上海污水處理AAO工藝碳排放情況及影響因素分析
摘 要：污水處理過(guò)程產(chǎn)生大量溫室氣體，而污水處理工藝的不同導(dǎo)致其對(duì)應(yīng)的溫室氣體排放情況也有所不同。文中以上海大型污水廠污水處理工藝為例，分析AAO污水處理工藝的碳排放情況以及影響碳排放量的因素。結(jié)果表明，AAO工藝的碳排放主要來(lái)源于直接排放的曝氣沉砂池和好氧段曝氣反應(yīng)產(chǎn)生的CO2以及內(nèi)回流和污泥回流反硝化反應(yīng)脫氮產(chǎn)生的N2O，間接排放的進(jìn)水泵房、曝氣沉砂池和好氧段鼓風(fēng)機(jī)所產(chǎn)生的電耗能耗，以及缺氧段和消毒池的藥劑投加。同時(shí)，污水廠可以通過(guò)控制曝氣量、回流比和外回流比以及外加碳源投加來(lái)減少處理過(guò)程中的溫室氣體排放量。
氣候變化已成為當(dāng)今人類(lèi)需共同面對(duì)的影響社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的重大挑戰(zhàn)之一，人類(lèi)活動(dòng)產(chǎn)生的大量溫室氣體排放是導(dǎo)致氣候變化的關(guān)鍵原因。因此，為了控制和減少碳排放，對(duì)人類(lèi)社會(huì)各領(lǐng)域所產(chǎn)生的溫室氣體進(jìn)行研究分析具有重要意義。
我國(guó)污水處理廠數(shù)量已達(dá)到2018年底的4 205座，年處理量為1.86億m3[1]。巨大的處理總量一方面消耗能量，同時(shí)也會(huì)制造并排放大量的溫室氣體。隨著我國(guó)污水處理行業(yè)的不斷發(fā)展，污水廠溫室氣體的排放總量呈現(xiàn)逐年快速遞增的趨勢(shì)，從2007年的8.4 Mt CO2-eq(Mt CO2-eq，百萬(wàn)噸CO2當(dāng)量)增加到2016年的31.4 Mt CO2-eq，10年間增長(zhǎng)了2.7倍[2]。
上海作為以建成卓越的全球城市為目標(biāo)的全球五大國(guó)際性特大城市，截至2018年12月，已建成運(yùn)行的城鎮(zhèn)污水廠共49座，總設(shè)計(jì)規(guī)模為805.2萬(wàn)m3/d，而作為世界三大污水處理廠之一的上海白龍港污水處理廠日處理量更是達(dá)到了280萬(wàn)m3。截至2018年，上海已建成的城鎮(zhèn)污水處理廠中約有24座[3]采用AAO工藝作為主要污水處理工藝，其中，白龍港、竹園第一第二污水廠日處理量合計(jì)500萬(wàn)m3/d，已達(dá)到上海所有城鎮(zhèn)污水處理廠設(shè)計(jì)規(guī)模的一半以上。因此，AAO已成為上海主流污水處理工藝。本文主要對(duì)該工藝的碳排放情況進(jìn)行分析，以期了解污水處理過(guò)程中的碳排放來(lái)源，給出控制各處理環(huán)節(jié)碳排放的建議，為污水廠實(shí)現(xiàn)低碳運(yùn)行提供參考。
1 AAO工藝及其碳排放情況
AAO(anaerobic-anoxic-oxic)工藝即厭氧-缺氧-好氧生物脫氮除磷工藝，是在厭氧好氧脫氮工藝的基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)的一種可以同步達(dá)到脫氮除磷效果的活性污泥處理工藝[4]。目前，上海已投入運(yùn)營(yíng)的污水廠中，除了少部分使用SBR工藝改良變型后的UNITANK工藝以及以植物根系作為生物填料的FCR工藝，基本都使用以AAO工藝為基礎(chǔ)的污水處理工藝。AAO工藝得到廣泛運(yùn)用的主要原因在于其工藝流程相對(duì)簡(jiǎn)單，不易出現(xiàn)污泥膨脹問(wèn)題[5]，運(yùn)行成本不高，且出水水質(zhì)較好，可以有效去除污水中氮、磷等污染物，一定程度上解決了污水廠可能面臨的二次污染問(wèn)題。
污水處理過(guò)程中產(chǎn)生的碳排放主要以碳源和碳匯形式存在，對(duì)碳源和碳匯的分析來(lái)源于IPCC目前用于界定碳排放核算邊界的主要界定方法。目前，國(guó)內(nèi)外用于界定碳排放核算邊界的方法最常用的有碳源和碳匯界定方法以及碳足跡界定方法。從理論上來(lái)說(shuō)，碳源和碳匯的界定標(biāo)準(zhǔn)和范圍較為清晰，其他界定方法具體到不同的領(lǐng)域會(huì)存在一定的不足。全面考慮碳源和碳匯，可以完整地反映一個(gè)行業(yè)或者領(lǐng)域的碳排放現(xiàn)狀，也能夠比較精確地找到碳排放的核算主體，有助于提高減排措施的針對(duì)性。碳源即處理過(guò)程中產(chǎn)生的直接碳排放和間接碳排放，而碳匯則是指處理過(guò)程中減少的碳排放，如沼氣、熱能回用等。直接排放主要以CO2、CH4和N2O等溫室氣體的形式存在，而間接排放則考慮在直接排放過(guò)程中能源生產(chǎn)設(shè)施、電力設(shè)施等運(yùn)行所產(chǎn)生的能耗以及處理過(guò)程中藥劑投加所制造的外加碳源。
AAO工藝從整個(gè)工藝流程上來(lái)看，氣體產(chǎn)物主要包括好氧段曝氣排放的CO2和好氧段、二沉池回流污泥進(jìn)入缺氧厭氧段經(jīng)過(guò)反硝化反應(yīng)脫氮產(chǎn)生的N2O，這些均屬于直接排放。間接排放則包括設(shè)備運(yùn)行電耗和污水處理環(huán)節(jié)輸送過(guò)程能耗以及藥劑投加產(chǎn)生的外加補(bǔ)充碳源，如反硝化過(guò)程中由于碳源不足在缺氧池投加甲醇[6]、污水消毒處理投加氯等。其中，曝氣系統(tǒng)是生物處理單元的主要能耗設(shè)備，其運(yùn)行情況直接影響處理過(guò)程中溶解氧濃度與實(shí)際處理效果。與污泥處理處置不同，污水處理過(guò)程中基本沒(méi)有碳匯產(chǎn)生。從質(zhì)量守恒角度對(duì)AAO工藝的碳源和碳匯進(jìn)行分析，將目前上海大型污水廠采用的AAO工藝用簡(jiǎn)易流程圖表現(xiàn)，如圖1所示。
2 影響因素及減排建議
2.1 影響因素
AAO工藝處理污水過(guò)程中碳排放的產(chǎn)生主要包括屬于直接排放的曝氣沉砂池和好氧段曝氣反應(yīng)產(chǎn)生的CO2以及內(nèi)回流和污泥回流反硝化反應(yīng)脫氮產(chǎn)生的N2O；間接排放則包括進(jìn)水泵房、曝氣沉砂池和好氧段鼓風(fēng)機(jī)所產(chǎn)生的電耗能耗，以及缺氧段和消毒池的藥劑投加。
傳統(tǒng)的AAO工藝在沉砂池的選擇上一般采用旋流式沉砂池，因其具有占地小的優(yōu)勢(shì)。但是，這類(lèi)沉砂池對(duì)水流流態(tài)及流速控制的要求非常高，過(guò)高或過(guò)低的流速都會(huì)引起流態(tài)的變化，從而導(dǎo)致沉砂效率下降。因此，在流量變化較大的場(chǎng)合應(yīng)用效果不佳。考慮到旋流式沉砂池在實(shí)際運(yùn)行中除砂效果較差，易導(dǎo)致設(shè)備磨損以及增加進(jìn)泥配件養(yǎng)護(hù)成本，且實(shí)際水量變化幅度大，超出了單座旋流沉砂池的流量范圍，上海幾座大型污水處理廠在提標(biāo)改造工程中改用曝氣沉砂池。從碳排放角度來(lái)看，曝氣沉砂池的優(yōu)點(diǎn)在于能夠有效去除砂粒上附著的有機(jī)污染物[7]，減少了沉砂池中排出的砂粒腐敗風(fēng)險(xiǎn)，而預(yù)曝氣和預(yù)充氧也起到了防止污水腐化的作用。另外，由于曝氣具有氣浮作用，可以將污水中的油脂類(lèi)物質(zhì)從除渣區(qū)浮出水面，達(dá)到油水分離的目的，有利于提升后續(xù)污水處理的效果。缺點(diǎn)是曝氣設(shè)備要消耗大量的能量[8]；同時(shí)，運(yùn)行過(guò)程中，若鼓風(fēng)機(jī)供氣量過(guò)大，會(huì)導(dǎo)致進(jìn)水中含氧量過(guò)高，使后續(xù)厭氧段和缺氧段的溶解氧量升高，影響處理效果，導(dǎo)致運(yùn)行成本增加。
藥劑的投加即是增加外加碳源的過(guò)程，對(duì)碳排放量會(huì)產(chǎn)生較大的影響。在AAO工藝反硝化過(guò)程中，由于碳源不足，需在缺氧段投加甲醇作為補(bǔ)充碳源；此外，當(dāng)內(nèi)回流比較高時(shí)，若要提升處理工藝的脫氮效率，也需在缺氧段加入有機(jī)碳，以確保處理過(guò)程中的碳源穩(wěn)定；在消毒池中，需添加液氯對(duì)污水進(jìn)行消毒后才能最終進(jìn)行外排。
2.2 建議
由于污水處理過(guò)程中沒(méi)有額外的碳匯產(chǎn)生來(lái)幫助削減碳排放量，控制和減少碳排放只能通過(guò)減少直接排放和間接排放來(lái)實(shí)現(xiàn)，具體到AAO工藝的各個(gè)處理環(huán)節(jié)如下。
(1)控制曝氣沉砂池供氣量。由于目前大部分城市的市政管道未實(shí)現(xiàn)雨污分流或分流不徹底，污水廠進(jìn)水量不穩(wěn)定，有時(shí)候遠(yuǎn)小于進(jìn)水量設(shè)計(jì)值，而曝氣沉砂池配置的鼓風(fēng)機(jī)供氣量過(guò)大，會(huì)導(dǎo)致水中溶解氧含量過(guò)高，從而影響后續(xù)AAO各工藝段處理效果。因此，應(yīng)根據(jù)污水處理廠實(shí)際運(yùn)行、生產(chǎn)情況，按比例降低曝氣沉砂池的供氣量[9]，降低進(jìn)入污水中的含氧量，保證后續(xù)各段處理單元的處理效果，減少因運(yùn)行效果不好產(chǎn)生的多余碳排放。
(2)合理選擇曝氣方式和控制曝氣量。曝氣系統(tǒng)是AAO工藝的主要能耗和CO2排放設(shè)備，不僅直接影響污水中溶解氧濃度與處理效果[8]，同時(shí)也貢獻(xiàn)了大部分的碳排放。因此，優(yōu)化曝氣環(huán)節(jié)對(duì)AAO工藝實(shí)現(xiàn)碳減排起到關(guān)鍵作用。首先，需根據(jù)污水廠處理規(guī)模等實(shí)際情況選擇更優(yōu)的曝氣方式，如上海大中型污水處理廠均選擇鼓風(fēng)曝氣；其次，在確定使用鼓風(fēng)曝氣后，需綜合考慮風(fēng)量、壓力等因素，如風(fēng)量小可選擇羅茨鼓風(fēng)機(jī)，大風(fēng)量可優(yōu)先考慮單機(jī)離心機(jī)等；此外，根據(jù)實(shí)際運(yùn)行情況還應(yīng)合理安排曝氣器的方向，并控制合理的曝氣量，及時(shí)調(diào)整生化系統(tǒng)參數(shù)。
(3)科學(xué)設(shè)置內(nèi)回流比、外回流比。將內(nèi)回流比分別設(shè)置為100%、150%、180%、200%的試驗(yàn)結(jié)果表明[10]，當(dāng)內(nèi)回流比為180%時(shí)，系統(tǒng)內(nèi)總氮的平均去除率可達(dá)63.50%，且脫氮效果越好，外回流至厭氧池的硝態(tài)氮就越少，越有利于總磷的去除，提高總磷的去除率。系統(tǒng)的尾端溶解氧濃度、外回流比及內(nèi)回流比均與污水廠的能耗成正比。但是，內(nèi)回流比如果設(shè)定過(guò)高，好氧池尾端的溶解氧則會(huì)隨混合液流向缺氧段，在一定條件下催生硝化反應(yīng)，從而影響系統(tǒng)內(nèi)氨、氮的去除效果，反而產(chǎn)生電耗、能耗等間接排放，增加系統(tǒng)的運(yùn)行負(fù)擔(dān)。當(dāng)AAO的外回流比由60%上升到100%時(shí)[11]，系統(tǒng)生物段的污泥濃度會(huì)隨之增加，有利于COD的去除。但是，若過(guò)高的外回流比長(zhǎng)期存在，會(huì)導(dǎo)致硝態(tài)氮、溶解氧進(jìn)入?yún)捬鯀^(qū)內(nèi)，阻礙厭氧段內(nèi)的釋磷反應(yīng)，從而影響整體的運(yùn)行效果。
(4)控制缺氧段和消毒池外加碳源投加。在藥劑和其他外加碳源的投加上，也需進(jìn)行合理配置及利用，量少無(wú)法保證反硝化速率，但過(guò)量投加則浪費(fèi)化學(xué)藥劑，從而產(chǎn)生多余的碳排放。因此，碳源的適度投加有助于實(shí)現(xiàn)污水處理廠低碳運(yùn)行的目標(biāo)。
3 結(jié)論
雖然碳減排已經(jīng)成為全球趨勢(shì)，但是我國(guó)現(xiàn)階段在污水處理領(lǐng)域碳減排問(wèn)題上還未給予足夠的重視。本文以上海污水處理行業(yè)主流工藝作為研究分析對(duì)象，給出了AAO工藝處理過(guò)程中的碳排放來(lái)源，包括直接排放的曝氣沉砂池和好氧段曝氣反應(yīng)產(chǎn)生的CO2以及內(nèi)回流和污泥回流反硝化反應(yīng)脫氮產(chǎn)生的N2O；間接排放為部分的進(jìn)水泵房、曝氣沉砂池和好氧段鼓風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的電耗能耗，以及缺氧段和消毒池的藥劑投加。
為減少污水廠污水處理過(guò)程中的碳排放量，可以從控制曝氣沉砂池供氣量、合理選擇曝氣方式和控制曝氣量、科學(xué)設(shè)置內(nèi)外回流比以及控制外加碳源投加等方面對(duì)污水廠各處理環(huán)節(jié)進(jìn)行升級(jí)改造，從而在一定程度上實(shí)現(xiàn)污水廠低碳運(yùn)行的目標(biāo)。