1、污水生物处理工艺中低碳运行技术的浅析摘要:污水生物处理时采用低碳运行技术，可连续的污水处理降低了其对外部能源的需求量，甚至不需要外部能源的支持，减少反应时二氧化碳等温室气体的排放量，实现污水处理的环保高效可持续。 关键词:污水生物处理；低碳运行；技术关键； BNR 工艺 中图分类号： TU992.3 文献标识码： A 1 中国污水处理现状 随着科学技术的不断进步和环境保护要求的逐渐提高，污水处理厂的建设进度明显加快，截至 2010 年，中国污水处理厂的数量已经达到 2 000 座，城镇污水处理厂 COD 的实际削减量已经占到中国全部水污染 COD 削减总量的 60% 70%，污水处理设施利用效
2、率不断提高。随着污水排放量的逐年剧增和污水处理力度不断加大，每年用于污水处理的投资经费不断增加。2003 年中国投入废水处理费用仅为 87. 4 亿元，到 2008 年该投资项已增加近 3 倍。一方面是由于污水排放量的增大超出原处理厂负荷，新建了数批污水处理厂； 另一方面是由于传统的污水处理吨水能耗过大。按目前发展趋势看，许多污水处理工艺在设计时便先天不足，几乎没有从机理上把握和运用具有潜在节能效果的工艺和运行环节，存在着投资大、能耗高、“ 以能消能“、“ 转嫁污染“ 等诸多问题，这就需要研发与应用具有“ 低碳“节能功能的污水处理工艺和处理技术。 2 污水处理与碳排放的关系 中国城镇污水处理设
3、施经过多年的高速建设，已经形成规模化的处理能力。据相关学者调查显示，到 2010 年 9 月底，建成并投入运营的污水处理厂 2 639 座，日总处理能力达到 1.23 亿 m3。2010 年实际污水处理量达到 330 亿 m3，按污水 BOD248 mg /L，生化处理直接二氧化碳排放量为 19 423 万 t。总耗电量将突破 80 亿 kWh，PAM 消耗量将超过 2.5万 t。电耗与 PAM 的消耗是污水处理厂两个主要间接排放源。按平均 0. 764 kg 二氧化碳 / KWh，PAM 消耗的碳排放系数采用 30 kg 二氧化碳 /kg 计算，间接二氧化碳排放合计为 6187 万 t，占总
4、碳排放量的 24. 2%，若能降低 10%电耗，就将减少 620 万 t 间接二氧化碳的排放。 在污水处理过程中，运行耗能也是造成能源行业二氧化碳直接排放的原因。传统意义上的污水处理主要对象有机物( COD) ，它是一种潜在的含能物质。通过曝气、利用微生物代谢作用去除 COD，这种以耗能供氧来消耗有机物无异是“ 以能消能“。传统( 好氧) 污水生物处理工艺，以耗能供氧来消耗有机物，直接或间接地向大气释放大量的二氧化碳。从能量利用与温室气体排放控制的角度综合衡量，这种方式与可持续发展的战略是相悖的。因此对污水和污泥中潜在的有机能源进行利用有着重要的现实意义，对污水处理工艺低碳运行有着举足轻重的作
5、用。作为污水中的主要有机污染物 COD 最终稳定至二氧化碳是其自然归宿，然而从 COD 终止至二氧化碳却存在着两种不同的技术途径: 第一种是传统方式，即依靠消耗外部能源供氧使 COD 直接生物氧化稳定至二氧化碳； 第二种是可持续的处理方式，首先令污水中主要有机物 COD 形成含有能量的物质，如甲烷或氢气等，同时利用物质中的化学能量生成二氧化碳气体。总而言之无论用哪一种污水处理原理及方式，其中的有机物均会最终生成二氧化碳，但第二种方式优于第一种方式，关键点在于可连续的污水处理降低了其对外部能源的需求量，甚至不需要外部能源的支持，这样就有效地降低了外部能源在发电环节产生的二氧化碳排放量。也就是说，
6、第一种方式在牺牲大量外部能源进行污水处理的过程中，实际上是将污染的方式从水污染转化为空气污染，同时还消耗了大量的外部能源，显然体现了传统污水处理方式有违节能、低碳的管理理念，因此是不可取的。 3 污水处理低碳运行途径 针对上述污水处理现状以及与碳排放的关系，确立发掘污水污泥中能源(COD) 并将其合理利用，而产生二氧化碳综合减排的效果。在此前提下研发污水处理低碳运行途径。 3.1 实施水质、水量动态变化下的优化运行 污水处理工艺运行能耗主要是指在污水处理过程中直接能耗的电能，主要用于污水/污泥提升、生物处理单元的曝气/混合/推进、污泥浓缩/脱水、污泥/混合液的回流等环节。其中，污水生物处理和污
7、泥处理单元能耗约占污水处理厂直接能耗的 60% 90%。因此，污水处理工艺要想实现低碳运行，确实需要在污水生物处理和污泥处理这两个单元进行优化改进。一般的污水处理工艺设计在曝气、回流等运行环节往往采用定值运行，而实际污水无论水量还是水质均在时刻变化着，恒定的曝气与回流运行控制与其不相匹配，从而造成能量浪费并且出水水质难以达标。为了避免使节能降耗大多也只停留在经验层面，就需要一种能应对动态水量、水质变化的运行控制技术，使曝气量、回流量与水量、水质实时匹配。在此方面，已经开始广泛应用的在线检测技术与数学模拟技术相结合可发挥巨大的潜力。在线检测仪表不仅能解读水质水量信息，更重要的是可以与数学模拟技术
8、相结合，优化工艺运行，从而实现提供变化水量水质情况下对应的曝气量、回流量，通过对变频调速仪器提供准确的调控指令，可实现精准曝气与合理回流量控制。 3.2 研发并利用剩余污泥细菌细胞裂解工艺 剩余污泥作为一种潜在的绿色能源已无争议，在国外，将污泥中的有机物转化为可利用能源的策略已经或正在实施。然而，在中国这一策略的推广却困难重重。这主要是我们在政策层面存在认识上的不足，以至于污水处理行业“ 重水轻泥“ 把污泥转化能源看作是亏本买卖，阻碍了相关技术的研发与应用。我们应该向欧洲一些国家学习，政府部门应制定从污泥能源发电予以政府补贴的经济政策。在技术层面污泥转化能源有传统产甲烷途径与当今生物产氢途径。
9、无论是产甲烷还是产氢途径，剩余污泥细菌细胞裂解问题是制约能源转化效率的瓶颈。如果细胞不能有效裂解，胞内有机物便不能完全释放，必然导致厌氧消化效率较低。因此，污泥转化能源的技术关键是解决剩余污泥细菌“细胞裂解”的技术瓶颈。故对污泥厌氧消化的预处理研究将是污泥能源转化的技术所在。3.3 减少外加碳源与化学药剂造成间接能耗 污水处理过程中外加碳源与化学药剂也会造成一种间接能耗。为此，应该尽量避免在污水处理过程中投加碳源和使用化学药剂。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； 低碳源污水中针对或 C/N 值偏低的问题采用节碳的生物营养物去除(
10、 BNR) 工艺的 C/P 值偏低采用厌氧上清液侧流磷回收的方式加以解决。 4 低碳处理工艺的举例 4.1 剩余污泥细菌细胞裂解工艺 目前对于污泥消化预处理技术研究较多，主要归纳为物理/机械、化学、生物以及联合处理等几大类。物理方法有超声波、微波、聚焦脉冲、热解和冻融等技术; 机械方法包括旋转球磨预处理、高压均质机预处理、文丘里管系统预处理、溶胞离心预处理等; 化学方法中研究较多的是碱和臭氧处理方法，还有氯气、过氧化氢、过硫酸盐和二甲基过氧化酮等方法; 生物方法主要是生物酶和生物强化预处理技术;联合处理主要是指物理/机械与化学方法的联合使用，包括微波与 H2O2 或碱联合处理、热与 H2O2
11、或碱联合处理技术等。 4.2 反硝化除磷工艺 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 NO 2/NO 3还原为 N2( 反硝化) ，这类细菌被称为反硝化除磷菌( DPB) 。实际上，是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% 的氧气。DPB 细菌在低碳运行方面有着举足轻重的作用。较早时的南非 UCT 工艺及目前盛行的 A2 /O 工艺虽然在研发时并没有意识到 DPB 细菌的存在，但是这种厌氧-缺
12、氧-好氧动态循环的工艺流程恰恰是 DPB 细菌繁殖、生长的必要动态环境，DPB 细菌的发现与认识便是源于 UCT 与 A2 /O 工艺。 目前，反硝化除磷工艺（BCFS）的成熟，使得 UCT 的工艺性能得到了很大的改进，将 DPB 细菌的生存环境与运行控制做到了极致。一种演示反硝化除磷能力的双污泥工艺A2N，已向人们充分展示了 DPB 细菌在同步脱氮除磷中的巨大潜能。然而，这种工艺需要设置高效中间沉淀池，且在实际应用中很难保证充足的 NO 3电子受体。所以，A2N 难以成为工程应用的实际工艺。 4.3 自养脱氮工艺 20 世纪 80 年代末发现的一种氨氮转化新途径厌氧氨氧化( ANAMMOX)
13、，即在缺氧的条件下以亚硝酸盐作为电子接受体将氨氮转化为氮气。厌氧氨氧化过程实现的前提是需有足够的亚硝酸盐 NO2。这一过程是自养的，无须投加碳源。这种自养脱氮技术的关键是实现稳定的亚硝化反应。厌氧氨化工艺与传统的硝化/反硝化相比，更具明显的优势: 减少需氧量 50% 60%；并不涉及碳源消耗问题，污泥产量很低 ; 高氮转化率( 6kg/m3d)。将生物脱氮过程提升为可持续方式，这是一个典型的氨氮低碳转化途径。 结语 在污水生物处理工艺设计时无论是升级改造还是新的污水处理工艺，优先考虑在具有节省碳源的 BNR 工艺；在污水处理过程中尽量减少外部碳源、化学药剂、氧气的投加量，从运行耗能层面，污水处
14、理阶段中消耗的电能主要是提升回流等环节。这样以减少外部碳源和氧气投加为目的、以发掘剩余污泥中的有机能源为核心、以优化工艺运行方式为手段，实现污水处理低碳运行，直至最后达到或接近“碳中和”的终极目标。 参考文献: 1王洪臣镇污水处理领域的碳减排J给水排水，2010，6( 12) : 1-3 2谢淘，汪诚文 污水处理厂温室气体排放评估J 清华大学学报( 自然科学版) ，2012，52(4): 473477 3徐峰污水处理低碳控制策略与技术运行分析J 城市建设，2012: 219220 4郝晓地，汪慧贞，钱易，等 欧洲城市污水处理技术新概念可持续生物除磷脱氮工艺J 给水排水，2002，28(7) : 611 5郝晓地 可持续污水 废物处理技术M 北京:中国建筑工业出版社，2006
