污水處理過程中碳中和技術(shù)分析

唐曉劍

(吉林建筑大學(xué)市政與環(huán)境工程學(xué)院， 吉林 長春 130118）

我國地大物博具有多種不同類型的資源，污水是一種潛在的資源，傳統(tǒng)形勢下在開展污水處理工作時(shí)，都是“以能耗能”“莊稼污染”等方式來凈化水資源，與此同時(shí)也增加了溫室氣體排放量。在社會(huì)整體發(fā)展創(chuàng)新的背景下，可持續(xù)污水處理技術(shù)備受關(guān)注，我國各大污水處理廠在運(yùn)行期間，將碳中和理念作為核心運(yùn)行目標(biāo)，在為污水處理廠指明發(fā)展目標(biāo)的基礎(chǔ)上，也能顯著提升污水處理效果。我國整體的碳排放量非常大，污水處理行業(yè)中的碳排放量也占據(jù)較大比例。在我國城市化發(fā)展速度不斷加快、污水處理設(shè)施日益完善的狀況下，我國各個(gè)城市的污水處理規(guī)模也在不斷擴(kuò)大，這樣就會(huì)產(chǎn)生較多的污泥。在實(shí)際處理污泥期間會(huì)消耗大量的藥劑和能源，并且在應(yīng)用填埋方式處理期間，也會(huì)排放大量的溫室氣體。這就要求做好污泥處理工作，最大程度上保證在這一過程中碳減排對污水處理中的碳中和工作發(fā)揮了重要作用。本文從污水處理碳中和運(yùn)行內(nèi)容，以及結(jié)合污水處理與碳排放關(guān)系入手展開闡述，針對如何保障碳中和技術(shù)在污水處理過程中發(fā)揮作用進(jìn)行全面探討。

1.污水處理碳中和概述

1.1 碳中和運(yùn)行內(nèi)容

碳中和指在計(jì)算二氧化碳排放總量之后，采取植樹造林的方式，細(xì)致研究可再生能源、增加溫室氣體吸收量等內(nèi)容，在有效抵消碳排放量的同時(shí)，做好生態(tài)文明建設(shè)工作。

從污水處理的角度對碳中和運(yùn)行內(nèi)容進(jìn)行研究，可知其主要是指通過一定的技術(shù)手段，吸收固定在污水處理期間產(chǎn)生的二氧化碳，或是通過應(yīng)用一些工藝的方式，將污水中的有機(jī)物轉(zhuǎn)化為可以利用的能源物質(zhì)，之后再對這些物質(zhì)進(jìn)行利用。但是因?yàn)榧夹g(shù)和經(jīng)濟(jì)條件存在不足，導(dǎo)致缺乏有效的方式和技術(shù)，所以污水處理廠在實(shí)現(xiàn)碳中和運(yùn)行期間，都是通過后者來實(shí)現(xiàn)的。此種類型的碳中和污水處理方式，不僅能夠有效減少二氧化碳的排放量，也能真正做到節(jié)省電耗、減少化石能源消耗量，這對于實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)具有重要意義。

1.2 污水處理與碳排放的關(guān)系

傳統(tǒng)形式下的污水微生物處理工藝，在實(shí)際操作期間與可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略之間存在不符的問題。無論是在應(yīng)用傳統(tǒng)形式下的哪種污水處理方式，都會(huì)使污水中的COD在最終階段形成CO2，即便應(yīng)用可持續(xù)特征的方式，能夠在有效減少外部能源使用量的同時(shí)，減少外部能源發(fā)電期間產(chǎn)生的CO2排放量，但是在消耗污水中含能物質(zhì)的最終結(jié)果，實(shí)際上會(huì)產(chǎn)生“污染轉(zhuǎn)嫁”的問題。這也就意味著在凈化污水期間，也會(huì)因?yàn)橄拇罅客獠磕茉炊a(chǎn)生大量的CO2，進(jìn)而就會(huì)對大氣造成污染。

在污水中實(shí)際含有的COD里，也含有大量的化學(xué)能。在認(rèn)識(shí)到這一問題之后，非常關(guān)鍵的一項(xiàng)工作就是回收和利用污水中潛在的有機(jī)能源，這是現(xiàn)階段提升污水處理工藝低碳運(yùn)行效果的一項(xiàng)重要舉措。

2.污水處理過程碳中和運(yùn)行狀況以及主要工藝

2.1 污水處理中的碳中和運(yùn)行狀況

對污水處理中的碳中和運(yùn)行實(shí)質(zhì)性內(nèi)容進(jìn)行研究，可知實(shí)現(xiàn)整個(gè)污水處理過程中的能源自足，這就意味著在實(shí)際從處理污水期間不需要外部能源，從而防止因?yàn)橄倪^多的化式能源，產(chǎn)生排放大量CO2的目的。基于此，為了能夠?qū)⑻贾泻瓦@項(xiàng)工作落到實(shí)處，就要對碳中和技術(shù)充分應(yīng)用，在明確“碳中和”運(yùn)行線路圖的基礎(chǔ)上，制定科學(xué)合理的碳中和實(shí)施方案。

例如：

2.1.1 一些歐美國家的污水處理廠，就是將剩余污泥作為主要的能源載體，并且也要充分結(jié)合前端篩分COD技術(shù)和后端的厭氧共消化技術(shù)，以應(yīng)用最大化“污泥增量”的方式，在污水或是外源有機(jī)物中，通過厭氧消化的方式來獲取更多可以應(yīng)用的能源。

2.1.2 我國傳統(tǒng)形式的污水處理方式，過于注重對污水本身的處理，存在忽視剩余污泥等能源物質(zhì)的應(yīng)用問題，久而久之就會(huì)產(chǎn)生大量的污泥，無法及時(shí)處理。就我國污水處理中的碳中和運(yùn)行狀況與其他國家進(jìn)行對比，仍然處于萌芽狀態(tài)，具備較大的發(fā)展空間。產(chǎn)生這一現(xiàn)象，與我國目前碳中和技術(shù)水平、政策實(shí)施狀況等多項(xiàng)因素有直接關(guān)系。

2.2 碳中和運(yùn)行和實(shí)施期間的技術(shù)工藝

現(xiàn)階段，有多種不同類型的技術(shù)不斷出現(xiàn)并被應(yīng)用。結(jié)合污水處理過程中的CO2產(chǎn)物，可以通過培養(yǎng)藻類的方式，來達(dá)到吸收CO2的目的，之后也可以收集實(shí)際培養(yǎng)的藻類再進(jìn)行利用。對于水體中的有機(jī)物而言，可以通過開展微生物厭氧呼吸處理工作的方式，將其直接轉(zhuǎn)化為CH4，這樣就可以將其作為能源進(jìn)行應(yīng)用。目前，也有很多技術(shù)處于研究階段，為了保證碳中和運(yùn)行效率，就要做好污泥處理工作。剩余污泥在經(jīng)過一系列的操作之后，就會(huì)產(chǎn)生以CH4為代表且能夠直接應(yīng)用的能源物質(zhì)，充分發(fā)揮應(yīng)用的效能，能夠達(dá)到產(chǎn)能產(chǎn)電的目的。此外，對于污水處理碳中和的工藝而言，主要就是在原有的污水處理工藝上，適當(dāng)?shù)靥砑酉鄳?yīng)的技術(shù)步驟，形成一種新型的工藝。在一些附件流程的作用下，不僅能夠回收污水中的能源物質(zhì)，產(chǎn)生相應(yīng)的能源，也能更加顯著地提升污水處理效率。

3.污水處理過程中碳中和技術(shù)應(yīng)用要點(diǎn)

污水是一種資源和能源的載體，在污水中含有大量的有機(jī)物。不僅如此，在污水中也存在大量的植物營養(yǎng)元素，如較為常見的有氮、磷、鉀。考慮到傳統(tǒng)形勢下的污水處理方式，存在無法滿足可持續(xù)發(fā)展要求的問題，就要結(jié)合現(xiàn)代化污水處理要求，充分運(yùn)用具有可持續(xù)發(fā)展特征的新型方式。

3.1 充分利用細(xì)菌、藻類等，達(dá)到互利共生的目的

主要就是因?yàn)榧?xì)菌能夠提供碳源，藻類通過利用污水中的植物營養(yǎng)素生長代謝功能，為好氧細(xì)菌提供相應(yīng)的受氫體-O2。此外，為了能夠進(jìn)一步提升水中能量的利用率，需要資源型藻類與細(xì)菌共生，較為常見的做法，就是產(chǎn)單細(xì)胞蛋白或是油脂，這些都是人們實(shí)際需要的資源型藻類。在這種方式的作用下，藻類能夠固定太陽能，在最終階段所獲取的能量，也許會(huì)大于污水中有機(jī)物本身實(shí)際包含的能量。但是如果是從理論的角度進(jìn)行研究，就會(huì)發(fā)現(xiàn)存在無法實(shí)現(xiàn)利用資源型細(xì)菌的問題。因?yàn)槲鬯袑?shí)際包含的物質(zhì)非常復(fù)雜，這就需要使用多種不同細(xì)菌協(xié)同作用，導(dǎo)致無法有效利用單一或是使用幾種類型細(xì)菌來完成凈化污水這項(xiàng)工作。因此，這種方式在理論上可實(shí)現(xiàn)，但在實(shí)際操作過程中仍然有諸多問題需要解決。

一是在環(huán)境復(fù)雜的污水中，尋找依然能夠高效生長的資源型藻類，具有一定難度。

二是應(yīng)用現(xiàn)階段的技術(shù)方式，很難在污水中將藻類分類出來，或是實(shí)現(xiàn)的成本較高。

3.2 充分利用污泥，創(chuàng)新綠色能源應(yīng)用方式

污水中的污泥，實(shí)際上可以作為一種潛在的綠色能源開發(fā)利用，這就要在開展污水處理碳中和工作期間，充分發(fā)揮污泥的優(yōu)勢。在污泥中含有較多的寄生蟲卵、病原微生物等，甚至也含有較多種類的植物營養(yǎng)素和重金屬離子等。我國在處理污泥期間，一般都是以填埋處理、海洋處理、焚燒處理方式為主。

一是在應(yīng)用污泥填埋處理方式期間，因?yàn)槲勰嘧陨淼暮枯^大，即便是已經(jīng)處理完成之后的污泥，其含水量也會(huì)達(dá)到80%左右。在此種狀況下，不僅極易使填埋場的滲濾液產(chǎn)量出現(xiàn)逐步增加的現(xiàn)象，也會(huì)產(chǎn)生非常嚴(yán)重的地下污染。這樣就會(huì)存在質(zhì)地松散、填埋土層不穩(wěn)定、塌陷幾率等問題，加之如果要開辟全新的填埋場，還會(huì)產(chǎn)生較高的成本，所以污泥填埋方式存在一定的弊端。

二是污泥焚燒方式，前期需要投入大量的資金，并且在后期運(yùn)營和管理過程中，對專業(yè)性也具有較高要求。此外，如果沒能按照標(biāo)準(zhǔn)要求來焚燒污泥，也會(huì)產(chǎn)生有毒氣體。

總之，這幾種比較傳統(tǒng)的污泥處理方式，都沒能充分應(yīng)用剩余污泥中的能量，并且污泥中的病原微生物、重金屬離子等，也會(huì)對生態(tài)環(huán)境造成較大的影響?；诖?，為了能夠做好污水處理碳中和工作，就要研發(fā)并應(yīng)用新型的污泥處置工藝?，F(xiàn)階段應(yīng)用效能比較穩(wěn)定的技術(shù)方式，具體包括好氧消化、厭氧消化、污泥堆肥等。

3.2.1 好氧消化

對于好氧消化這種新型技術(shù)而言，主要就是通過好氧氧化作用，使污泥中的有機(jī)物礦化。在實(shí)際操作過程中，大部分的污泥都會(huì)處在“內(nèi)源呼吸期”。深究原因，污泥中存在大量的細(xì)菌，但是在胞外的有機(jī)物卻非常少，這樣就會(huì)使一部分的細(xì)菌產(chǎn)生裂解狀態(tài)，進(jìn)而就會(huì)使細(xì)菌個(gè)體處于內(nèi)源呼吸期。在嚴(yán)格按照標(biāo)準(zhǔn)要求開展此項(xiàng)工作之后，即便能夠有效地降解污泥中的大部分有機(jī)物，卻不能從污泥中獲取能量，但是對于減少后期處理這一環(huán)節(jié)對環(huán)境造成的危害。

3.2.2厭氧消化

此種技術(shù)方式，主要就是污泥在厭氧條件下，通過有效降解消化作用的方式，科學(xué)分解有機(jī)物，在最終階段就會(huì)產(chǎn)生以甲烷為主的沼氣，這樣能夠使污水中的污泥理化性質(zhì)處于穩(wěn)定狀態(tài)。在實(shí)際操作期間，具體的步驟為：有機(jī)物被水解和發(fā)酵，科學(xué)合理地轉(zhuǎn)化為單糖、氨基酸、甘油、二氧化碳等；在實(shí)際產(chǎn)生氫和乙酸菌的作用下，可以將有機(jī)產(chǎn)物轉(zhuǎn)化為氫、二氧化碳、乙酸；最后一個(gè)步驟，則是通過產(chǎn)甲烷菌的方式，進(jìn)一步將氫和二氧化碳轉(zhuǎn)化為甲烷，與此同時(shí)乙酸脫羧也會(huì)產(chǎn)生甲烷。在明確每一個(gè)操作步驟的要點(diǎn)內(nèi)容之后，污水處理廠就可以合理設(shè)置污泥消化池，在充分利用其產(chǎn)生的甲烷開展發(fā)電工作之后，能夠?yàn)槲鬯畯S處理污水，提供充足的電力資源。此種技術(shù)方式，也存在一定的弊端，如即便能夠回收并利用污泥中的能量，但是還是會(huì)受到細(xì)菌裂解率、過程復(fù)雜等問題的影響，而降低污泥中的能量重復(fù)利用率。

3.2.3 污泥堆肥

在開展污泥堆肥這項(xiàng)工作期間，一般都是利用污泥中的微生物，在較為潮濕的環(huán)境下，達(dá)到發(fā)酵的目的，以此來將污泥中的有機(jī)成分，氧化、分解、轉(zhuǎn)化成為類腐殖質(zhì)的過程。

污水中的污泥在經(jīng)過堆肥處理之后，其中的寄生蟲和病原菌，能夠被完全殺滅，甚至也能增加可以被植物利用的養(yǎng)分，進(jìn)而就不會(huì)對環(huán)境造成嚴(yán)重影響。在對污泥進(jìn)行堆肥處理之后，可以將這部分污泥作為肥料，排入農(nóng)田中，在適當(dāng)減少化肥使用同時(shí)，也無需開展脫水處理工作，所以對于減少動(dòng)力損失具有重要意義。

因?yàn)樵谖勰嘀械挠袡C(jī)物，大部分都是存在與污水處理的細(xì)菌胞體中，所以這些方式都會(huì)受到細(xì)胞裂解率的影響。一旦細(xì)胞裂解率較低，將會(huì)導(dǎo)致這些措施不能有效地利用污泥中實(shí)際存在的有機(jī)物。因此，“細(xì)胞破壁”就是在開展污泥預(yù)處理工作期間，非常重要的一種技術(shù)。實(shí)際上，越來越注重污泥消化預(yù)處理技術(shù)的研究，如超聲波、微波、機(jī)械處理等方式就是被廣泛應(yīng)用。在經(jīng)過多次實(shí)踐操作之后，證實(shí)在pH值大于12，并且此種狀態(tài)能夠保持一段時(shí)間，就可以利用強(qiáng)堿和石灰，達(dá)到殺滅眾多細(xì)菌的目的。

3.3 制定碳中和技術(shù)應(yīng)用保證機(jī)制，提升碳中和技術(shù)應(yīng)用率

一是確定脫碳、零碳、負(fù)排放技術(shù)等多個(gè)方面的發(fā)展路線圖，同時(shí)也要制定出具有綠色特征的高比例可再生能源網(wǎng)絡(luò)圖。在此期間，需要細(xì)致分析資金需求，科學(xué)合理地調(diào)動(dòng)行業(yè)和市場現(xiàn)有力量，在積極鼓勵(lì)產(chǎn)學(xué)研等多種類型創(chuàng)新主體之間，在不斷加大合作力度的同時(shí)，將新型技術(shù)的推廣和示范應(yīng)用工作落實(shí)到實(shí)處。

二是做好創(chuàng)新政策、金融市場工具等多項(xiàng)協(xié)同工作，在為后續(xù)我國開展低碳市場建設(shè)工作提供正確指導(dǎo)的同時(shí)，構(gòu)建綠色金融體系。這就要將良性機(jī)制作為實(shí)現(xiàn)碳減排交易實(shí)現(xiàn)、綠色減排技術(shù)應(yīng)用協(xié)調(diào)推進(jìn)工作的重要保障，從而在諸多市場化方式的作用下，進(jìn)一步促進(jìn)低碳創(chuàng)新型企業(yè)的發(fā)展。

4.結(jié)束語

綜上所述，在現(xiàn)代化社會(huì)的發(fā)展趨勢下，人們的環(huán)境保護(hù)意識(shí)不斷提升，能源緊缺問題備受關(guān)注。在實(shí)際處理污水期間，需要充分利用碳中和技術(shù)，在滿足污水處理廠運(yùn)行要求的基礎(chǔ)上，充分利用污水中的各項(xiàng)能源，使污水處理廠達(dá)到自給自足，有效彌補(bǔ)傳統(tǒng)污水處理方式存在的不足，從而使碳中和理念在污水處理過程中充分發(fā)揮應(yīng)用價(jià)值。在處理污水期間，應(yīng)提升污泥處理重視度，通過對污泥好氧消化、厭氧消化、污泥堆肥等多種方式進(jìn)行應(yīng)用處理之后，更好地落實(shí)低碳運(yùn)行這一先進(jìn)理念，從而創(chuàng)造更多的社會(huì)效益和環(huán)境效益。