能源回收量。北京某再生水厂利用设计进水水质进行长期的超磁分离小试和中试试验，结果表明污水中60%的有机物被超磁分离系统浓缩至污泥中。

2.2进水有机物的能量回收

对污水当中的有机物浓度，以及其厌氧消化的有机物能量进行分析，将物料平衡当做重要的处理数据基础，之后与水质以及能量进行耦合处理，通过构建出一个具体的平衡关系模型，并对其函数进行分析，这样就可以对当下污水处理厂当中的能量物质，进行良好的回收平衡情况的分析，为其污水处理工作提供一个良好的数据参考。现阶段我国在污水处理过程中，进水有机物浓度都比较高，因此就使得处理过程中，需要保持有效的进行能量平衡处理，保障消耗与运行过程中的处理能量保持在动态平衡的处理关系上。

2.3沼气回收利用

随着当下沼气的回收利用，使得在实际的使用过程中，往往需要使用沼气罐的方式，收集各种厌氧消化单元运行中的沼气物质。其次，使用一些鼓风机驱动沼气的流动，并将其当做设备运行过程中的燃料主要供给来源。这样的处理方式，已经逐渐成为了污水处理过程中，比较常见的能量消耗方式，同时取得了较高的经济效益。而在厌氧细菌的生产过程中，由于会出现一定程度的甲烷物质，因此就需要在进行处理的过程中，有效为其提供一个良好的供热系统，同时积极为甲烷物质提供一个良好的环境空间，特别是在系统温度的控制过程中，保障系统可以稳定的运行下去。因此，进行系统设计的过程中，就需要积极的优化处理，保障整体温度的稳定。对其系统设计的过程中，主要是对其沼气生产量进行计算分析，同时综合性的考量到进泥量、含水率等。

2.4污泥处理

在进行好氧消化的过程中，会积极的利用污泥当中的好氧菌的反应，对污泥当中含有的大量有机物，进行良好的矿化处理，实际的消化过程中，污泥始终保持在一个内源呼吸的状态。这是由于在实际的反应过程中，始终在污泥当中含有着大量的细菌成分，以此会直接导致细胞外的一些有机物质不足，同时一部分细菌会受到周围环境的影响，使得大量存活下来的细菌，都保持在内源呼吸的状态当中。为了避免对污水进行处理之后，会对环境造成不良的负面影响，都会使用这样的方法过进行处理，还要对技术进行进一步的改良。

2.4厌氧氨氧化技术

厌氧氨氧化技术目前主要应用于污水处理厂的污泥消化液处理，而主流厌氧氨氧化技术的应用是实现污水处理厂碳中和的必然选择，主流厌氧氨氧化实施的难点在于如何在常温、低基质浓度的生活污水中实现稳定的亚氮供给，而无论是短程硝化还是全程硝化-短程反硝化目前仍处于实验室研究阶段；此外，制约主流厌氧氨氧化技术的关键还在于如何在高水力负荷、低基质浓度下实现厌氧氨氧化菌的增殖并有效持留在反应器内。日前西安第四污水处理厂（设计规模25万m3/d）在生物处理系统中共检测出7种厌氧氨氧化菌，其丰度约占全菌的0.11%，在大规模实际工程中检测出厌氧氨氧化菌不仅有助于理论与实践经验的总结，也为厌氧氨氧化技术的主流应用提供了信心。

3污水处理厂碳中和路径分析

3.1提高进水有机物浓度

各种碳中和路径均以厌氧消化为基础，只有尽可能提高进水有机物浓度，才能实现厌氧消化阶段回收更多的能源。然而目前我国68%的城镇污水处理厂年均进水BOD5质量浓度低于100mg/L，占城镇污水处理厂总规模的57%，其中40%的城镇污水处理厂年均进水BOD5质量浓度甚至低于50mg/L，占城镇污水处理厂总规模的14%，远低于城镇居民生活污染物的排放水平，与发达国家或地区差距较大，如德国城镇污水处理厂进水BOD5质量浓度平均为290mg/L，美国为250mg/L，我国香港平均在200mg/L以上，荷兰、新加坡、日本、韩国等国家的平均值也在170～180mg/L。进水有机物浓度低严重制约了我国污泥厌氧消化技术的利用，目前国内建设的厌氧消化设施大部分处于闲置状态。

3.2降低难降解有机物浓度

尽管相关法规早已要求工业废水必须进行预处理，在满足GB/T31962—2015《污水排入城镇下水道水质标准》后方可排入城镇污水处理厂进行处理。但是近年来工业废水与生活污水混合处理导致生活污水收集处理效能不高等问题日益突出。城镇污水处理厂去除低浓度污染物所需的单位能耗远远高于工业企业去除高浓度污染物所需的单位能耗。污水处理厂为实现工业企业难降解有机物的去除不得不采用臭氧、芬顿等高能耗工艺，同时含有有毒有害物质、重金属等的污水、污泥不仅对污水处理厂正常运行造成干扰，也限制了污泥的处置途径，使得污泥农用的风险大大增加。

3.3设备节能改造

据统计，我国污水处理厂平均电耗为0.29-0.40kW·h/m3，其中，鼓风曝气机、污水提升泵等设备能耗约占污水处理总能耗的69%。因此，通过节流途径降低能耗的关键是对曝气系统、污水提升系统等关键能耗设备进行升级改造。对于曝气系统而言，既要防止曝气不足影响出水指标，也要防止过度曝气导致能耗增加；而对于污水提升系统而言，既要防止设备老化、落后出现低效提升，也要防止设备频繁启停导致能耗增加。

4我国未来污水厂面临的挑战及展望

实现污水厂碳中和目标的关键是对资源和能量进行回收利用以及对处理设施进行节能降耗。目前我国污水厂实现碳中和仍面临一些挑战，主要分为以下3个方面：（1）我国污水厂进水COD普遍偏低，严重限制了污泥厌氧消化的沼气产率。我国人均管网长度明显低于发达国家，复杂的管理体制导致排水管网运行效率低下，维护不力，一方面导致污水收集不足，另一方面导致污水处理厂的运行负荷较低。（2）我国只有不到3%的污水厂配备了厌氧消化设施，且相当一部分运行状况不佳；若不考虑引入外源有机物与污泥进行共基质消化，难以实现污水厂的碳中和运行目标。此外，污水余温热能这一潜在能源在我国不受重视且通过集中交换产生的热量无法并网。（3）我国绝大多数污水处理厂智能化、精细化控制程度偏低，无法根据进水负荷实时调整加药量和曝气量。因此，未来的发展方向主要为以下4个方面：（1）加强低碳和资源回收处理技术的开发，如厌氧氨氧化技术和短程硝化和反硝化技术，最大限度地减少污水厂的整体能量平衡。（2）完善管网配套建设水平，提高污水收集率和进水COD，同时加强污泥资源化处置，引入外源有机物进行厌氧共基质消化以提升能源回收效率，如利用餐厨垃圾进行厌氧共消化可增大消化过程中有机物含量、提高沼气产率。（3）充分利用污水中的余温热能，开发高效热量交换技术，推进回收热能并网的发展。（4）加快污水处理厂智能化发展、自动化进程，实现城市污水处理厂运行模式的转型。

结语

污水作为一种资源和能量的载体，在实现污水厂碳中和目标中发挥着举足轻重的作用。未来污水处理厂不仅要实现水质的净化，还要实现碳中和这一终极运行目标。国外已有污水处理厂实现了碳中和运行，为中国污水处理厂的运行提供了借鉴。污水厂实现碳中和需要对资源和能量进行高效回收利用，以实现污水厂能源自给自足。

参考文献

[1]张杰，李珍，张荣兵.碳中和愿景下污水处理碳排放减排模式研究[J].设备管理与维修，2022（3）：32-34.

[2]郝晓地，方晓敏，李季，等.污水碳中和运行潜能分析[J].中国给水排水，2021，34（10）：11-16.

[2] 聂凡，吴百春，何东明，等.炼化污水处理厂降耗及资源能量回收模式探讨[J].工业水处理，2021，40（9）：23-29.