污水处理行业如何实现碳中和？

      全球变暖愈演愈烈，其主要原因在于大量的温室气体二氧化碳的排放。为此低碳生产、生活势在必行,于是近年来许多学者提出了碳中和理念。在污水处理过程中污水中的COD被微生物消耗,却产生了温室气体二氧化碳并排入了空气当中,与此同时曝气等过程中的动力消耗也产生了许多温室气体。水污染解决了却将污染转移到了空气中。粗略估计，2030年中国整个污水处理行业的温室气体将达到全国温室气体排放量的2.95%，因此污水处理行业转变方向，实现低碳甚至零碳污水处理势在必行。

一、 污水处理过程中的碳中和

      污水实际上是一种资源与能源的载体，污水中含有大量的有机物，有机物是一种含能物质，且污水中还含有大量的植物营养素(氮、磷、钾)。污水处理实质是通过人工各种复杂技术手段，不惜消耗资源与能量，来分离、降解、转化污水中的污染物(绝大多数为有机污染物)的复杂过程。换言之，污水处理是一种消耗能源的碳排放过程，或者是一种从水污染向大气污染的逐渐演变过程。传统的污水处理手段是利用细菌代谢污水中的有机物，为了使工作效率提高，还需大量的动力来曝气，增加水中的DO (溶解氧) ,在此过程中，细菌代谢会产生大量的CO₂,为提供曝气所用的动力也会产生大量的CO₂。
抵消的碳排放包括哪些呢？
      首先是能耗，主要是电耗。从能量转化的角度来说，传统污水处理模式本质是以能耗换水质。我们使用大量电能以去除污水中的污染物，间接产生大量二氧化碳排放。其次是污水处理需要消耗大量燃料和药剂，间接排放大量温室气体。另外，好氧段需要曝气，大量曝气需要大功率的鼓风机来提供高风量，其过程电耗较高。
      硕特环保通过不断的技术创新，主要从节能减排、资源再利用等方式来实现碳中和。
  二、硕特环保处理技术
 
      如上述公式所示，有机物COD直接被氧化至CO₂以这种”以能消能”方式去除，不如尽可能转化为可再生的能源物质(如CH₄)，使之达到碳中和目的，这样就可以大大减少对外部能源(化石燃料)的消耗，减少因发电而间接产生的碳排放。
1.厌氧处理技术
      污水首先进入厌氧反应器底部的混合区，并与来自回流管的内循环泥水混合液充分混合后进入第一反应室进行污染物的生化降解，此处的COD容积负荷很高，大部分进水COD在此处被降解，并产生大量沼气。沼气由下层三相分离器收集，并沿着回流管上升。沼气上升的同时把第一反应室的混合液提升至IC厌氧反应器顶部的气液分离器，沼气在此处与泥水分离并被导出反应器。泥水混合物则沿着回流管返回反应器底部，并与进水充分混合进入第一反应室，形成内循环。经过第一反应室处理过的污水，会自动进入第二反应室继续处理。产生的沼气由第二反应室的集气罩收集，通过提升管进入气水分离器。第二反应室中的混合液在沉淀区进行固液分离，处理过的上清液由出水管排出，沉淀的污泥可自动返回到第二反应室。

      污水经厌氧反应器处理后产生大量沼气，厌氧产生的沼气的主要成分是甲烷，甲烷是最清洁的能源物质，沼气经净化后可作为能源利用，从而将水中的有机物污染物最终转化为电能，不仅减少了外部能源(化石燃料)的消耗，而且避免了有机物转化为二氧化碳排放到大气中。
2.短程硝化反硝化工艺处理技术
1）基本原理
     传统的生物脱氮工艺都需要经过硝化与反硝化两个完整的过程，而短程硝化反硝化是将氨氮的硝化过程控制在亚硝态氮阶段，实现系统内亚硝态氮的大量积累，然后在一定的条件下，系统中的反硝化细菌以有机物基质作为电子供体，将亚硝态氮还原为氮气，从而达到脱氮的目的。反应方程式如式(1-1)、式(1-2)所示：
亚硝化：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的途径进行脱氮，本技术充分利用这一反应机理，将硝化反硝化系统进水有机物浓度控制的尽可能的低（即将大量有机物尽可能用于前端厌氧系统产甲烷）的情况下，控制溶解氧在1mg/L以下（常规的硝化过程溶解氧在2mg/L以下），将高氨氮的垃圾渗滤液进行短程硝化反硝化脱氮，不仅减少了碳排放，而且降低了生化过程中的风机能耗。
2）技术特点
本技术为碳中和所作出的贡献主要有以下三点：
1.能耗降低。有数据表明，我国污水处理厂吨水电耗一般在0.15～0.28kWh范围。其中，曝气鼓风机电耗所占比例为56.2%。虽然不同处理工艺能耗有所不同，但曝气系统总体能耗占比最大是事实。因此，污水处理工艺节能降耗关键点在升级改造曝气系统。曝气系统主要是提供微生物所需的溶解氧，因此节能的核心是精准掌控微生物的生长过程，防止过度曝气，也要防止曝气不足。使吨水电耗较传统工艺大幅降低。短程硝化过程中将NH₄⁺-N的氧化控制在NO₂‾-N阶段，此过程中的溶解氧较低。普通AO工艺的溶解氧≥2mg/L，我司将溶解氧控制在1mg/L以内，降低风机能耗50%左右，明显节省运行费用。
2.能源再利用。反硝化过程中NO₂‾-N直接还原为氮气，所需有机碳源较NO₃‾-N还原氮气的低，本技术所消耗的C/N在2.5左右，而常规的硝化反硝化的C/N需大于4，至少可节省30%以上的碳源，节省的这部分碳源可以用于前端厌氧系统产生沼气，用于发电，实现“变废为宝”，避免生化过程大量碳源消耗。
3.碳减排。污水通过生化工艺处理后，水中的部分有机物在微生物的作用下，生成了微生物自身的细胞物质和产生污泥，污泥进行填埋，从而避免了这部分有机物转化为二氧化碳排放到大气中，实现碳中和的目的。

三、 中原地区渗滤液处理实际案例
1.工艺流程图

2.工艺流程说明
1）厌氧硝化:渗滤液经厌氧硝化产生生物气体(沼气)，其中厌氧产生的沼气的主要成分是甲烷，厌氧硝化产生可再生能源一CH₄可焚烧发电，从而实现碳中和目的。
2）生物处理:两段式AO工艺，A段是充分吸附转化原污水中的有机物，氮和磷也会因细菌合成或化学沉淀而明显减少;O段通过曝气池生物降解去除污水中的有机物，普通的NH₄⁺通过硝化作用被氧化成NO₃^-,NO₃^-通过反硝化作用生成N₂被去除，该艺中溶解氧≥2mg/L，本项目我公司采用短程硝化反硝化技术，可将溶解氧控制在1mg/L以内，降低鼓风机能耗。
3）污泥浓缩:在将AO段产生的剩余污泥，首先要浓缩污泥，减少剩余污泥的体积。
4）为节省碳源，充分利用渗滤液中的BOD为反硝化提供碳源，提高能源回收效率，最大程度上降低外加化学品的消耗，在更广意义上减少对社会总体资源与能源消耗，并降低化学品的引入对污水处理厂出水、出泥带来的环境风险。

四、 未来工厂

      未来要做的不是将污水处理站/厂改造为单一的营养物、能源或再生水工厂，而是要尽可能更多地发掘污水资源/能源化潜力，在同一污水处理站/厂内实现营养物、能源和再生水三位一体的生产厂(NEWs) 。
      就目前来看碳中和已有一些国内外实践成功的经验，我们有理由相信，中国污水处理行业将很快为碳中和战略做出积极贡献。硕特环保将系统全面地开展碳减排工作，不折不扣地紧随国家“十四五”规划，在不断提升污水处理效果的前提下，挖掘所有潜力降低能耗、物耗，最大程度地减少碳排放，坚持低碳污水处理。