MBR作为现有污水处理主流工艺之一，因具有建设占地小、富集生物量高、工艺集约程度高、处理效率高、出水水质稳定等优势而应用广泛，但其高能耗问题也一直被诟病。如何在“双碳”目标背景下实现MBR工艺及其组合工艺的碳减排途径优化，是该工艺运行中面临的难题。本文以北方某采用多模式A/O+MBR工艺的地下式污水处理厂为例，结合工艺特征，从处理效果、运行能耗与成本及碳排放情况等方面进行多维度分析，系统诊断该污水处理厂的碳排放特征，并提出碳减排措施，以期为同地区地下式污水处理工艺选择和运行提供参考。

1、项目概况

该地下污水处理厂设计规模为3万m3/d，本着土地集约、处理高效、成本节省和“邻避”环境友好的原则进行设计，核心工艺采用多模式A/O+MBR工艺（见图1），出水水质满足北京市《城镇污水处理厂水污染物排放标准》（DB11/890—2012）中的B标准要求，出水用于城市景观补水及冲厕、市政环卫道路浇洒和园林绿化浇灌，实现再生水资源充分循环利用；污泥经离心脱水至含水量<80%后外运至污泥处置中心。另外，厂区臭气经收集后均通过生物除臭工艺集中处理，并达到北京市《城镇污水处理厂大气污染物排放标准》（DB11/2007—2022）规定限值。

2、主要工艺设计参数

该污水处理厂生化池采用多模式A/O工艺，设计水力停留时间（HRT）为17.4h，设计平均污泥浓度（MLSS）为3500mg/L，污泥负荷为0.08kgBOD5/（kgMLSS·d），生化池平均气水比为6∶1。MBR膜池设计8格，每格布置4组膜组器，平均膜通量不大于18L/（m2·h），膜池MLSS为6000~10000mg/L。生化池与膜池的回流系统由两部分组成：一部分是MBR池的混合液回流到多模式A/O池的第一好氧池前端，回流比R3为400%；另一部分是生化池内部的循环回流，首先是第一好氧池的污泥内回流至第一缺氧段，回流比R2为300%；进而第一缺氧池的污泥内回流至厌氧段，回流比R1为100%。该厂设计4套生物除臭系统，生物除臭总风量为105000m3/h，生物除臭塔设计停留时间为20s。

3、运行效果分析

采用2024年的统计数据，对该污水处理厂的运行效果进行分析。从运行数据来看，全年总处理水量为1111.3247万m3，日均处理水量为30364m3，处理负荷为101.21%。从电耗情况来看（厂区所购电力均来自国家电网，不涉及绿电），全年总用电量为9137668.7kW·h，水处理电耗为0.82kW·h/m3。

从处理水质和去除率情况来看，全年进水COD平均为215mg/L，出水COD平均为12mg/L，COD的去除率约94%；全年进水TP平均为4.00mg/L，出水TP平均为0.22mg/L，TP的去除率为95%；全年进水TN平均为48mg/L，出水TN平均为9mg/L，TN的去除率约81%；全年进水氨氮平均为45.00mg/L，出水氨氮平均为0.23mg/L，氨氮的去除率约99%。贯穿全年的水质浓度变化分析可知，该厂进水污染物浓度受季节周期变化影响较大，从COD指标来看，年中的进水COD浓度相较于年初与年尾的浓度有明显差异，其主要原因为该厂服务范围内雨污分流不彻底，雨季径流进入污水管网稀释水质浓度。从综合达标排放情况和处理效率来看，各项指标均较好。另外，从污染物的削减角度可以计算出，该厂全年COD、TP、TN削减量分别约为2265、46、428t。

4、药耗分析

根据该厂药剂投加种类和药剂统计报表，主要使用药剂为碳源、除磷剂（聚合氯化铝，PAC）、次氯酸钠、阳离子聚丙烯酰胺（PAM）、柠檬酸和液氧。其中，全年投加碳源55.58t，投加单耗为50mg/L；除磷药剂采用液体PAC，Al2O3含量为12%，全年投加量为101.80t，折算单耗为92mg/L。厂区次氯酸钠使用分两部分：一部分为膜池原位清洗（CIP）和离线碱洗浸泡使用，另一部分为出水消毒使用，在物料统计层面，将两部分用量合并，全年次氯酸钠总用量为51.08t，投加单耗为46mg/L。厂区出水回用，在满足回用水的标准下，消毒部分次氯酸钠的投加量控制在10mg/L左右，高于设计值，其主要原因是外部再生水管网不具备补充加氯条件，为满足再生水用户的要求，防止再生水在枝状管网中水质变质和藻类物质的增生，在再生水泵口端额外增投一定量的次氯酸钠；MBR膜池在线和离线清洗的次氯酸钠使用单耗为36mg/L。

柠檬酸（固体）用于膜池离线清洗时的酸性浸泡，全年柠檬酸使用量为5.5t，折算单耗为0.5mg/L。柠檬酸投加主要集中在5月—7月与11月—12月，与离线洗膜作业时间吻合。液氧主要为臭氧接触反应提供原料，全年液氧使用量为18.30t，单耗为17mg/L。该厂全年脱水污泥9460t（以含水率80%计），阳离子PAM作污泥调理剂，干粉使用量为15t，折算成单位绝干污泥（DS）投加量为7.9kg/tDS（合计水处理单耗为1.35mg/L），上半年的单耗明显比下半年高，其中1月—6月阳离子PAM平均使用量为10.41kg/tDS，7月—12月阳离子PAM平均使用量为5.38kg/tDS，其原因是：①对阳离子PAM进行优选，通过试验，将原分子质量800万当量、离子度为40%的产品更换成分子质量1000万当量、离子度为45%的阳离子PAM产品；②对离心机运转效能进行优化，如调整离心机腔内堰板，增大离心机污泥料斗下部的干污泥输送泵能力。

5、碳排放分析与减碳评价

基于已有研究成果，本文将结合国内、国际相关碳排放标准和模型对地下污水处理厂的碳排放进行分析，主要以《工业企业温室气体排放核算和报告通则》（GB/T32150—2015）、《污水处理厂低碳运行评价技术规范》（T/CAEPI49—2022）、《政府间气候变化专门委员会第五次评估报告》等文献为计算指导依据，该地下式污水处理厂的碳排放核算边界如图2所示。

5.1 直接碳排放计算

①CH4碳排放量

式中：ECH4为污水处理过程中CH4所产生的直接碳排放量，kgCO2/d；Q进水为污水处理厂进水量，m3/d；COD进水为进水COD平均浓度，mg/L；COD出水为出水COD平均浓度，mg/L；EFCH4/COD为污水处理过程中甲烷排放因子，取6.9×10-3kgCH4/kgCODRe；RCH4为污水处理过程中CH4的回收量，厂区并未开展CH4回收，故取0；fCH4为CH4温室效应指数，取28kgCO2/kgCH4。

②N2O碳排放量

式中：EN2O为污水处理过程N2O平均碳排放量，kgCO2/d；TN进水为进水TN平均浓度，mg/L；TN出水为出水TN平均浓度，mg/L；EFN2O/N2为N2O和总氮测试值的分子质量比，取44/28；EFN2O为污水处理过程中N2O排放因子，取5.6×10-3kgN2O-N/kgTNRe；fN2O为N2O温室效应指数，取265kgCO2/kgN2O。

③直接碳排放量

式中：E直接为污水处理过程中直接碳排放总量，以CO2当量计，kgCO2/d。

5.2 间接碳排放计算

①电耗碳排放量

式中：E电耗为污水处理外购电力所产生的碳排放量，kgCO2/d；W为污水处理厂日均电耗，kW·h/d；EF电为电耗的碳排放因子，取0.9419kgCO2（/kW·h）。

②药剂使用碳排放量

式中：E药剂为污水处理过程中药剂使用所产生的碳排放量，kgCO2/d；Mi为污水处理过程中第i种药剂的使用量，kg/d；EF药剂i为污水处理过程中第i种药剂所对应的碳排放因子，kgCO2/kg。

该污水处理厂化学药剂种类及其CO2排放因子取值如表1所示。

5.3 总碳排放量及减碳途径分析

污水处理厂碳排放总量由直接碳排放量和间接碳排放量之和构成，通过式（1）~（5）计算该厂的各类碳排放量及占比，结果见表2。

该厂碳排放总量为43607.13kgCO2/d，碳排放强度为1.45kgCO2/m3，相较于国内污水处理厂的碳排放强度（0.45~2.26kgCO2/m3），处于中等水平。从碳排放占比可以看出，直接碳排放量约占全厂碳排放总量的20%。从直接碳排放的途径分析可知，目前暂未有技术对CH4和N2O碳排放量进行优化或衰减，但已有相关文献对生物固碳技术进行展望，结合现有污水处理厂的实际运行情况和技术水平，这部分碳排放量不可避免。间接碳排放量占全厂碳排放总量的80%，为主要的贡献途径，因此对间接碳排放量（电耗和药耗）的优化和减少才是当前及未来持续的课题，也是后运营时代提升污泥处理水平的立身之本。从该厂的间接碳排放组成结构来看，电耗的碳排放占比最高，占总碳排放量的53.93%；药耗的碳排放占26.17%，其组成占比从高到低分别为除磷剂、次氯酸钠、碳源、液氧、柠檬酸、阳离子PAM。如下将对污水处理厂的间接碳排放途径进行实用性分析，以期达到减碳降碳目标。

①电耗的碳减排途径优化

通过电能监控（智能电表）对各工艺段的用电量进行追踪，统计结果见图3。

由图3（a）可知，生化池、膜池和除臭系统三者的用电量占比较高，分别为23.81%、31.43%和20.90%，占每日总用电量的76.14%；预处理、深度处理、污泥脱水单元、水源热泵和通风系统占比分别为5.94%、9.89%、3.47%、4.19%和0.37%。从图3（b）可以看出，生化池的电耗主要来自搅拌器、回流泵、鼓风机三部分，占全厂总电量的比例分别为7.57%、4.36%、11.84%；膜池的电耗主要集中于膜池风机（占比18.40%）和产水泵（占比12.50%）；除臭系统主要耗电设备为除臭风机，占比高达20.90%。

在保证出水达标的前提下，对于污水处理厂的运行实操来讲，综合现有技术条件和专业人员水平，若要降低生化池的电耗，首先应提升生化池的微生物活性，提高优势菌种的占比，增大硝化速率、反硝化速率，或者对现有生化工艺开展新技术改造，如采用短程硝化反硝化、反硝化脱氮除磷、好氧颗粒污泥、精准曝气系统等低碳技术，所需时间较长且需持续。膜池节能主要体现在曝气吹扫擦洗风机能耗和产水泵能耗上，结合运行经验来看，吹扫风机主要防止膜丝板结，故以控制膜池污泥浓度为切入点，开展膜池污泥浓度与跨膜压差的运行经验积累。产水泵的节能主要采用变频控制，在实操层面的调控空间不是很大。结合本项目生化池与膜工艺的高回流比特性，在保证生化池完全混合和水力紊流条件下，适当优化搅拌器的运行方式，如采用间歇式运行，每半小时启停不相邻两个搅拌器的运行工况。采取该项措施后，估算搅拌器电耗节省960kW·h/d，电耗间接碳排放量减少904kgCO2/d左右。

对于除臭系统，基于除臭在设计阶段和安装阶段均采用“全覆盖、大收集”模式，在设备提资方面存在冗余的除臭能耗。因此应结合污水处理厂的恶臭浓度分布情况（阶梯式），精准、高效去除恶臭污染物，优先采用针对各处理单元的恶臭浓度进行采样分析，对除臭风机进行点对点分区式调控，如以处理工艺流程中的氨气和硫化氢指标为重点监测项目。对粗格栅、细格栅、曝气沉砂池、生化池、膜池和污泥间的恶臭气体进行多次采样分析，结果见表3。可以看出，氨气主要集中在预处理单元（粗格栅、细格栅、曝气沉砂池）、生化池厌氧段和污泥间；硫化氢主要集中在曝气沉砂池和脱泥间。现场采取的措施主要为：依据实测恶臭气体浓度，按处理单元区域恶臭气体浓度值进行抽吸以控制除臭风机风量，对预处理和污泥车间进行抽吸除臭，生化池和膜池可适当缩减运行时间。在满足恶臭气体浓度达标排放的情况下，厂区除臭电耗节省3024kW·h/d，电耗间接碳排放量减少2848kgCO2/d左右。

②药耗的碳减排途径优化

对于药剂的碳减排，其根源还在于生化处理单元的效能或潜能的提升。结合上述分析，该污水处理厂药剂碳排放量占总碳排放量的26.17%，除磷剂和次氯酸钠占比均处于高位，建议优选碳排放因子较小的除磷剂，同时借助智能加药系统耦合处理水质动态调节药剂的投加，精细化节约药剂投加量。另外，通过分析出水水质，在符合排放标准的要求下，可适当不投加药剂。以臭氧为例，其主要作用是脱色和去除难降解有机物，从出水COD和色度指标来看，膜池出水COD均值为18mg/L，出水色度<2倍，均低于排放标准值，因此实际运行中可适当减少或不投加臭氧，以直接减少臭氧发生器运行和液氧使用造成的碳排放量。据此估算，碳排放量可减少2541kgCO2/d。

6、结论与建议

6.1 结论

①该地下污水处理厂运行良好，各项水质指标去除率均较好，其中COD、TP、TN、氨氮的去除率分别约为94%、95%、81%和99%。经测算，电耗为0.82kW·h/m3，生化池、膜池和除臭系统三者的用电量占每日总用电量的76.14%，分别为23.81%、31.43%和20.90%。

②2024年案例污水处理厂的碳排放总量为43607.13kgCO2/d，碳排放强度为1.45kgCO2/m3，其中直接碳排放量约占20%，间接碳排放量约占80%。在间接碳排放方面，电耗碳排放量占比最高，为53.93%，药耗碳排放量占26.17%。

6.2 建议

①以间接碳排放为重点控制对象，持续提高生化处理效能，降低或优化运转设备的耗电功率。例如，优化生化池搅拌器的运行方式，采用间歇式运行模式，每半小时启停不相邻两个搅拌器运行，估算搅拌器节省电耗为960kW·h/d，电耗间接碳排放量减少904kgCO2/d左右。

②对于高能耗的除臭碳减排，应结合污水处理厂的恶臭浓度呈阶梯分布特点，精准、高效去除恶臭污染物，对除臭风机进行点对点分区式调控。例如，在生化池和膜池的恶臭浓度满足排放标准或无法检测条件下，可适当缩减除臭风机的运行时间，估算电耗节省3024kW·h/d，电耗间接碳排放量减少2848kgCO2/d左右。

③对于药剂碳减排，可优选碳排放因子较小的药剂，同步借助智能加药系统耦合处理水质动态调节药剂的投加量，精细化节约药剂。在符合排放标准的要求下，可适当不投加或少投药剂。例如，该污水处理厂膜池出水COD和色度均低于排放标准限值，可灵活调整臭氧发生器的运行策略，降低碳排放量。采取该举措后，该污水处理厂碳排放量可减少2541kgCO2/d左右。

综上所述，在现有运行条件下，通过一系列组合运行优化策略，案例污水处理厂可减少碳排放量6293kgCO2/d左右。