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随着国家“双碳”战略的提出，各行业均在进行碳排放评价研究及碳减排对策的制定[1-5]。污水处理过程的碳排放包括两大类：污水处理过程中直接向大气中排放的CO2、CH4和N2O；整个污水处理过程中能耗和物耗所产生的间接排放[6-8]。国内外研究大多采用联合国政府间气候变化专门委员会 (Intergovernmental Panel on Climate Change，IPCC)推荐方法学指南，粗略核算城镇污水处理系统的碳排放，一般只估算年平均的量[9-10]。污水处理系统的碳排放是动态变化的，与污水处理量、进出水水质、运营工况和水平等密切相关[11]。然而，随着各地的排放标准日益增高，大量污水处理厂通过增大药剂投加、提高能耗来实现达标排放[12-13]。探讨合理高效的污水处理行业低碳策略，势在必行[14-16]。污水处理过程中直接排放的CH4和N2O等气体的监测技术尚不成熟，在监测方法、模拟、调控研究等方面仍需完善。整个污水处理过程能耗和物耗所产生的间接排放具备良好的监测基础，并已有全流程碳排放核算方法[17-19]。国内外对碳排放核算多以模型预测为主，或基于小试、中试监测的数据进行碳排放研究[20-22]。本研究以污水处理厂运行阶段的能耗、物耗等间接碳排放作为研究重点，选取华中地区某污水处理厂为例，基于污水处理水质、水量、电量、药剂使用量等基础数据，通过相关性分析、结合文献方法，确定影响能耗碳排放、物耗碳排放的关键因子，以期梳理出保证出水稳定达标排放的污水处理厂优化运行方案，实现整个污水处理厂的节能降耗、低碳运行。
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本案例研究对象为华中地区某污水处理厂。该污水处理厂服务人口约80万，设计处理规模25×104 m3·d−1，主要处理市政生活污水。出水水质执行《城镇污水处理厂污染物排放标准》 (GB 18918—2002) 一级A标准。本污水处理厂的设计进、出水水质指标如表1所示，采用的工艺流程如下图1所示。本污水处理厂消毒采用次氯酸钠接触消毒工艺，污泥处理系统采用带式浓缩脱水机工艺进行脱水后污泥外运好氧堆肥处置。
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在污水处理厂运行过程中，输送系统 (进水提升泵、内外回流泵、尾水提升水泵) 、空气/鼓风曝气系统 (曝气、气提风机) 、混合系统 (厌、缺氧搅拌、好氧推流) 、其它系统 (预处理系统、深度处理系统，脱泥系统) 等设备的使用，消耗了大量能源而产生间接碳排放。同时，消耗的大量药剂，包括碳源 (葡萄糖、乙酸钠) 、除磷药剂 (聚合氯化铝、氯化铁，助凝剂阴离子聚丙烯酰胺) 、消毒药剂 (液氯、次氯酸钠、ClO2) 、脱水药剂 (石灰、铁盐、阳离子聚丙烯酰胺) 、其他药剂 (酸、碱等膜清洗药剂、调pH、碱度药剂等) 等，亦会产生物耗等间接碳排放。本污水处理厂间接碳排放计算方法参考由王洪臣等编写，中国环境保护产业协会批准的《污水处理厂低碳运行评价技术规范》 (T/CAEPI 49－2022) [23] 。
1) 电耗碳排放强度。电耗为污水处理厂生产运行过程中的外购电量，不包括办公区和生活区的用电量。电耗碳排放强度按公式 (1) 计算。
式中：Ee为电耗碳排放强度，kg CO2eq·m−3；fe为电耗碳排放因子，kg CO2eq· (kW·h) −1，华中区域电网的fe取0.858 7a kg CO2eq· (kW·h) −1；Wi为第 i 天用于生产运行的外购电量，kW·h；Qra,i为污水处理厂第 i 天进水水量，m3。
2) 物耗碳排放强度。物耗为污水处理厂生产运行过程中消耗的混凝剂、絮凝剂、碳源、消毒剂及清洗剂等化学药剂。物耗碳排放量按公式 (2) 计算。
式中： Mc,i为第 i 天物耗 CO2排放当量，kgCO2；fc,g为第 g 种化学药剂的 CO2排放因子，单位为 kg CO2eq·kg−1，主要化学药剂的 CO2排放因子详见表2；Mcg,i 为第 i 天使用第g 种化学药剂的质量，kg；g为化学药剂种类代号；m为化学药剂种类数量。
物耗碳排放强度按公式 (3) 计算。
式中：Ec为物耗碳排放强度，kg CO2eq·m−3；Mc,i为污水处理厂第 i 天物耗 CO2排放当量，kg CO2eq；Qra,i为污水处理厂第 i 天进水水量，m3。
3)间接碳排放强度。间接碳排放强度按公式 (4) 计算。
式中： Ei为间接碳排放强度，kg CO2eq ·m−3；Ee为电耗碳排放强度，kg CO2eq ·m−3；Ec为物耗碳排放强度，kg CO2eq ·m−3。
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水质分析的测定指标包括 COD、[NH4+-N]、TN 和 TP。采用重铬酸钾法[25]测定COD；采用纳氏试剂分光光度法[26]测定[NH4+-N]； 采用碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法[27]测定TN；采用钼酸铵分光光度法[28]测定TP。
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经调查研究分析，本污水处理厂在结合自身特点的基础上，制定适合本厂减污降碳的优化运行措施，并于2021年底实施完成。具体实施的优化措施有如下几个方面。
1) 选用节能高效设备。工艺节能和设备经济运行是污水处理厂日常管理过程中节能降耗工作关注的重点，由于诸多因素 (选型、工况、设备、调控) 的影响，设备运行无法持续处于高能效运行区间，导致耗费大量的能耗，本次主要对设备经济运行进行分析。
实际运行工况结合经济能耗分析，拟通过改造提升泵的叶轮，使水泵的实际提升流量、扬程均在水泵的高效区运行。据估算，泵的运行效率可由现状的58%提升至65%以上。结合当地供电局的峰谷平电价、管网的养护需求，将提升泵的运行分别按恒流量、恒液位多台组合下综合高效运行的自动化控制启停，从而实现电单耗下降。通过监测好氧区前、中、后端的氨氮、DO等指标，可实现曝气系统按需分配的精确曝气，并合理控制鼓风机开启数量及调控其运行频率。在节能降耗的同时，出水水质会更好、更加稳定。同时，对生化池曝气盘进行有效酸洗。选择更加节能的搅拌设备，并将搅拌器加装变频器，以降低系统运行电耗。
2) 多项措施助力药耗节约。强化生物除磷，优化化学除磷工艺运行。通过降低好氧池末端DO (不超过1 mg·L−1) ，控制[NO3−-N]不超过2 mg·L−1 (控制外回流量) ，以控制预处理和回流跌水富氧 (密封或引流处理) 营造生物除磷的优势环境。通过合理分配原水水量，利用优势碳源，以提高生物除磷效果。通过优化高效沉淀池的运行及配置精确加药系统，以降低化学除磷的加药量。结合生化池各段水质指标的沿程分析，通过控制回流量及缺氧池出口的硝态氮值，合理分配原水至预缺氧、厌氧、缺氧的比例 (15%、40%、45%) ，有效利用原水碳源，减少碳源投加。通过调控生化池泥龄及曝气量，有效调控剩余污泥的有机份，通过污泥脱水药剂烧杯小试实验及不同药剂调理后测污泥比阻、毛细吸水时间等，调整最佳阳离子PAM投加量。此外，通过合理提高进泥浓度等措施，优化调整后可使脱水药剂吨干泥药耗下降，降低最终污泥含水率，进而减少污泥的处理、处置成本。
3) 采用智慧水务系统，实现按需曝气和智能加药。本项目拟通过设置智能曝气系统，实现曝气按需分配、能耗使用更精准，同时节省人工频繁手动调控。此外，充分利用原水碳源及微生物内碳源，提高总氮去除率。节能降耗的同时出水水质更佳、更稳定。智能加药系统可实现按需、自动加药。既可降低药剂单耗、提高出水水质，也可保证突发异常水量、水质情况下出水稳定达标。
4) 支持水资源再利用，实现水循环。本项目出水水质好，达到了回用水及循环冷却水的标准，针对周边用户需求，将中水供给某电厂的循环冷却用水的补充水，以提高再生水利用率。
5) 末端污泥合理处理、资源再利用。本项目的脱水后污泥进行好氧堆肥资源化利用，堆肥处置后最终用于花卉种植和园林绿化，实现环境友好、资源再利用。
6) 积极推进光伏项目，节能减碳。由于本项目光照强度充足，厂内构筑物池体上方有足够面积及厂内用地，故在厂区内积极推进光伏项目发电。本项目光伏总装机容量为734.58 kW，光伏发电潜力较大。
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本污水处理厂的实际进、出水水质指标如表3所示。数据表明，该污水处理厂改造后运行效果好。
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本研究分析统计了该污水处理厂在2019—2021年3年间的提升输送系统、鼓风曝气系统、混合系统、脱水系统及其他工艺段等系统的运行能耗构成 (图2) 。数据表明，提升输送系统、鼓风曝气系统、混合系统等是全厂节能降耗的关键控制点，可从上述3个方面入手进行优化提升。
实施多项优化举措和工艺调控后，本项目的实际运行各单元能耗均大幅降低，具体结果如见图3，节能效果显著。
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本研究分析统计了该污水处理厂在2019—2021年间3年的除磷药剂、碳源、消毒剂、污泥脱水药剂、助凝剂、其他药剂等药剂费用构成 (图4) 。因此，除磷药剂，碳源、污泥处理药剂等是全厂降物耗的关键控制点，可从上述角度考虑工艺调控、优化运行，以减污降碳。
实施多项优化举措和工艺调控，使得本项目实际运行物耗大幅降低，具体数据如图5所示。其中，碳源、PAC、助凝剂PAM、消毒剂、脱水PAM等吨水药耗等数据变化表明，降耗措施的效果显著。该污水处理厂在2022年初通过实施多项优化举措和工艺调控，本项目的实际节能降耗基本信息情况见表4。
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本次主要以间接碳排放核算，参考《污水处理厂低碳运行评价技术规范》 (T/CAEPI 49—2022)，代入上述公式 (1)~(4) ，得到优化措施实施前的间接碳排放强度。
优化措施实施后的间接碳排放强度如下。
以上结果表明，间接碳排放强度减少了20.3%。这说明该污水处理厂的减污降碳效果明显。本污水处理厂在2019—2021年、2022年光伏年平均发电量分别为810.69 MWh、1 012.87 MWh。剔除光伏发电抵消量，在实施优化措施前后，本厂的间接碳排放强度分别为0.192 1和0.155 3 kg CO2eq·m−3。这表明间接碳排放强度减少19.2%，减污降碳效益亦明显。由于污泥资源化、水资源循环利用均在污水处理厂外，本次碳减排核算未计入此部分。
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针对我国城市污水处理厂普遍存在运行能耗、药耗高的问题，在华中地区某污水处理厂采取多项优化举措和对低碳工艺实践与探索的基础上，可梳理低碳增效运行的思路。
1) 工艺优化创新。低碳处理工艺的研究与应用，强化脱氮工艺，如多点配水、多级AO、反硝化生物除磷工艺 (MUCT、BCFS) 等。优化创新运行项目工艺，通过分析污水处理厂不同季节、来水量，水质的波动情况，结合在线监测仪表，通过调控曝气量、内、外回流比等参数，找到不同工况下本厂最佳工艺控制参数，从而实现高效运行以达到节能降耗目的。
2) 设备高能效运行。选用节能设备，从源头上降低能耗。对选型偏差、自身性能低效或设备低效运行设备，设定合理的范围或规则。对于不满足要求的低效设备，如输送、空气、搅拌系统设备，开展节能技改工作，并提高管理水平，以维持设备高效运行。
3) 加强精细化管理，厂网一体化运行。通过梳理工艺调控经验、设备管理实践，及时总结、提炼，建立相应指引或标准，充分挖掘项目运行潜能，形成全周期、多维度、精细化、高效有序的科学运行管理。通过厂网联动调控，均衡上游来水水质、水量，减少管网溢流，提升厂内工艺调控的稳定性，以实现整体上系统性节能降耗。
4) 智慧水务加持。对污水处理厂内各处理单元进行规范化、标准化梳理，实现各单元系统自动化运行。通过建立系统和专业工具软件，对全厂的智能化运行进行控制，以实现系统诊断、分析和决策。通过智慧水务的加持取代原有靠人工经验的粗放式管理、节约人工，且实现更精准使用能源、资源；在节约能耗的同时出水水质更佳、更稳定，还能保证在突发异常水量、水质情况下出水稳定达标。
5) 水资源回用，实现水循环、能源再利用。通过高品质的尾水回用，促进水资源分质使用、低碳环保。将水资源中的热能通过水源热泵形式给周边用户供热，可实现能源的再利用。利用尾水压差大来实现压差水能机发电。
6) 污泥合理处置，资源回用。优化污水处理厂末端污泥处理处置，如好氧堆肥并用于园林绿化、环境效益好、资源再利用。污泥厌氧发酵，沼气发电。污泥直接焚烧发电等措施均可实现资源回收再利用。
7) 积极推进新能源利用，能源自给。结合充足光照、厂内或者构筑物内足够面积等特点，推进光伏发电项目，实现能源自给、低碳节能。本项目实施优化措施和实施低碳运行前后的数据表明，在污水输送、污水处理和污泥处理等过程中，电耗、药耗均大幅降低，碳排放也随之减少。
华中地区某污水处理厂低碳运行措施及效果
Low-carbon operation measures and analysis of the effects in a sewage treatment plant in Central China
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摘要: 以华中地区某污水处理厂 (设计规模：25×104 m3·d−1) 为例，分析城镇污水处理厂的节能降碳的有效措施。该厂在2021年底实施了系列节能高效运行和工艺优化创新措施，取得显著降碳效果。措施包括：采用节能高效设备、生化池按需曝气、光伏发电等节约电耗措施，以及强化生物除磷、优化化学除磷、多点配水节约碳源、智能加药等。对比分析该污水处理厂2022年的运行数据与2019—2021年的数据。年平均吨水电耗、吨水消耗碳源、吨水消耗除磷剂分别由0.192 kW·h·m−3、5.010 mg·L−1 、4.199 mg·L−1降至0.161 kW·h·m−3、0 mg·L−1、2.980 mg·L−1。污水处理厂年消耗电费、药费等直接运行成本节约39.6%, 间接碳排放强度减少20.3%。相关举措可为类似污水处理厂的从运行管理角度实现减污降碳协同增效提供参考。Abstract: Take a sewage treatment plant in Central China (design scale: 25 × 104 m3·d−1) as an example, the effective measures of energy saving and carbon reduction in urban sewage treatment plants were analyzed. At the end of 2021, the plant achieved significant carbon reduction effects by implementing a series of energy-saving and efficient operation and process optimization innovation measures including adopting energy-saving and efficient equipment, on-demand aeration in biochemical tanks, photovoltaic power generation, and other energy-saving measures, as well as strengthening biological phosphorus removal, optimizing chemical phosphorus removal, multi-point water distribution to save carbon sources, and intelligent dosing.The operation data of the wastewater treatment plant in 2022 and the data from 2019 to 2021 were compared and analyzed. The average annual electricity consumption per ton of water, carbon source consumption per ton of water, and phosphorus removal agent consumption per ton of water of this sewage treatment plant decreased from 0.192 kWh·m−3, 5.010 mg·L−1, 4.199 mg·L−1 to 0.161 kWh·m−3, 0 mg·L−1, 2.980 mg·L−1, respectively. The direct operating costs of the sewage treatment plant, such as electricity and medicine costs, were saved by 39.6%, and the indirect carbon emission intensity was reduced by 20.3%. Relevant measures proposedin this article can provide ideas for similar ennergy treatment plants to achieve synergies in reducing pollution can carbon.
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图 1 华中地区某污水处理厂工艺流程图
Figure 1. Process flow diagram of the sewage treatment plant in central China
图 2 华中地区某污水处理厂系统能耗比例构成
Figure 2. Composition of energy consumption ratio of the sewage treatment plant in Central China
图 3 实施优化措施前后各系统电耗对比分析
Figure 3. Comparative analysis of power consumption of each system before and after the implementation of optimization measures
图 4 华中地区某污水处理厂药剂费用比例构成图
Figure 4. Composition chart of pharmaceutical costs for the sewage treatment plant in central China
图 5 实施优化措施前后各系统药剂消耗对比分析图
Figure 5. Comparison and analysis of reagent consumption of each system before and after the implementation of optimization measures
表 1 某污水处理厂设计进、出水水质
Table 1. Design influent and effluent water qualities of the sewage treatment plant
mg·L−1 水质类型 COD BOD5 SS [NH4+-N] TN TP 设计进水水质 400 180 250 30 40 5.0 设计出水水质 ≤50 ≤10 ≤10 ≤5(8) ≤15 ≤0.5 注：括号外数值为水温>12 ℃时的控制指标，括号内数值为水温≤12 ℃时的控制指标。 
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化学药剂种类 排放因子 fc/ (kg CO2eq·kg−1) 聚合氯化铝 (PAC) 1.62 聚丙烯酰胺 (PAM) 1.50 其他消毒剂 1.4 其他药剂 1.6
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表 3 某污水处理厂实际进、出水水质
Table 3. Actual influent and effluent water qualities of the sewage treatment plant
mg·L−1 水质类型 COD BOD5 SS [NH4+-N] TN TP 2019—2021年日平均进水水质 258.2 126 132 25.1 33.2 3.32 2022年日平均进水水质 240.2 119 134 24.4 32.5 3.17 2019—2021年日平均出水水质 25.1 4.0 5.4 1.4 10.1 0.29 2022年日平均出水水质 22.3 2.9 3.1 1.1 8.9 0.24
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表 4 某污水处理厂低碳运行效果对比
Table 4. Comparison of low-carbon operation effects of the sewage treatment plant
指 标 2019—2021年数值 2022年数值 年度平均处理水量 24.1×104 m3·d−1 27.8×104 m3·d−1 污泥产量 44 124 (t·a−1，含水率80%计) 52 359 (t·a−1，含水率80%计) 污泥资源化利用率 98% 100% 再生水年平均回用量 1.7×104 m3·d−1 2.2×104 m3·d−1 再生水回用水率 7.05% 7.91% 自来水使用量 51 251 m3 51 782 m3 水处理电单耗 0.192 kWh·m−3 0.161 kWh· m−3 COD消减电单耗 0.19 kWh·kg−1 0.14 kWh·kg−1 污泥处理电单耗 0.013 kWh·kg−1 0.010 kWh·kg−1 清洁能源 (光伏) 占总耗电比例 4.8% 6.2% 碳源药剂用量 440.7 t·a−1 0 t·a−1 吨水碳源投配率 5.01 mg·L−1 0 mg·L−1 PAC药剂使用量 5 189 t·a−1，质量分数10% 3 671 t·a−1，质量分数10% 吨水PAC药剂投配率 5.899 mg·L−1 3.618 mg·L−1 PAM阴离子药剂使用量 42.5 t·a−1 35 t·a−1 PAM阳离子脱水药剂使用量 37.2 t·a−1 31.5 t·a−1 吨水间接碳排放强度 0.184 2 kg CO2eq·m−3 0.146 8 kg CO2eq·m−3
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