上海污水處理AAO工藝碳排放情況及影響因素分析
摘 要：污水處理過程產生大量溫室氣體，而污水處理工藝的不同導致其對應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。結果表明，AAO工藝的碳排放主要來源于直接排放的曝氣沉砂池和好氧段曝氣反應產生的CO2以及內回流和污泥回流反硝化反應脫氮產生的N2O，間接排放的進水泵房、曝氣沉砂池和好氧段鼓風機所產生的電耗能耗，以及缺氧段和消毒池的藥劑投加。同時，污水廠可以通過控制曝氣量、回流比和外回流比以及外加碳源投加來減少處理過程中的溫室氣體排放量。
氣候變化已成為當今人類需共同面對的影響社會可持續發展的重大挑戰之一，人類活動產生的大量溫室氣體排放是導致氣候變化的關鍵原因。因此，為了控制和減少碳排放，對人類社會各領域所產生的溫室氣體進行研究分析具有重要意義。
我國污水處理廠數量已達到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，同時也會制造并排放大量的溫室氣體。隨著我國污水處理行業的不斷發展，污水廠溫室氣體的排放總量呈現逐年快速遞增的趨勢，從2007年的8.4 Mt CO2-eq(Mt CO2-eq，百萬噸CO2當量)增加到2016年的31.4 Mt CO2-eq，10年間增長了2.7倍[2]。
上海作為以建成卓越的全球城市為目標的全球五大國際性特大城市，截至2018年12月，已建成運行的城鎮污水廠共49座，總設計規模為805.2萬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到了280萬m3。截至2018年，上海已建成的城鎮污水處理廠中約有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500萬m3/d，已達到上海所有城鎮污水處理廠設計規模的一半以上。因此，AAO已成為上海主流污水處理工藝。本文主要對該工藝的碳排放情況進行分析，以期了解污水處理過程中的碳排放來源，給出控制各處理環節碳排放的建議，為污水廠實現低碳運行提供參考。
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上開發的一種可以同步達到脫氮除磷效果的活性污泥處理工藝[4]。目前，上海已投入運營的污水廠中，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工藝為基礎的污水處理工藝。AAO工藝得到廣泛運用的主要原因在于其工藝流程相對簡單，不易出現污泥膨脹問題[5]，運行成本不高，且出水水質較好，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題。
污水處理過程中產生的碳排放主要以碳源和碳匯形式存在，對碳源和碳匯的分析來源于IPCC目前用于界定碳排放核算邊界的主要界定方法。目前，國內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。從理論上來說，碳源和碳匯的界定標準和范圍較為清晰，其他界定方法具體到不同的領域會存在一定的不足。全面考慮碳源和碳匯，可以完整地反映一個行業或者領域的碳排放現狀，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性。碳源即處理過程中產生的直接碳排放和間接碳排放，而碳匯則是指處理過程中減少的碳排放，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程中能源生產設施、電力設施等運行所產生的能耗以及處理過程中藥劑投加所制造的外加碳源。
AAO工藝從整個工藝流程上來看，氣體產物主要包括好氧段曝氣排放的CO2和好氧段、二沉池回流污泥進入缺氧厭氧段經過反硝化反應脫氮產生的N2O，這些均屬于直接排放。間接排放則包括設備運行電耗和污水處理環節輸送過程能耗以及藥劑投加產生的外加補充碳源，如反硝化過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，曝氣系統是生物處理單元的主要能耗設備，其運行情況直接影響處理過程中溶解氧濃度與實際處理效果。與污泥處理處置不同，污水處理過程中基本沒有碳匯產生。從質量守恒角度對AAO工藝的碳源和碳匯進行分析，將目前上海大型污水廠采用的AAO工藝用簡易流程圖表現，如圖1所示。
2 影響因素及減排建議
2.1 影響因素
AAO工藝處理污水過程中碳排放的產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產生的CO2以及內回流和污泥回流反硝化反應脫氮產生的N2O；間接排放則包括進水泵房、曝氣沉砂池和好氧段鼓風機所產生的電耗能耗，以及缺氧段和消毒池的藥劑投加。
傳統的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勢。但是，這類沉砂池對水流流態及流速控制的要求非常高，過高或過低的流速都會引起流態的變化，從而導致沉砂效率下降。因此，在流量變化較大的場合應用效果不佳。考慮到旋流式沉砂池在實際運行中除砂效果較差，易導致設備磨損以及增加進泥配件養護成本，且實際水量變化幅度大，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改造工程中改用曝氣沉砂池。從碳排放角度來看，曝氣沉砂池的優點在于能夠有效去除砂粒上附著的有機污染物[7]，減少了沉砂池中排出的砂粒腐敗風險，而預曝氣和預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物質從除渣區浮出水面，達到油水分離的目的，有利于提升后續污水處理的效果。缺點是曝氣設備要消耗大量的能量[8]；同時，運行過程中，若鼓風機供氣量過大，會導致進水中含氧量過高，使后續厭氧段和缺氧段的溶解氧量升高，影響處理效果，導致運行成本增加。
藥劑的投加即是增加外加碳源的過程，對碳排放量會產生較大的影響。在AAO工藝反硝化過程中，由于碳源不足，需在缺氧段投加甲醇作為補充碳源；此外，當內回流比較高時，若要提升處理工藝的脫氮效率，也需在缺氧段加入有機碳，以確保處理過程中的碳源穩定；在消毒池中，需添加液氯對污水進行消毒后才能最終進行外排。
2.2 建議
由于污水處理過程中沒有額外的碳匯產生來幫助削減碳排放量，控制和減少碳排放只能通過減少直接排放和間接排放來實現，具體到AAO工藝的各個處理環節如下。
(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現雨污分流或分流不徹底，污水廠進水量不穩定，有時候遠小于進水量設計值，而曝氣沉砂池配置的鼓風機供氣量過大，會導致水中溶解氧含量過高，從而影響后續AAO各工藝段處理效果。因此，應根據污水處理廠實際運行、生產情況，按比例降低曝氣沉砂池的供氣量[9]，降低進入污水中的含氧量，保證后續各段處理單元的處理效果，減少因運行效果不好產生的多余碳排放。
(2)合理選擇曝氣方式和控制曝氣量。曝氣系統是AAO工藝的主要能耗和CO2排放設備，不僅直接影響污水中溶解氧濃度與處理效果[8]，同時也貢獻了大部分的碳排放。因此，優化曝氣環節對AAO工藝實現碳減排起到關鍵作用。首先，需根據污水廠處理規模等實際情況選擇更優的曝氣方式，如上海大中型污水處理廠均選擇鼓風曝氣；其次，在確定使用鼓風曝氣后，需綜合考慮風量、壓力等因素，如風量小可選擇羅茨鼓風機，大風量可優先考慮單機離心機等；此外，根據實際運行情況還應合理安排曝氣器的方向，并控制合理的曝氣量，及時調整生化系統參數。
(3)科學設置內回流比、外回流比。將內回流比分別設置為100%、150%、180%、200%的試驗結果表明[10]，當內回流比為180%時，系統內總氮的平均去除率可達63.50%，且脫氮效果越好，外回流至厭氧池的硝態氮就越少，越有利于總磷的去除，提高總磷的去除率。系統的尾端溶解氧濃度、外回流比及內回流比均與污水廠的能耗成正比。但是，內回流比如果設定過高，好氧池尾端的溶解氧則會隨混合液流向缺氧段，在一定條件下催生硝化反應，從而影響系統內氨、氮的去除效果，反而產生電耗、能耗等間接排放，增加系統的運行負擔。當AAO的外回流比由60%上升到100%時[11]，系統生物段的污泥濃度會隨之增加，有利于COD的去除。但是，若過高的外回流比長期存在，會導致硝態氮、溶解氧進入厭氧區內，阻礙厭氧段內的釋磷反應，從而影響整體的運行效果。
(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，也需進行合理配置及利用，量少無法保證反硝化速率，但過量投加則浪費化學藥劑，從而產生多余的碳排放。因此，碳源的適度投加有助于實現污水處理廠低碳運行的目標。
3 結論
雖然碳減排已經成為全球趨勢，但是我國現階段在污水處理領域碳減排問題上還未給予足夠的重視。本文以上海污水處理行業主流工藝作為研究分析對象，給出了AAO工藝處理過程中的碳排放來源，包括直接排放的曝氣沉砂池和好氧段曝氣反應產生的CO2以及內回流和污泥回流反硝化反應脫氮產生的N2O；間接排放為部分的進水泵房、曝氣沉砂池和好氧段鼓風機產生的電耗能耗，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、科學設置內外回流比以及控制外加碳源投加等方面對污水廠各處理環節進行升級改造，從而在一定程度上實現污水廠低碳運行的目標。
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