污水处理碳中和运行技术研究进展

污水处理碳中和运行技术研究进展
摘要：污水处理虽然可以减少污水对环境的污染，污水的处理工作也会消耗大量能量，使得污水处理工作也会产生较高的碳排放。

为了满足碳中和理念，本文研究了污水处理行业中的碳中和模式和应用方法，帮助技术人员了解碳中和模式的应用思路，使碳中和模式有效应用到污水处理技术中。

关键词：污水处理；碳中和模式；应用探讨
引言
污水处理工艺在对污（废）水进行净化的过程中，会产生大量的废物增加碳排放，虽然控制了污水对环境的污染，但是由于碳排放量过高，同样对环境十分不利。

为此，必须充分利用碳中和模式解决污水处理的碳排放问题，实现污水处理碳排放的平衡，最大化提升污水处理的环境效益。

1热能计算
污水处理厂出水流量、水质一般较为稳定，且水温变化不大，夏季在20～24℃之间(低于空气环境温度)，冬季处于10～15℃范围(高于空气环境温度)。

因此，非常适合应用水源热泵工程。

城市污水中所赋存在的理论冷/热量可用下式计算。

A=M×Δt×C (1)式中A———城市污水冷/热量，kJ
M———污水质量，kg
Δt———污水进、出水水源热泵机组温差，℃
C———污水比热容，取4．18kJ/(kg·℃)
若取污水温差Δt=4℃，则污水中所含理论热能值为4．64kW·h/m3，与McCarty等计算的7．0kW·h/m3相近(Δt=6℃)。

2污水处理行业碳中和模式概述
2.1污水处理厂碳排放现状
污水处理行业同样有着比较高的碳排放量，其排放的温室气体主要包括二氧化碳、甲烷等，而且随着污水处理行业的快速发展和排放标准的不断提高，污水厂向大气中排放的温室气体呈逐渐提高甚至指数上升趋势。

污水处理行业从业人员虽然相对较少，和社会总体经济水平相比只占千分之一左右，但是碳排放量可以达到１－２%，所以是一个高碳排放的行业。

污水处理厂中，一般设置了一级、二级（生物处理）和污泥处理单元，为了获得更好的处理效果或者再生利用的需要，一些污水处理厂可能会设置深度处理单元，所有的处理单元都会直接或者间接排放温室气体。

而且随着污水处理工艺的发展，水平提升的同时处理工作的复杂性也在提升，处理系统在运行时会消耗大量能量，因此污水处理厂的间接碳排放量很高。

污水处理过程中产生的温室气体一般会直接排向大气，比如污水处理中会产生二氧化碳，利用厌氧菌处理时还会产生大量甲烷，温室效应更强，而污水处理对电能、热能的消耗也会影响其他行业的碳排放，影响环境的稳定。

2.2污水处理碳中和
2.2.1污水处理碳中和概念
碳中和理念是指通过中和碳排放实现碳的零排放，碳排放之后将会通过人为补偿实现碳平衡。

人为补偿实现碳平衡有两种方式，使用再生能源为污水处理功能，替代不可再生能源的碳排放；或者购买他安排放额度，实现大环境的总体平衡。

但是，污水处理行业具有一定的特殊性，虽然能耗高、碳排放量大，但是也可以通过运用技术利用污水处理过程
中产生的能量，从而达到碳中和的目的，也能将污水处理过程中获得废物变废为宝，减少能源浪费。

2.2.2污水处理厂碳中和运行潜力和能源技术
污水处理属于高能耗行业，但是污水处理过程中各环节所产生的废热、甲烷气体、污泥等使得污水处理厂具备了成为能源工厂的潜质，例如污水中的余热、污泥厌氧消化生成的沼气、污水处理厂的出水水力等都能成为污水处理碳中和的运行条件。

（１）污泥的资源化利用
污水处理会导致副产物污泥出现，而且绝大多数污水处理厂都使用了活性污泥法，导致目前污水处理行业的污泥产量非常高。

由于污泥中有大量的有机物，所以可以从污泥中获得能量，比如利用污泥制造燃料，再利用燃料产生的能量驱动污水处理工作，可以视为一种高热量的清洁能源，作为热能和电能的动力来源，所以污泥具有非常高的能源潜力。

目前通过超声波破碎的方法有利于提升产气量，获得的沼气可以为污水处理流程提供能量，为生活单元供热等。

污泥焚烧也是一种常见的污泥资源化处理方法，但是污泥焚烧需要较大的能耗，由于污泥本身含有大量污染物，污泥焚烧会导致有害气体生成，通常可以采用水泥窑协同焚烧的方法，将污泥中的有机物彻底分解，而且不会产生飞灰和重金属，也能在水泥熟料煅烧的过程中代替煤进行煅烧，从而实现对污泥热值的有效利用。

（２）污水的资源化利用
污水资源化利用的思路主要在于利用污水余热、污水水利、污水再生回收利用等手段，通过污水源热泵技术完成对污水热量的收集和传输，从而满足厂区周边生活供热或者制冷的需要，具有较高的碳补偿潜力。

目前污水源热泵技术在污水处理行业中得到广泛应用。

污水再生工作会回用处理后的污水，通过净化处理使其可以应用到农田灌溉、工业生
产等对水质要求较低行业，可以用再生的污水实现水的循环利用，也能发挥自然对水的净化作用，还能减少工业生产对干净水源的需求，从而降低碳排放总量。

对污水水力的利用中，污水处理厂可以在管道内设置涡轮发电，但是使用这种方法需要较大的动能以带动涡轮，目前应用较少。

（３）利用自然能源
污水处理厂一般在郊区建设，会占用大量地面，有着使用风能、太阳能发电的潜质，可以补偿污水处理所导致的能源消耗。

但是风能和太阳能发电技术投资都比较高，也容易受到天气影响，所以发电功率并不稳定，难以满足污水厂的碳补偿要求。

2.3污水厂碳中和实例
奥地利的Ｓｔｒａｓｓ污水处理厂通过改良自身污水处理工艺，实现了对污水中有机物能量的回收，经过多年技术发展和革新，已经实现了200%的能源自给，满足超标准碳中和要求。

美国的稀薄伊根污水处理厂对高浓度的食物废物使用厌氧污泥进行处理，然后利用获得的甲烷进行电热联产，并配合节能措施的使用，实现了接近100的能源自给，逼近了碳中和目标。

结合目前多数污水厂碳中和情况，大多都能满足能量需求，并且能保留一部分余量，所以污水厂进行碳中和具有良好前景，能有效降低能耗和排放。

3结语
在普遍强调碳中和的今天，能源中和与碳中和常常被等同起来，即实现了能源中和也就意味着碳中和也相应实现。

但是，对污水处理而言，能源中和与碳中和并不等同，或者说能源中和不一定可实现碳中和，而碳中和则往往可以涵盖能源中和。

这是因为污水处理过程中除不计入碳排放的生源性CO2外，还会在处理过程中产生NxO、CH4、VOCs等温室气体。

此外，各种化学药剂(如碳源、除磷药剂等)的生产与运输过程也会产生CO2等温室气体。

德国Bochum－lbachtal与Khlbrandhft/Dradenau污水处理厂虽已接近或超过能源中和，但因处理过程的直接碳排以及药耗等碳排比重较大而均难以实现碳中和运行(碳中和率分别为63．2%与42．3%)，甚至差距还很大。

同样，希腊Chania污水处理厂能源中和率为70%时碳中和率仅为58．4%。

Chania污水处理厂打算通过厂外植树造林方式弥补其碳中和赤字(41．6%)，但这种方式其实如同购买碳汇，属于“伪中和”。

只有通过不断挖掘污水潜能(如余温热能)，方能同时实现真正意义上的能源中和与碳中和。

显然，污水处理厂仅仅追求能源中和是远远不够的，要想实现碳中和确实需要认真对待余温热能利用问题。