双碳背景下城市污水处理厂清洁生产审核研究

连剑斌，谭杞安，王 奎

（1.清远市嘉清源环保水务有限公司；2.清远市清环环保有限公司；3.清远市供排水处理中心，广东 清远 511500）

2020年，我国向世界郑重宣布，中国二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和[1]。双碳目标的提出对经济社会转型发展起到很好的导向作用，有助于加快高耗能、高污染型企业淘汰，推动企业生产工艺的迭代升级。从碳达峰到碳中和，我国提出的时间是30年。这就要求每个行业做到内部挖潜，尤其是碳排放较大的行业，更要主动担负责任，以实际行动降低碳排放，为双碳目标实现贡献力量。城市污水处理厂是碳排放大户，具有极大的节能减排潜力。据统计，污水处理行业碳排放量占全社会总排放量的1%～2%[2]。城市污水处理厂直接承担着城市大量污水处理责任，污水处理规模、处理工艺、处理设备等因素都会直接影响生产作业环节能源消耗。此外，臭气、生产噪声及固体废弃物也会在污水处理过程中产生，从而影响周边环境[3]。

与发达国家已经实现碳达峰相比，我国双碳目标任务还较艰巨。许多行业、系统还处于初始探索阶段。我国政府为推动双碳目标预期实现，采取一系列重要措施，出台一系列重要法律法规，也相继围绕土壤、大气、水环境污染治理开展一系列专项行动。因地制宜推动污水资源化利用设施布局，在处理城市污水的同时，最大限度降低碳排放。全国各大城市要结合本地实际，围绕城市污水处理规模、经济发展水平，合理布局城市污水处理机构，围绕节能低碳、安全高效、系统协调，做好城市污水收集处理，并实现资源最大化利用。从碳排放角度来看，污水处理厂在处理污水的过程中既有直接的碳排放，也有间接的碳排放。其中，污水处理电力消耗、药剂使用均为间接排放，清洁生产审核是源头控制碳排放的重要手段，通过清洁生产审核将高耗能设备进行优化、升级、改造，还可通过改进污水处理厂生产工艺，降低污水处理过程的碳排放，实现清洁生产目标。

1 清洁生产审核预评估

某城市污水处理厂于2000年1月建成，并正式启动运行。污水处理采用连续活性污泥系统（CASS），处理后达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB 18918—2002）的一级B 标准。

1.1 现状评价

审核小组采用现场资料收集、生产报表调阅等方式，了解该污水处理厂生产工艺、设备运行、原料及能源消耗、废弃物处置等，并深入调查水耗、能耗大的环节。一是原辅材料及能耗。主要为电耗、水耗及絮凝剂消耗。其中，单位产品新鲜水、电、絮凝剂的消耗分别为36 t/万t 产品、0.29 kW·h/t 产品、10.3 kg/万t产品。二是产品。经CASS 工艺处理，化学需氧量（COD）、悬浮物（SS）、总氮（TN）、氨氮（NH3-N）、五日生化需氧量（BOD5）的去除率分别达到91.0%、97.5%、65.8%、88.3%、91.4%，处理效果稳定。但是，总磷（TP）去除率为76.3%，出水浓度小于1 mg/L，效果不理想，要进行工艺优化，如表1所示。三是污染物。该污水处理厂在生产作业过程中会产生污染物。污水预处理阶段会产生噪声、臭气等；污水处理过程会产生噪声，排放含二氧化硫、硫化氢等气体的污染物；污水处理末端还会生成污泥等。此外，污水提升泵、鼓风机、污泥脱水机等设备运行过程会产生较大噪声。污水处理厂的CASS 反应池、污泥脱水车间等场所排放含硫恶臭污染物。脱水污泥为主要固体废弃物。

表1 污水处理厂进出水水质及污染物的去除率

1.2 评价指标

城市污水处理厂清洁生产审核评价分为定性评价和定量评价。定量评价指标包括资源能源消耗、出水水质、污染物产生、废物回用等。定性评价则是指城市污水处理厂清洁生产定性指标评价，通常以有没有、正常不正常、能不能以及管理效率等进行判断，并将其以分值形式进行量化，得出评价分值。定性评价指标有环节管理及相关法规落实情况。通过审核指标确定、资料收集、现场踏勘等，确定电耗、水耗、污染物去除率作为审核重点。

1.3 审核目标

按照《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB 18918—2002）的一级A 标准，设置清洁生产审核目标，如表2所示。能源消耗指标包括单位产品新鲜水耗和单位产品电耗；产品指标为出水TP 浓度。近期目标的预期实现时间为2022年底，远期目标的预期实现时间为2024年底。

表2 污水处理厂清洁生产审核目标

2 清洁生产方案及实施

2.1 清洁生产方案筛选

根据投资高低，可将清洁生产方案进一步细分为无费方案、低费方案、中费方案和高费方案。目前，城市污水处理厂清洁生产审核对此四类未有统一标准。综合城市污水处理厂运营特殊性及该污水处理厂实际运行财务情况，明确不同类型清洁生产方案的划分标准。一是无/低费方案，投入小于5 万元；二是中费方案，投入介于5 万～10 万元；三是高费方案，投入大于10 万元。经设计，清洁生产方案有12 个，其中，中/高费方案有1 个。

2.2 中高费清洁生产方案

2.2.1 工艺优化

该污水处理厂采用CASS 工艺，其能耗占总运行能耗的60%左右，因此要进一步优化CASS 工艺，提升生物反应池内溶解氧浓度。通过控制曝气时间和曝气阀开度，可降低能耗，提升污染物去除效果。将盘式曝气器更换为管式微孔曝气器（5 套）；将曝气电动蝶阀更换为电动调节蝶阀（5 套），并更换配套曝气总管，精准控制曝气量。双碳背景下，应提升污水回用率，减少碳排放。

2.2.2 设备选型

优选先进设备，淘汰落后低效设备，节能效益显著[4]。该污水处理厂使用带式污泥浓缩脱水一体机，故障频发，污水和污泥常出现跑冒滴漏现象，导致污泥脱水车间环境卫生较差。为此，决定新增污泥浓缩脱水一体机2 台。鼓风机能耗占比较高，更换为效率高、能耗低的鼓风机。将传统曝气器更换为低阻力的刚玉曝气器。采用变频水泵和普通水泵的组合方案，解决进水量不稳定难题。

2.2.3 智能控制

选用智能生物控制系统，根据污水处理厂水质及运行状况，自动给出控制参数，优化内外回流比，降低电耗。新增智能加药系统一套，全自动计算与控制投加的聚合氯化铝（PAC），确保除磷工艺按需自动加药，降低药剂使用量，减少碳排放。改造曝气池，采用集成软件和硬件的智能曝气控制系统，自动控制调节阀、鼓风机，按需调节、分配曝气量，精准控制溶解氧。

2.3 清洁生产方案实施

将清洁生产审核方案应用于该污水处理厂，取得良好预期效果，方案实施前、后审核目标各项指标值如表3所示。

表3 污水处理厂清洁生产审核目标指标值对比

3 清洁生产效益分析

该污水处理厂实施的清洁生产无/低费方案有11 项，中/高费方案有1 项，清洁生产方案共计12 项。方案实施以来，该污水处理厂在经济、技术、环境等方面取得良好效益。清洁生产审核方案的实施累计投资约112 万元，每年可显著节约水、电能和絮凝剂。本轮清洁生产审核结束后，优化CASS 工艺，将盘式曝气器更换为管式微孔曝气器，将曝气电动蝶阀更换为电动调节蝶阀，新增污泥浓缩脱水一体机，配套增加无轴螺旋输送机，选用高效填料塔药剂洗涤装置，新增智能加药系统一套，设备运行更加稳定、高效和智能。近期单位产品新鲜水耗减少74.02%，单位产品电耗降低27.59%，总磷去除率提升31.58%。出水水质指标已能稳定达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB 18918—2002）的一级A 标准。每年减少污染物排放量169.73 t，进一步降低碳排放，处理后的中水用作城市绿化用水、市政用水，改善水体环境，取得良好环境效益[5]。

4 结语

双碳背景下，城市污水处理厂清洁生产潜力大，要从定性指标、定量指标两个方面确定城市污水处理厂清洁生产审核重点。城市污水处理厂要积极采用低碳处理工艺，提高污水处理效率和回用率，减少新鲜水消耗，优化设备选型及布置，降低能耗。相比设备增加的投入，选用高效低耗设备，双碳效益往往更佳，可以促进经济、社会、环境的可持续发展。