福建低碳排放目标下的污水处理厂升级改造路径

在国家“碳达峰、碳中和”战略背景下，污水处理行业作为能源密集型公共服务部门，其碳排放问题日益受到关注。研究表明，污水处理过程直接和间接碳排放约占城市总碳排放的1%～2%，主要来源于电耗、药耗、污泥处理及温室气体(如CH₄、N₂O)逸散。本文系统分析了传统污水处理厂在低碳转型中面临的技术与管理挑战，提出以“节能降耗、能源回收、资源循环、智能调控”为核心的升级改造路径。结合国内多个典型污水处理厂的改造实践，验证了工艺优化、智慧运行、沼气利用、光伏耦合等措施在降低碳排放方面的有效性。结果表明，通过系统性升级，污水处理厂单位处理碳排放可降低20%～40%，部分先进项目已实现“近零碳”运行。本文为城市污水处理设施绿色转型提供了可复制、可推广的技术路线与政策建议。

关键词：污水处理厂;低碳排放;升级改造;碳中和;能源回收;智慧水务

1. 引言

随着我国生态文明建设的深入推进，“双碳”目标已成为经济社会发展的核心导向。作为城市基础设施的重要组成部分，污水处理厂在保障水环境安全的同时，也伴随着显著的能源消耗与碳排放。据生态环境部统计，2023年全国污水处理厂年耗电量超过300亿千瓦时，间接碳排放超过2500万吨CO₂当量，若计入N₂O和CH₄等非CO₂温室气体，实际碳足迹更高。

在此背景下，推动污水处理厂从“高能耗、高排放”向“低碳化、资源化、智能化”转型，已成为实现绿色低碳发展的重要任务。本文聚焦低碳排放目标，探讨现有污水处理厂的升级改造路径，旨在为行业提供技术支撑与实践参考。

2. 污水处理厂碳排放来源分析

污水处理过程中的碳排放可分为直接排放和间接排放两类：

2.1 直接碳排放

N₂O(氧化亚氮)排放：主要产生于不完全硝化/反硝化过程，GWP(全球变暖潜能值)是CO₂的265倍;

CH₄(甲烷)逸散：来源于厌氧条件下的污泥储存、初沉池或管网系统;

生物碳排放：污水中有机物被微生物分解产生的CO₂，属生物源碳，通常不计入人为排放。

2.2 间接碳排放

电力消耗：占总碳排放的60%以上，主要来自提升泵、曝气系统、脱水设备等;

药剂生产与运输：如PAC、PAM、碳源等化学品的“隐含碳”;

污泥处置：填埋或焚烧过程产生CO₂及CH₄。

据测算，每处理1吨污水平均产生0.3～0.6 kg CO₂e(二氧化碳当量)，其中电耗贡献约70%。

3. 传统污水处理厂面临的低碳挑战

工艺落后，能效偏低：大量老旧厂站仍采用传统活性污泥法，曝气控制粗放，能耗高;

能源自给率低：多数厂未建设污泥厌氧消化系统，沼气利用率不足30%;

碳排放监测缺失：缺乏碳核算体系与在线监测手段，难以量化减排成效;

资源回收意识薄弱：氮、磷、热能、再生水等资源未充分回收利用;

资金与政策支持不足：低碳改造投资大，回报周期长，企业积极性不高。

4. 低碳导向下的升级改造路径

4.1 路径一：节能降耗——降低间接碳排放

优化曝气系统：采用精准DO控制、变频鼓风机、高效微孔曝气器，降低曝气能耗20%以上;

水泵变频改造：根据来水量动态调节提升泵频率，避免“大功率低负荷”运行;

工艺参数调优：优化污泥龄(SRT)、回流比、碳氮比，提升系统处理效率与稳定性。

4.2 路径二：能源回收——实现“由耗能向产能”转变

污泥厌氧消化+沼气发电：将脱水污泥进行中温厌氧消化，产沼气用于发电或供热。典型项目可实现厂区用电自给率30%～50%;

污水源热泵技术：利用处理后的中水提取热能，为厂区或周边建筑供暖/制冷;

厂区光伏发电：在屋顶、生物池上方建设光伏阵列，实现“污水处理+绿电生产”一体化。如北京某厂光伏装机3.2 MW，年发电380万kWh，减排CO₂约3200吨。

4.3 路径三：资源循环——减少外部资源依赖

再生水回用：将处理后出水用于工业冷却、市政绿化、河道补水，减少新鲜水资源消耗;

磷回收技术：通过鸟粪石结晶法从污泥消化液中回收磷，作为缓释肥料原料;

氮资源化：探索氨氮吹脱+吸收制备氮肥的可行性。

4.4 路径四：智慧管控——提升运行低碳化水平

建设碳排放在线监测平台，集成电耗、药耗、气体排放等数据，实现碳足迹动态核算;

应用AI预测控制模型，优化曝气量、加药量、回流比等关键参数，减少人为干预与能源浪费;

构建数字孪生系统，模拟不同工况下的碳排放强度，辅助低碳运行决策。

5. 典型案例分析

案例1：上海白龙港污水处理厂(175万m³/d)

实施污泥厌氧消化+热电联产系统，年产沼气约1.2亿m³，发电1.8亿kWh，满足厂区40%用电;

建设全球最大污水源热泵系统，为周边区域供热;

综合碳排放强度下降32%，获评“国家绿色低碳标杆厂”。

案例2：深圳福永污水处理厂(15万m³/d)

采用MBR+智慧曝气控制，单位电耗由0.48 kWh/m³降至0.36 kWh/m³;

厂区屋顶及池顶铺设光伏板，年发电量达560万kWh;

实现“近零碳”运行，碳排放强度低于0.2 kg CO₂e/m³。

6. 政策建议与未来展望

为加快污水处理厂低碳转型，建议：

制定行业碳排放标准与核算指南，建立统一的碳足迹评估体系;

加大财政与金融支持，设立低碳改造专项资金，鼓励PPP、绿色债券等融资模式;

推广“能源中性”或“碳中和”示范项目，形成可复制经验;

推动跨部门协同，实现污水处理与市政、能源、农业系统的资源耦合;

加强人才培养与技术创新，支持低碳工艺、智能控制、碳捕集等前沿技术研发。

未来，污水处理厂将不再仅仅是“治污设施”，而是向“城市能源与资源中心”转变。通过系统性升级改造，有望实现“从碳源到碳汇”的跨越，为我国生态文明建设和“双碳”目标贡献关键力量。