更严格排放标准下的市政污水处理厂工程设计与碳排放分析

污水处理行业碳排放量占全社会总排放量的1%～2%,污水处理减少碳排放量有助于我国“双碳”目标的实现。 污水处理碳排放主要来源于污水处理过程产生的温室气体直接排放,以及电能消耗和药剂消耗产生的间接排放。 目前,我国已开展污水处理厂碳排放情况初步分析， 城镇污水处理行业温室气体排放的核算及减排已成为节能减排领域关注的重点之一,进行污水处理厂污染物去除过程碳排放分析,在此基础上提出针对性减排措施对污水处理厂碳减排目标实现更具应用价值。

唐山市中心城区规划污水量约为80万 m 3 /d,根据市政府的规划要求,对再生 宁波某地现状污水处理厂已满负荷运行,随着区域经济发展,污水排放量日益增加,根据用地性质规划,原污水厂用地不能满足新建污水处理厂用地需求,需在异地新建污水处理厂,满足片区市政污水处理需要。市政污水中工业废水占比约为25%,工业废水以印染园区废水为主。新建污水处理厂近期设计规模为10万 m 3 /d,尾水排放管及厂前区按远期规模(45万 m 3 /d)一次建成。此外,新建污水处理厂接收150 m 3 /d老城区化粪池粪便污水。出水水质达到“类Ⅳ类”水排放标准。新建污水厂污泥处理包括本厂污水处理产生的污泥及运至新建厂15 t Ds/d(脱水至含水率为80%)的市政污泥,污泥处理总规模为42 t Ds/d,污泥处理至含水率≤40%后外运处置。 新建污水处理厂协同处理本厂污水、污泥及接收的粪便污水、污泥。

污水厂进水含工业废水,不宜按照生活污水水质的预测方法进行分析,工程采用类比法对同一排水系统内现状污水厂进水水质进行分析预测,并考虑粪便处理、污泥处理水质影响,综合确定设计进水水质。污水处理厂出水水质pH、化学需氧量(COD)、5日生化需氧量( BOD ₅ )、氨氮、总磷(TP)、石油类、阴离子表面活性剂达到地表水Ⅳ类要求,TN小于10 mg/L、悬浮物(SS)小于5 mg/L、色度小于15倍,动植物油、粪大肠杆菌群数达到现行城镇城镇污水处理厂一级A排放标准。污泥在厂内处理至含水率≤40%后外运处置。新建污水处理厂主要进出水水质指标如表1所示。

污水厂服务范围内存在较高比例的工业废水, BOD ₅ 与 COD Cr 波动幅度较大,对区域现状污水处理厂不同时段的进水水质数据进行分析,结果表明,部分时段两者比例明显失调( BOD ₅ / COD Cr <0.3), 本工程在预处理阶段设置2座推流式水解酸化池,改善污水的可生化性。

污水处理厂采用生物、物理化学等技术措施削减排入环境的污染物总量,污染物去除过程同时产生温室气体排放。污水处理厂温室气体排量主要与甲烷(CH ₄ )回收量、污水处理及污泥处理过程中的 CH ₄ 排放量、去除TN过程中氧化亚氮( N ₂ O )的排放量、电力消耗量等因素有关。目前,应用较为广泛的污水处理碳排放核算研究方法主要有直接实测法、排放因子法、质量平衡法、碳足迹法、模型法5类,实测法在国内应用不多,现有碳排放计算方法中排放因子法应用广泛。

  ——     CH   ₄     排放因子,t     CH   ₄     /(t   COD   Cr   );

  ——     CH   ₄     年回收量,t     CH   ₄     /a;

  ——       CH   ₄       全球增温潜势值,取值为28。

  ——单位质量的氮能够转化为 N ₂ O 的氮量,本工程取值为0.005,t   N   ₂   O   -N/(t N);

  ——   N   ₂   O   /   N   ₂     分子量之比,44/28;

  ——   N   ₂   O   全球增温潜势值,取值为265。

  ——电力 CO ₂ 排放因子,本工程取值为0.792 1,t CO ₂ /(MW·h);

  —— CO ₂ 全球增温潜势值,取值为1。

本工程药剂消耗产生的温室气体排放占比为23.7%,去除 COD Cr 及TN产生的温室气体排放占比为29.0%。污染物去除量中TN与 COD Cr 质量比约0.08∶1,但去除TN与 COD Cr 产生温室气体排量比值约0.23∶1, N ₂ O 全球增温潜势值约为 CH ₄ 全球增温潜势值的9.46倍,污水厂污染物去除过程中控制 CH ₄ 产生的同时,也应注重对 N ₂ O 气体产生的控制。

宁波某新建污水厂通过工程措施实现外运粪便废水、外运80%含水率污泥、污水厂服务范围内污水、污水处理过程中产生的污泥协同处理。工程针对进水水质设置水解酸化池提高进水可生化性,生反池采用可根据进水情况灵活调整运行模式的多模式AAO工艺,深度处理区采用“ 高效沉淀池+深床反硝化滤池+臭氧接触池(旁路活性炭池) ”工艺,尾水经次氯酸钠消毒,主要出水水质达到“类Ⅳ类”标准后排放。污泥处理采用“ 生物淋滤+高压板框+低温干化 ”工艺,出泥含水率≤40%后外运处置。本工程工艺路线和设计参数可为同类排放标准下新建污水处理厂及现状污水处理厂提标工程提供参考。

污水处理厂污染物去除过程中温室气体排放量为42018.5 t CO ₂ -eq/a,最大温室气体排放源为电力消耗产生。污水处理厂采用 热泵循环系统、臭氧活性炭联用 等低碳处理工艺,单位污水处理温室气体排放量为1.15 kg CO ₂ -eq/t。建议运行中优化能耗管理,利用多模式AAO的可调性灵活应对进水水质变化,充分利用进水中碳源进行脱氮除磷,采用光伏发电、水源热泵系统等再生能源措施,减少污水处理中的温室气体排放。