路漫漫其修远兮，吾将上下而求索——中国污水处理行业碳减排技术路径报告（上篇）

在污水处理运营管理与节能降耗方面，发达国家进行了很多研究和实践，有自己的一套运营管理体系。

美国对污水处理厂出水水质及其达标有着严格要求，在运营管理方面有一套9步骤的能源管理系统方案，并且非常注重高效设备的使用。高效技术和设备的应用使得美国污水处理厂能量效率大大提高，总体能耗下降了大约10%，每年节省电耗100多亿kWh，也即每年节约了将近75亿美元的花费。

加拿大污水处理厂的节能降耗重点落在全厂的运行管理，并且针对不同规模的处理系统提出了相应的调节方式与优化措施。目前正在广泛应用的CCP 综合校正技术从两个阶段四个步骤，对污水处理厂的设备和运行环节进行了问题识别和综合评价；在运行优化实施的过程中，加拿大重视指标的监测和控制设备的使用，因此，污水处理的自控技术在未来一段时间内存在很大应用与改进空间。

欧盟作为特殊的结合体，在污水处理方面强调应用先进的控制技术，提倡各方广泛地研究与交流。水污染问题是全球性的课题，欧盟为了对污水处理进行精确控制，开展了各国间的科技合作，为污水处理厂提标或新建厂提供技术支持。具有代表性的技术研究有COST682、COST624计划和国际水质协会的活性污泥模型的研究。欧盟应用精确地数学模型控制化学混凝，实现了污水处理厂可以根据进水水质及水量按比例精确加药，达到了节省絮凝剂消耗、提升自动化控制水平、提高出水水质和降低污泥管理成本的目的。

日本作为亚洲的发达国家，为应对污水处理碳减排采用了高效的曝气设备和污泥处理设备等，曝气能耗可减少20%，N2O产生量可降低85%；另外日本还强调能源的回收和新型能源的利用，从而提高污水处理厂碳中和效率，实现污水处理的低碳运行。

美国EPA预测在下一个15年里，污水处理厂的电能消耗将增加20%，对发展中国家来说面临的困境是类似的。在电能消耗、废气排放以及面对逐渐严格的排放标准而引起的资源消耗方面，生物处理工艺的污水处理厂正在面临巨大的挑战。

污水处理厂是削减水中污染物最主要的环节，但在此过程中也产生了大量的碳排放。国际上，节能减排已是城镇污水处理系统的发展方向，发展的核心是将成熟的节能技术和高效的机电设备在系统上进行集成，并且提高现有的运营管理水平。而目前中国污水处理行业侧重在设施建设，对于污水处理中设备的优化和运营的节能降耗还处于空白状态。

中国污水处理厂在运行过程中，既有由于运行调控的不合理以及管理不当所导致的能源浪费，也有各处理单元设备效率低下造成的碳排放量过高。对于中国污水处理厂的低碳运行有两个方面需要重视：一是基于全生命周期的碳排放量低，主要面向污水处理过程中所用的构筑物、产品或服务；另一种是终端消耗的碳排放量低，需要关注处理电耗、药耗以及运营过程中的节能减排。

碳减排路径分析

研究发现，污水处理厂去除污染物质越多，直接碳排放量越高，即在解决COD 去除率和减少温室气体直接排放时难以做到两者兼顾。因此，为了达到污水处理碳减排的目的，主要应该从间接碳排放即能耗的降低和能源的回收方面进行深度挖掘。

中国污水处理间接碳排放存在相当大的地域差距，间接碳排放当量从高到低分别为华北、西北、东北、华东以及华南。形成这一现象的原因，是每个省份污水处理厂进水水质、气候条件、采用的工艺流程、设计参数以及处理设备不同，再加上经济发展和行业政策，促使当地对污水处理的重视程度有所不同。

北部地区由于经济发展水平一般，技术创新与节能降耗措施的应用较少，不愿意一次性高投入购买高效设备，整体处于粗放型运营，因此吨水运行的电耗较高；华东和华南地区由于经济发展较好，行业对于处理过程中的提效意识较强，对先进设施的采用投入较高，因此工艺运营水平整体较高，机电设备处于高效运行状态，为水厂节省了大量运行费用。

从分析结果可知，通过先进设备的应用和工艺的优化，中国北部地区可获得较高的碳减排效益，节能减排潜力最高的是华北地区，节能减排潜力高达42.64%，其次是西北地区，节能减排潜力为33.98%，东北与华东地区节能潜力分别为27.89%及27.29%。华南和华东地区间接碳排放量虽然不高，但占总碳排放量比例最高，分别为33.43%和33.11%，说明直接碳排放量较少，耗费了较高的能耗处理了较少的污染物。因此南部地区需要加强管网的建设，减少地下水的入渗，提高进水污染物的浓度。

从规模角度分析，吨水间接碳排放当量随着水厂规模的增大先降低后升高，小型污水处理厂吨水间接碳排放当量最高，为0.29kg/m3，中大型污水厂最低，为0.25kg/m3。结果反映了中国在中大型污水处理厂的运营能力较强，间接排放较低，电能的综合利用效率较高。因此，发展中大型污水处理厂，能够一定程度上兼顾污染物减排和温室气体减排。

从工艺角度分析可知，虽然A/O处理工艺是目前比较通用的一种技术，在污水处理效果上有一定的优势，但却要消耗大量电能，不具备低碳排放效果，不予推荐。MBR工艺具有较高的出水水质，但其投资及维护费用较高，且运行间接碳排放所占比例极高，不利于污水处理的节能减排。因此，在满足水质要求前提下，中国污水处理工艺可优先考虑AB法、活性污泥法或A2O法。

从环境优化经济的角度来看，为达到进一步脱氮除磷的目的，污水处理厂在深度处理工艺方面应关注减少N2O排放的技术，例如选择更为低碳的新型深层反硝化滤池，通过科学控制溶解氧、pH值获得更低的碳排放量。在城市污水处理厂日常运行中，与工艺所配套的机电设备的运行状况不仅影响了污水处理系统的处理效果，也决定了污水处理厂的能耗水平。

中国典型城市的污水处理厂关键单元，包括泵送设施、曝气能耗、推流搅拌，约占总能耗的90.8%，因此，对上述几项关键运行环节进行设备改进，提高运行效率，降低意外停机损失，可以大幅度减少污水处理厂的运行费用和维护费用，从而降低企业运营成本，提高企业利润。

通过全生命周期分析水厂关键单元和设备更加科学直观，即将投资与收益的关注点从单纯的购买价格以及短期的成本收益向长期的收益回报转移。

从运行角度讲，当设备以高效运行时，由于实际运行工况点更加接近设计要求，因此不会再因工况的不适合产生热量和振动而消耗能量，减少了运行过程中无谓的浪费。

从设备维护角度讲，如果一个产品不稳定，造成了无法预见的停机，那么对于水厂的绩效考核、能量的损耗以及维修开支影响也很大。一旦系统出现问题，就必须投入资金及人力的维护。好的设备所带来收益的提高不会立即反应在当下，而是以长期投资中以经济利润的形式获取。更低的运行费用和维护费用会给企业带来更高的利润。

按照国际经验，采用高效的设备，对水厂运行过程进行优化控制，电耗可降低20%~50%，则进行水厂的提效改造可节省耗电量为28~70亿kWh，相当于减少排放CO2e 279~698万t/a，产生效益约为22.4~56亿元人民币。

综上所述，造成中国污水处理厂能耗偏高、能效很低的原因，很大程度上是设备效率过低和运营管理的不当。采用高效的机电设备，有助于水厂运行效率的维持和提高，降低运行能耗以增加利润。此外，如果采用先进的运行管理手段和技术为水厂运营作指导，中国污水处理厂碳减排潜力是巨大的。

具体来讲，中国污水处理降低碳排放量可从以下几个方面入手。

从全生命周期评价产品，降低运行和维护成本

生命周期成本（Life Cycle Costing，缩写为LCC），是指在产品经济有效使用期间所发生的与该产品有关的所有成本，包括开发、生产以及后续的维护支持等。全生命周期评价是评价一个产品系统生命周期整个阶段，从原材料的提取和加工，到产品生产、包装、市场营销、使用、再使用和产品维护，直至再循环和最终废物处置的环境影响。

LCC的概念广泛应用于工业中的许多环节，同样适用于污水处理厂设备的评价，例如对泵送设备、曝气设备以及搅拌设备等等进行全周期的评价。

污水处理厂中一个产品的投资成本，包括初置成本、安装调试费用、运行成本、维护成本、停机成本以及处置费用等等，在其生命周期中都会伴随着消耗。对于有着较长生命周期的泵送系统和曝气系统，其附加消耗是最初投入成本的许多倍。

如图4-2 所示，一个泵送设施很可能要运行很长时间，甚至是几十年，运行中直接和间接费用的积累在设施初置后很长一段时间运行中产生。图中将该产品的所有费用，简化为最重要的初置成本、运行成本和维护成本，可以看到随着时间的延长，初置成本作为一次性投入不会有变化，但是运行成本和维护成本是随着使用时间一直在发生，污水处理厂要对设备的稳定运行作出持续的投入。

大部分污水处理厂只关注产品或者服务的初期投入，却没有考虑其后续费用，事实上系统整个生命周期中的总消耗应被累计起来。从图中可以看出，产品的运行费用通常高于总消耗的50%，而初置成本一般低于总费用的15%。

一些研究显示，泵送系统所消耗的能量可以通过设备改进或者控制系统的改变而大大节省。例如用效率为80%的水泵代替效率为75%的水泵，将会节省用电消耗近7%。因此，类似污水处理厂泵送、搅拌以及曝气系统，具有长期运行特性的产品，可采用更加高效的组件，达到节省能量消耗的目的。

关键的运行设备由于做出了技术改进与革新，势必会增加初期购置成本。但高效的产品会在长期的运行中获益更多。从长期的投资收益看，当污水处理系统满足设计要求，加以高效的水泵、曝气系统和搅拌器，可以获得长期的经济效益。

从设备维护角度讲，无法预见的停机对于污水处理效果和设备消耗的影响也很大，会影响到能量的损耗和备件更换的费用。一旦系统出现问题，就必须投入资金及人力展开维修和维护工作。更低维修频率、更少的组件替换以及更加有效的系统意味着更低的碳排放和成本的投入，从而给企业带来更高的利润。

细化研究设计参数，进行运行调度的优化

目前很多污水处理系统在设计时并未开展实际研究，处理规模的确定缺乏依据，设施的运行效率参数和活性污泥性能参数都处于未知，导致设计值较实际处理水量偏高，处理设备选型偏大，从而造成运行过程中的能量浪费。

从曝气系统的实际运行现状来分析，第一，在污水处理厂进行工艺设计时，其需氧量的计算依据是在城镇污水污染指标的既往平均值基础上，上调一定比例，甚至是设定值，在这种情况下运行，必然导致曝气能耗过高，污水处理的单位能耗过高；第二，有些污水处理厂为了确保出水水质的达标，盲目的增大曝气量，增大污泥回流量，投入过多的化学药剂。

实际上，当曝气量和污泥回流量达到一定量时，出水水质已经可以达标，无需再继续增大溶解氧浓度和污泥浓度。因此，开展设计参数的细化研究，对关键设计值进行实际测定和测试，可以有效避免不必要的电能和药物的浪费。

选择最适合于系统的的设备同样非常重要。以往系统的设计都遵循设计标准和经验法则，进而导致系统设计偏大。过大的系统设计，意味着从高效设备中所获得的能量节省将消耗在低效率的系统中。选择合适的设备，当其以高效运行时，由于实际运行工况点更加接近设计要求，因此设备所需维护保养随之降低，运行时不会再因产生热量和振动而消耗能量，也不会因此使设备工作寿命降低。

开展错峰运行也是降低水厂能耗的有效措施。污水处理厂的电价计费大多采用大工业电价。中国现行的大工业电价计费方式采用峰谷计量模式，尖段的电价是谷段电价的3 倍多，科学调度各时段的生产运行，对节约电费具有很好的实用性。特别是污泥脱水工段，如何避过尖段、峰段用电，充分利用谷段用电，对节约电费作用明显。