污水處理行業(yè)如何實現(xiàn)碳中和？

      全球變暖愈演愈烈，其主要原因在于大量的溫室氣體二氧化碳的排放。為此低碳生產(chǎn)、生活勢在必行,于是近年來許多學者提出了碳中和理念。在污水處理過程中污水中的COD被微生物消耗,卻產(chǎn)生了溫室氣體二氧化碳并排入了空氣當中,與此同時曝氣等過程中的動力消耗也產(chǎn)生了許多溫室氣體。水污染解決了卻將污染轉(zhuǎn)移到了空氣中。粗略估計，2030年中國整個污水處理行業(yè)的溫室氣體將達到全國溫室氣體排放量的2.95%，因此污水處理行業(yè)轉(zhuǎn)變方向，實現(xiàn)低碳甚至零碳污水處理勢在必行。

一、 污水處理過程中的碳中和

      污水實際上是一種資源與能源的載體，污水中含有大量的有機物，有機物是一種含能物質(zhì)，且污水中還含有大量的植物營養(yǎng)素(氮、磷、鉀)。污水處理實質(zhì)是通過人工各種復雜技術(shù)手段，不惜消耗資源與能量，來分離、降解、轉(zhuǎn)化污水中的污染物(絕大多數(shù)為有機污染物)的復雜過程。換言之，污水處理是一種消耗能源的碳排放過程，或者是一種從水污染向大氣污染的逐漸演變過程。傳統(tǒng)的污水處理手段是利用細菌代謝污水中的有機物，為了使工作效率提高，還需大量的動力來曝氣，增加水中的DO (溶解氧) ,在此過程中，細菌代謝會產(chǎn)生大量的CO₂,為提供曝氣所用的動力也會產(chǎn)生大量的CO₂。
抵消的碳排放包括哪些呢？
      首先是能耗，主要是電耗。從能量轉(zhuǎn)化的角度來說，傳統(tǒng)污水處理模式本質(zhì)是以能耗換水質(zhì)。我們使用大量電能以去除污水中的污染物，間接產(chǎn)生大量二氧化碳排放。其次是污水處理需要消耗大量燃料和藥劑，間接排放大量溫室氣體。另外，好氧段需要曝氣，大量曝氣需要大功率的鼓風機來提供高風量，其過程電耗較高。
      碩特環(huán)保通過不斷的技術(shù)創(chuàng)新，主要從節(jié)能減排、資源再利用等方式來實現(xiàn)碳中和。
  二、碩特環(huán)保處理技術(shù)
 
      如上述公式所示，有機物COD直接被氧化至CO₂以這種”以能消能”方式去除，不如盡可能轉(zhuǎn)化為可再生的能源物質(zhì)(如CH₄)，使之達到碳中和目的，這樣就可以大大減少對外部能源(化石燃料)的消耗，減少因發(fā)電而間接產(chǎn)生的碳排放。
1.厭氧處理技術(shù)
      污水首先進入?yún)捬醴磻鞯撞康幕旌蠀^(qū)，并與來自回流管的內(nèi)循環(huán)泥水混合液充分混合后進入第一反應室進行污染物的生化降解，此處的COD容積負荷很高，大部分進水COD在此處被降解，并產(chǎn)生大量沼氣。沼氣由下層三相分離器收集，并沿著回流管上升。沼氣上升的同時把第一反應室的混合液提升至IC厭氧反應器頂部的氣液分離器，沼氣在此處與泥水分離并被導出反應器。泥水混合物則沿著回流管返回反應器底部，并與進水充分混合進入第一反應室，形成內(nèi)循環(huán)。經(jīng)過第一反應室處理過的污水，會自動進入第二反應室繼續(xù)處理。產(chǎn)生的沼氣由第二反應室的集氣罩收集，通過提升管進入氣水分離器。第二反應室中的混合液在沉淀區(qū)進行固液分離，處理過的上清液由出水管排出，沉淀的污泥可自動返回到第二反應室。

      污水經(jīng)厭氧反應器處理后產(chǎn)生大量沼氣，厭氧產(chǎn)生的沼氣的主要成分是甲烷，甲烷是最清潔的能源物質(zhì)，沼氣經(jīng)凈化后可作為能源利用，從而將水中的有機物污染物最終轉(zhuǎn)化為電能，不僅減少了外部能源(化石燃料)的消耗，而且避免了有機物轉(zhuǎn)化為二氧化碳排放到大氣中。
2.短程硝化反硝化工藝處理技術(shù)
1）基本原理
     傳統(tǒng)的生物脫氮工藝都需要經(jīng)過硝化與反硝化兩個完整的過程，而短程硝化反硝化是將氨氮的硝化過程控制在亞硝態(tài)氮階段，實現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)亞硝態(tài)氮的大量積累，然后在一定的條件下，系統(tǒng)中的反硝化細菌以有機物基質(zhì)作為電子供體，將亞硝態(tài)氮還原為氮氣，從而達到脫氮的目的。反應方程式如式(1-1)、式(1-2)所示：
亞硝化：NH₄⁺−N + 1.5O₂ → NO₂‾−N + H⁺ + H₂O              (1-1)
反硝化：6NO₂‾−N + 3CH₃OH + 3CO₂ → 3N₂ + 6HCO₃‾ + 3H₂O  (1-2)
      由上式可知，短程硝化反硝化是按照NH₄⁺−N→NO₂‾−N→N₂的途徑進行脫氮，本技術(shù)充分利用這一反應機理，將硝化反硝化系統(tǒng)進水有機物濃度控制的盡可能的低（即將大量有機物盡可能用于前端厭氧系統(tǒng)產(chǎn)甲烷）的情況下，控制溶解氧在1mg/L以下（常規(guī)的硝化過程溶解氧在2mg/L以下），將高氨氮的垃圾滲濾液進行短程硝化反硝化脫氮，不僅減少了碳排放，而且降低了生化過程中的風機能耗。
2）技術(shù)特點
本技術(shù)為碳中和所作出的貢獻主要有以下三點：
1.能耗降低。有數(shù)據(jù)表明，我國污水處理廠噸水電耗一般在0.15～0.28kWh范圍。其中，曝氣鼓風機電耗所占比例為56.2%。雖然不同處理工藝能耗有所不同，但曝氣系統(tǒng)總體能耗占比最大是事實。因此，污水處理工藝節(jié)能降耗關(guān)鍵點在升級改造曝氣系統(tǒng)。曝氣系統(tǒng)主要是提供微生物所需的溶解氧，因此節(jié)能的核心是精準掌控微生物的生長過程，防止過度曝氣，也要防止曝氣不足。使噸水電耗較傳統(tǒng)工藝大幅降低。短程硝化過程中將NH₄⁺-N的氧化控制在NO₂‾-N階段，此過程中的溶解氧較低。普通AO工藝的溶解氧≥2mg/L，我司將溶解氧控制在1mg/L以內(nèi)，降低風機能耗50%左右，明顯節(jié)省運行費用。
2.能源再利用。反硝化過程中NO₂‾-N直接還原為氮氣，所需有機碳源較NO₃‾-N還原氮氣的低，本技術(shù)所消耗的C/N在2.5左右，而常規(guī)的硝化反硝化的C/N需大于4，至少可節(jié)省30%以上的碳源，節(jié)省的這部分碳源可以用于前端厭氧系統(tǒng)產(chǎn)生沼氣，用于發(fā)電，實現(xiàn)“變廢為寶”，避免生化過程大量碳源消耗。
3.碳減排。污水通過生化工藝處理后，水中的部分有機物在微生物的作用下，生成了微生物自身的細胞物質(zhì)和產(chǎn)生污泥，污泥進行填埋，從而避免了這部分有機物轉(zhuǎn)化為二氧化碳排放到大氣中，實現(xiàn)碳中和的目的。

三、 中原地區(qū)滲濾液處理實際案例
1.工藝流程圖

2.工藝流程說明
1）厭氧硝化:滲濾液經(jīng)厭氧硝化產(chǎn)生生物氣體(沼氣)，其中厭氧產(chǎn)生的沼氣的主要成分是甲烷，厭氧硝化產(chǎn)生可再生能源一CH₄可焚燒發(fā)電，從而實現(xiàn)碳中和目的。
2）生物處理:兩段式AO工藝，A段是充分吸附轉(zhuǎn)化原污水中的有機物，氮和磷也會因細菌合成或化學沉淀而明顯減少;O段通過曝氣池生物降解去除污水中的有機物，普通的NH₄⁺通過硝化作用被氧化成NO₃^-,NO₃^-通過反硝化作用生成N₂被去除，該藝中溶解氧≥2mg/L，本項目我公司采用短程硝化反硝化技術(shù)，可將溶解氧控制在1mg/L以內(nèi)，降低鼓風機能耗。
3）污泥濃縮:在將AO段產(chǎn)生的剩余污泥，首先要濃縮污泥，減少剩余污泥的體積。
4）為節(jié)省碳源，充分利用滲濾液中的BOD為反硝化提供碳源，提高能源回收效率，最大程度上降低外加化學品的消耗，在更廣意義上減少對社會總體資源與能源消耗，并降低化學品的引入對污水處理廠出水、出泥帶來的環(huán)境風險。

四、 未來工廠

      未來要做的不是將污水處理站/廠改造為單一的營養(yǎng)物、能源或再生水工廠，而是要盡可能更多地發(fā)掘污水資源/能源化潛力，在同一污水處理站/廠內(nèi)實現(xiàn)營養(yǎng)物、能源和再生水三位一體的生產(chǎn)廠(NEWs) 。
      就目前來看碳中和已有一些國內(nèi)外實踐成功的經(jīng)驗，我們有理由相信，中國污水處理行業(yè)將很快為碳中和戰(zhàn)略做出積極貢獻。碩特環(huán)保將系統(tǒng)全面地開展碳減排工作，不折不扣地緊隨國家“十四五”規(guī)劃，在不斷提升污水處理效果的前提下，挖掘所有潛力降低能耗、物耗，最大程度地減少碳排放，堅持低碳污水處理。