上海污水处理AAO工艺碳排放情况及影响因素分析
摘 要：污水处理过程产生大量温室气体，而污水处理工艺的不同导致其对应的温室气体排放情况也有所不同。文中以上海大型污水厂污水处理工艺为例，分析AAO污水处理工艺的碳排放情况以及影响碳排放量的因素。结果表明，AAO工艺的碳排放主要来源于直接排放的曝气沉砂池和好氧段曝气反应产生的CO2以及内回流和污泥回流反硝化反应脱氮产生的N2O，间接排放的进水泵房、曝气沉砂池和好氧段鼓风机所产生的电耗能耗，以及缺氧段和消毒池的药剂投加。同时，污水厂可以通过控制曝气量、回流比和外回流比以及外加碳源投加来减少处理过程中的温室气体排放量。
气候变化已成为当今人类需共同面对的影响社会可持续发展的重大挑战之一，人类活动产生的大量温室气体排放是导致气候变化的关键原因。因此，为了控制和减少碳排放，对人类社会各领域所产生的温室气体进行研究分析具有重要意义。
我国污水处理厂数量已达到2018年底的4 205座，年处理量为1.86亿m3[1]。巨大的处理总量一方面消耗能量，同时也会制造并排放大量的温室气体。随着我国污水处理行业的不断发展，污水厂温室气体的排放总量呈现逐年快速递增的趋势，从2007年的8.4 Mt CO2-eq(Mt CO2-eq，百万吨CO2当量)增加到2016年的31.4 Mt CO2-eq，10年间增长了2.7倍[2]。
上海作为以建成卓越的全球城市为目标的全球五大国际性特大城市，截至2018年12月，已建成运行的城镇污水厂共49座，总设计规模为805.2万m3/d，而作为世界三大污水处理厂之一的上海白龙港污水处理厂日处理量更是达到了280万m3。截至2018年，上海已建成的城镇污水处理厂中约有24座[3]采用AAO工艺作为主要污水处理工艺，其中，白龙港、竹园第一第二污水厂日处理量合计500万m3/d，已达到上海所有城镇污水处理厂设计规模的一半以上。因此，AAO已成为上海主流污水处理工艺。本文主要对该工艺的碳排放情况进行分析，以期了解污水处理过程中的碳排放来源，给出控制各处理环节碳排放的建议，为污水厂实现低碳运行提供参考。
1 AAO工艺及其碳排放情况
AAO(anaerobic-anoxic-oxic)工艺即厌氧-缺氧-好氧生物脱氮除磷工艺，是在厌氧好氧脱氮工艺的基础上开发的一种可以同步达到脱氮除磷效果的活性污泥处理工艺[4]。目前，上海已投入运营的污水厂中，除了少部分使用SBR工艺改良变型后的UNITANK工艺以及以植物根系作为生物填料的FCR工艺，基本都使用以AAO工艺为基础的污水处理工艺。AAO工艺得到广泛运用的主要原因在于其工艺流程相对简单，不易出现污泥膨胀问题[5]，运行成本不高，且出水水质较好，可以有效去除污水中氮、磷等污染物，一定程度上解决了污水厂可能面临的二次污染问题。
污水处理过程中产生的碳排放主要以碳源和碳汇形式存在，对碳源和碳汇的分析来源于IPCC目前用于界定碳排放核算边界的主要界定方法。目前，国内外用于界定碳排放核算边界的方法最常用的有碳源和碳汇界定方法以及碳足迹界定方法。从理论上来说，碳源和碳汇的界定标准和范围较为清晰，其他界定方法具体到不同的领域会存在一定的不足。全面考虑碳源和碳汇，可以完整地反映一个行业或者领域的碳排放现状，也能够比较精确地找到碳排放的核算主体，有助于提高减排措施的针对性。碳源即处理过程中产生的直接碳排放和间接碳排放，而碳汇则是指处理过程中减少的碳排放，如沼气、热能回用等。直接排放主要以CO2、CH4和N2O等温室气体的形式存在，而间接排放则考虑在直接排放过程中能源生产设施、电力设施等运行所产生的能耗以及处理过程中药剂投加所制造的外加碳源。
AAO工艺从整个工艺流程上来看，气体产物主要包括好氧段曝气排放的CO2和好氧段、二沉池回流污泥进入缺氧厌氧段经过反硝化反应脱氮产生的N2O，这些均属于直接排放。间接排放则包括设备运行电耗和污水处理环节输送过程能耗以及药剂投加产生的外加补充碳源，如反硝化过程中由于碳源不足在缺氧池投加甲醇[6]、污水消毒处理投加氯等。其中，曝气系统是生物处理单元的主要能耗设备，其运行情况直接影响处理过程中溶解氧浓度与实际处理效果。与污泥处理处置不同，污水处理过程中基本没有碳汇产生。从质量守恒角度对AAO工艺的碳源和碳汇进行分析，将目前上海大型污水厂采用的AAO工艺用简易流程图表现，如图1所示。
2 影响因素及减排建议
2.1 影响因素
AAO工艺处理污水过程中碳排放的产生主要包括属于直接排放的曝气沉砂池和好氧段曝气反应产生的CO2以及内回流和污泥回流反硝化反应脱氮产生的N2O；间接排放则包括进水泵房、曝气沉砂池和好氧段鼓风机所产生的电耗能耗，以及缺氧段和消毒池的药剂投加。
传统的AAO工艺在沉砂池的选择上一般采用旋流式沉砂池，因其具有占地小的优势。但是，这类沉砂池对水流流态及流速控制的要求非常高，过高或过低的流速都会引起流态的变化，从而导致沉砂效率下降。因此，在流量变化较大的场合应用效果不佳。考虑到旋流式沉砂池在实际运行中除砂效果较差，易导致设备磨损以及增加进泥配件养护成本，且实际水量变化幅度大，超出了单座旋流沉砂池的流量范围，上海几座大型污水处理厂在提标改造工程中改用曝气沉砂池。从碳排放角度来看，曝气沉砂池的优点在于能够有效去除砂粒上附着的有机污染物[7]，减少了沉砂池中排出的砂粒腐败风险，而预曝气和预充氧也起到了防止污水腐化的作用。另外，由于曝气具有气浮作用，可以将污水中的油脂类物质从除渣区浮出水面，达到油水分离的目的，有利于提升后续污水处理的效果。缺点是曝气设备要消耗大量的能量[8]；同时，运行过程中，若鼓风机供气量过大，会导致进水中含氧量过高，使后续厌氧段和缺氧段的溶解氧量升高，影响处理效果，导致运行成本增加。
药剂的投加即是增加外加碳源的过程，对碳排放量会产生较大的影响。在AAO工艺反硝化过程中，由于碳源不足，需在缺氧段投加甲醇作为补充碳源；此外，当内回流比较高时，若要提升处理工艺的脱氮效率，也需在缺氧段加入有机碳，以确保处理过程中的碳源稳定；在消毒池中，需添加液氯对污水进行消毒后才能最终进行外排。
2.2 建议
由于污水处理过程中没有额外的碳汇产生来帮助削减碳排放量，控制和减少碳排放只能通过减少直接排放和间接排放来实现，具体到AAO工艺的各个处理环节如下。
(1)控制曝气沉砂池供气量。由于目前大部分城市的市政管道未实现雨污分流或分流不彻底，污水厂进水量不稳定，有时候远小于进水量设计值，而曝气沉砂池配置的鼓风机供气量过大，会导致水中溶解氧含量过高，从而影响后续AAO各工艺段处理效果。因此，应根据污水处理厂实际运行、生产情况，按比例降低曝气沉砂池的供气量[9]，降低进入污水中的含氧量，保证后续各段处理单元的处理效果，减少因运行效果不好产生的多余碳排放。
(2)合理选择曝气方式和控制曝气量。曝气系统是AAO工艺的主要能耗和CO2排放设备，不仅直接影响污水中溶解氧浓度与处理效果[8]，同时也贡献了大部分的碳排放。因此，优化曝气环节对AAO工艺实现碳减排起到关键作用。首先，需根据污水厂处理规模等实际情况选择更优的曝气方式，如上海大中型污水处理厂均选择鼓风曝气；其次，在确定使用鼓风曝气后，需综合考虑风量、压力等因素，如风量小可选择罗茨鼓风机，大风量可优先考虑单机离心机等；此外，根据实际运行情况还应合理安排曝气器的方向，并控制合理的曝气量，及时调整生化系统参数。
(3)科学设置内回流比、外回流比。将内回流比分别设置为100%、150%、180%、200%的试验结果表明[10]，当内回流比为180%时，系统内总氮的平均去除率可达63.50%，且脱氮效果越好，外回流至厌氧池的硝态氮就越少，越有利于总磷的去除，提高总磷的去除率。系统的尾端溶解氧浓度、外回流比及内回流比均与污水厂的能耗成正比。但是，内回流比如果设定过高，好氧池尾端的溶解氧则会随混合液流向缺氧段，在一定条件下催生硝化反应，从而影响系统内氨、氮的去除效果，反而产生电耗、能耗等间接排放，增加系统的运行负担。当AAO的外回流比由60%上升到100%时[11]，系统生物段的污泥浓度会随之增加，有利于COD的去除。但是，若过高的外回流比长期存在，会导致硝态氮、溶解氧进入厌氧区内，阻碍厌氧段内的释磷反应，从而影响整体的运行效果。
(4)控制缺氧段和消毒池外加碳源投加。在药剂和其他外加碳源的投加上，也需进行合理配置及利用，量少无法保证反硝化速率，但过量投加则浪费化学药剂，从而产生多余的碳排放。因此，碳源的适度投加有助于实现污水处理厂低碳运行的目标。
3 结论
虽然碳减排已经成为全球趋势，但是我国现阶段在污水处理领域碳减排问题上还未给予足够的重视。本文以上海污水处理行业主流工艺作为研究分析对象，给出了AAO工艺处理过程中的碳排放来源，包括直接排放的曝气沉砂池和好氧段曝气反应产生的CO2以及内回流和污泥回流反硝化反应脱氮产生的N2O；间接排放为部分的进水泵房、曝气沉砂池和好氧段鼓风机产生的电耗能耗，以及缺氧段和消毒池的药剂投加。
为减少污水厂污水处理过程中的碳排放量，可以从控制曝气沉砂池供气量、合理选择曝气方式和控制曝气量、科学设置内外回流比以及控制外加碳源投加等方面对污水厂各处理环节进行升级改造，从而在一定程度上实现污水厂低碳运行的目标。