《固载微生物在污水处理中的碳减排实践》
朱扣1 李彭2 周珉3 赵东华4
（1. BioCleaner中国厦门美华敬良环保设备有限公司，厦门 361000；2.上海交通大学环境科学与工程学院 上海 200240； 3.上海化学工业区中法水务发展有限公司，上海200135；4. 中交上海航道局有限公司，邮编：200120）
摘要
污水处理行业是能源消耗和碳排放的主要领域之一，传统活性污泥工艺尽管处理效率高，但伴随大量的能耗、污泥产生和设备运行带来的碳排放。固载微生物技术以其低污泥产量和较低的能耗被认为是减少碳排放的有效技术手段。本文将通过详细分析固载微生物技术与传统活性污泥工艺在污泥处理、能耗、设备和药剂使用等方面的碳排放，计算并分析其在30000吨/日污水处理厂中的碳减排效应。
关键词：
固载微生物、污水处理、碳减排、活性污泥、能耗、设备碳排放、药剂消耗
Carbon Reduction Methodology of Immobilized Microorganisms in Wastewater Treatment
ZhuKou1 Li Peng2 Zhou Min3 Zhao Dong Hua4
（1.BioCleaner China Xiamen 36100; 2. Shanghai Jiaotong University Shanghai 200240; 3.Shanghai Chemical Industry Park Sina French waster Development Co.,Ltd; Shanghai 200135; 4.CCCC Shanghai Dredging Co.,Ltd Shanghai 200135）
Abstract
The wastewater treatment industry is a major source of energy consumption and carbon emissions. While the conventional activated sludge process is highly efficient, it is accompanied by significant energy usage, sludge production, and carbon emissions from equipment operation. Immobilized microorganism technology, known for its low sludge production and reduced energy consumption, is considered an effective means to reduce carbon emissions. This paper provides a detailed analysis of carbon emissions from sludge handling, energy consumption, equipment, and chemical usage in comparison with the conventional activated sludge process. A quantitative evaluation of carbon reduction is conducted for a wastewater treatment plant with a daily treatment capacity of 30,000 tons, illustrating the emission reduction potential of immobilized microorganism technology.
Keywords
Immobilized microorganisms, wastewater treatment, carbon reduction, activated sludge, energy consumption, equipment carbon emissions, chemical usage
1. 引言
随着全球气候变化问题的加剧，减排措施已成为各国政府和企业的共识。在城市化快速发展的背景下，污水处理作为城市水循环管理的重要环节，其碳排放量日益受到关注。根据统计，污水处理过程不仅需要消耗大量能源，还会产生大量温室气体，尤其是二氧化碳。因此，探索污水处理过程中的碳减排措施显得尤为必要，以实现可持续发展目标和环境保护要求。
不同的污水处理工艺对碳排放的影响显著，传统活性污泥工艺因其处理效率高而广泛应用，但同时也带来了较高的污泥产生和能耗问题。污泥的处理过程不仅增加了运营成本，还显著提高了碳排放。相比之下，固载微生物技术因其独特的微生物固定方式，能够有效减少污泥产生，并降低能耗，从而为碳减排提供了新的思路和解决方案。这一技术在处理效率和环境友好性方面展现出巨大潜力。
本论文以日处理能力为30000吨的污水处理厂为案例，通过对固载微生物技术与传统活性污泥工艺的比较研究，分析固载微生物技术在碳减排方面的效果和特征。通过定量评估，探讨该技术在实现低碳污水处理目标中的应用前景。
2. 固载微生物技术原理
2.1 固载微生物与传统活性污泥工艺的区别
固载微生物技术主要通过将微生物固定在特定的载体上，如活性炭、陶瓷颗粒或其他介质上，形成微生物膜系统。在处理过程中，污水中的有机污染物通过与这些固定的微生物接触而被降解。相比传统的活性污泥工艺，固载微生物技术减少了污泥产生和系统能耗，具有以下特点：
污泥产量大幅减少：固载微生物固定在载体上不易脱落，产生的污泥量远小于传统活性污泥法，大幅减少了污泥处理的负担。
降低能耗：固载微生物系统由于微生物密度高，且能够在较高负荷条件下稳定运行，曝气需求降低，从而减少能耗。
处理效率高，系统稳定性强：固载微生物系统在高浓度污染物的负荷下处理效果更加稳定，能在恶劣条件下保持高效的处理能力。
3.碳排放计算标准以及本文研究的对象描述
本文所取排放因子如下：电力排放因子取值: 0.527 kgCO₂/kWh，化学药剂排放因子取值: 2 kgCO₂/kg，污泥处理碳排放因子焚烧和填埋处理的碳排放因子根据污泥处理方法不同，通常在：焚烧：0.9~1.0 kgCO₂/kg。
污水处理过程中碳排放分为直接排放和间接排放：传统活性污泥工艺的能耗主要集中在曝气和污泥处理阶段。根据《IPCC Guidelines for National Greenhouse Gas Inventories》（IPCC，2006），污水处理设施的能耗可按以下公式计算：年能耗=污水处理量×能耗率
以下是就日处理30000吨污水工艺以及相关参数进行表述和对比。
参数说明
设计处理量：日处理量均为30,000吨，确保两种工艺在相同条件下进行比较。
进水水质：典型市政污水水质。
工艺流程：传统工艺采用活性污泥法，包含曝气池和二沉池；固载微生物工艺在曝气池中固定微生物，不需单独二沉池。
停留时间：传统工艺要求6-8小时，固载微生物工艺由于微生物浓度高、处理效率快，停留时间缩短至2-4小时。
曝气需求：传统活性污泥工艺的曝气需求大，而固载微生物提高氧利用效率，降低曝气需求。
产泥量：固载微生物工艺的污泥产生量比传统工艺低90%以上。
剩余污泥处理：传统工艺需每日处理30吨污泥，而固载微生物工艺可实现污泥减量化甚至零排放。污泥采用加热烘干工艺。
药剂需求：固载微生物工艺对药剂的需求低，仅在消毒时需要少量药剂。
总氮、总磷去除效率：固载微生物工艺在氮磷去除方面表现更优异，能够应对较高的有机负荷。
污泥龄：固载微生物工艺的污泥龄高于传统活性污泥法，使得微生物代谢稳定性和耐冲击性更强。
3.1 污泥处理的碳排放来源
污泥处理是污水处理厂中碳排放的一个主要来源。传统的活性污泥工艺每处理1吨污水会产生大约0.5~1.5公斤的污泥，这些污泥的处理方式通常包括厌氧消化、焚烧、填埋等，每个环节都会伴随大量的碳排放。
污泥处理的主要碳排放来源包括：
污泥脱水设备：常规的污泥脱水设备如离心机、板框压滤机等耗能较高，电力消耗直接产生碳排放。
污泥运输和处置：污泥运输到填埋场或焚烧厂过程中，运输车辆的燃油消耗也产生相应的碳排放。
污泥处置过程：焚烧污泥会释放CO₂和其他温室气体；填埋污泥则会逐渐产生甲烷（CH₄），一种比CO₂更强的温室气体。
3.2 固载微生物技术对污泥处理的碳减排效应
固载微生物技术的污泥产生量远低于传统工艺。根据现有研究，固载微生物技术可以减少80%-90%的污泥产生，这直接减少了污泥处理相关的能耗与碳排放。以30000吨/日的污水处理厂为例，若传统活性污泥工艺每天产生30吨污泥，固载微生物技术则可能只产生36吨污泥，大幅减少污泥脱水设备、运输和处置过程中的碳排放。
4. 能耗相关的碳排放
4.1 传统污水处理厂的能耗
在传统的活性污泥工艺中，曝气过程占污水处理总能耗的60%-80%。每吨污水的处理能耗通常为0.3-0.5 kWh/吨水。因此，一个日处理量为30000吨的污水处理厂年耗电量为：
30000 吨/天×365 天×0.4 kWh/吨水=4,380,000 kWh/年
假设每kWh电力产生的碳排放为0.527 kgCO₂，则传统活性污泥工艺的年碳排放量为：
4,380,000 kWh/年×0.527 kgCO₂/kWh=2,307,060 kgCO₂/年
4.2 固载微生物工艺的能耗优势以及碳氮循环反应
4.2.1固载微生物污水处理工艺的能耗优势
固载微生物技术由于提高了微生物的代谢效率，曝气能耗可以降低至0.2~0.3 kWh/吨水。假设固载微生物工艺的能耗为0.25 kWh/吨水，年总能耗则为：
30000 吨/天×365 天×0.25 kWh/吨水=2,737,500 kWh/年
对应的年碳排放为：
2,737,500 kWh/年×0.527 kgCO₂/kWh=1,442,888 kgCO₂/年
通过比较，固载微生物技术每年减少了能耗碳排放：
2,307,060−1,442,888=864,172 kgCO₂/年
4.2.2 固载微生物碳氮循环反应过程
除了在能耗方面固载微生物体现出碳减排的优越性，在污水处理过程中其释放的CO2和N2O都要比传统活性污泥少很多， 其自适应循环反应不但可以降低碳的排放，还能减少对葡萄糖等碳源的添加，下面我们就从固载微生物系统的碳氮循环来分析其如何实现在污水处理过程中实现碳减排。
碳循环：
有机物质分解： 在废水处理或污泥处理过程中，废水中的有机物质通常是碳的主要来源。固载的微生物附着在载体上，分泌酶来分解这些有机物质，将其转化为更简单的有机化合物。
二氧化碳固定： 特选的固载微生物，特别是在光合作用条件下，能够利用二氧化碳（CO2）进行碳固定。在光合作用中，它们将大气中的CO2转化为有机物质，如葡萄糖。
生物质合成： 固载微生物可以合成生物质，如蛋白质、核酸和脂肪等有机物质。这些有机物质可以用于其自身的生长和代谢。
氮循环：
氮固定： 特选的固载微生物具有氮固定能力，它们能够将大气中的氮气（N2）转化为氨氮（NH3）或其他氮化合物。这是氮循环的起始步骤。
硝化： 在氮循环中，其中一些微生物可以进行硝化过程，将氨氮氧化为硝酸盐（NO3-）。这些微生物被称为硝化细菌。
反硝化和脱氮： 固载微生物可能参与反硝化过程，将硝酸盐还原为氮气（N2），或者进行脱氮过程，将氮气排放到大气中。
碳循环化学过程：
光合作用：
6 CO2 + 6 H2O + 光能 → C6H12O6 + 6 O2
这是光合作用的总方程式，其中二氧化碳（CO2）被还原为葡萄糖（C6H12O6），同时产生氧气（O2）。
有机物质分解：
有机物质 → 碳酸 + 氨氮 + 其他有机产物
这是有机物质降解的示例反应，其中有机化合物被分解成碳酸、氨氮和其他有机产物。
氮循环化学过程：
氮固定：
N2 + 8 H+ + 8 e- + 16 ATP → 2 NH3 + H2 + 16 ADP + 16 Pi
这是氮固定的典型反应，其中氮气（N2）被还原为氨氮（NH3）。
硝化：
NH3 + 2 O2 → NO2- + 2 H+ + H2O
这是硝化反应的示例，其中氨氮（NH3）氧化为亚硝酸盐（NO2-）。
反硝化：
2 NO3- + 10 e- + 12 H+ → N2 + 6 H2O
这是反硝化的示例，其中硝酸盐（NO3-）被还原为氮气（N2）。
从以上我们可以看出固载微生物的碳氮循环过程中不产生常见的温室气体，而且能通过光合作用形成碳源以供其自身系统使用。
5. 药剂使用和设备维护的碳排放
5.1 药剂使用的碳排放
在污水处理过程中，化学药剂如絮凝剂、消毒剂等的使用也会产生间接碳排放。传统活性污泥工艺中，由于污泥量大，往往需要较多的絮凝剂和助凝剂用于污泥脱水，而这些药剂的生产、运输和使用过程均产生碳排放。
固载微生物技术通过减少污泥的产生，可以减少药剂的使用。例如，假设传统工艺每吨污泥使用2公斤药剂，药剂的生产和运输碳排放为2 kgCO₂/公斤药剂，则每日污泥处理的药剂碳排放为：30 吨污泥/天×2 kg药剂/吨污泥×2 kgCO₂/kg药剂=120 kgCO₂/天年排放为：
120 kgCO₂/天×365 天=43,800 kgCO₂/年 （43.8吨CO2）固载微生物技术污泥产生量减少90%，相应地药剂使用量减少至每日3~6吨污泥，则其年碳排放为：
43,800×10%=4,380 kgCO₂/年 （4.38吨CO2）
5.2 设备维护的碳排放
污水处理设备的运行和维护同样产生碳排放，包括曝气设备、泵、污泥脱水设备等。传统污水处理厂由于污泥处理量大，污泥设备的使用频率高，导致设备能耗和维护频繁。固载微生物技术由于减少了污泥处理需求，设备维护的频率和能耗也相应减少。
假设传统工艺的设备维护年碳排放量为50吨CO₂，固载微生物技术可以减少约30%的设备维护量，对应减少15吨CO₂的排放。
6. 固载微生物技术在污水处理厂中的碳减排效应计算
通过以上分析，可以对30000吨/日污水处理厂采用固载微生物技术后的碳减排效果进行总结：
能耗减排：864,172 kgCO₂/年
污泥处理减排：492,750 kgCO₂/年
药剂使用减排：39,420 kgCO₂/年
设备维护减排：15,000 kgCO₂/年
总计固载微生物技术每年减少的碳排放为：
864,172+492,750+39,420+15,000=1,411,342 kgCO₂/年
7. 结论
固载微生物技术通过减少污泥产量、降低能耗和减少药剂及设备维护的需求，显著减少了污水处理过程中的碳排放。以日处理能力为30000吨的污水处理厂为例，固载微生物技术每年可减少约1411吨二氧化碳的排放。该技术不仅符合碳中和目标，还具有长期的环境和经济效益，未来应进一步推广应用。
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