高能耗換水質(zhì)模式不可持續(xù) 污水處理行業(yè)如何實現(xiàn)碳中和？

2020年9月第七十五屆聯(lián)合國大會上，習(xí)近平主席宣布，我國二氧化碳排放力爭于2030年前達(dá)到峰值，努力爭取2060年前實現(xiàn)碳中和。此后，歐盟、日本、韓國、加拿大等也相繼公布碳中和目標(biāo)實現(xiàn)時間表，美國也提出重回《巴黎協(xié)定》。目前，全球重要經(jīng)濟(jì)體，占全球GDP75%、占全球碳排放量65%的國家開始碳中和。一場波瀾壯闊的全球綠色低碳轉(zhuǎn)型大潮正在形成。

所謂碳中和（Carbon neutrality）是指企業(yè)、團(tuán)體或個人在一定時間內(nèi)直接或間接產(chǎn)生的二氧化碳排放總量，通過植樹造林、節(jié)能減排等形式全部抵銷，實現(xiàn)“零排放”。

碳中和將帶來哪些改變？

從中國當(dāng)前現(xiàn)狀來看，發(fā)電和工業(yè)端以及交通部門是碳排放的主要來源，農(nóng)業(yè)、居民、商業(yè)和公共服務(wù)等行業(yè)的碳排放相對較低。在工業(yè)端，能源加工行業(yè)、鋼鐵行業(yè)以及化學(xué)原料制造業(yè)等相關(guān)高耗能行業(yè)不僅是煤炭消費的重點行業(yè)，也是二氧化碳排放的主要行業(yè)。因此，隨著碳中和戰(zhàn)略全面展開，未來40年，中國的能源系統(tǒng)將發(fā)生顛覆性改變。

與此同時，由于產(chǎn)業(yè)鏈效應(yīng)，能源系統(tǒng)的變革，必將推動國家經(jīng)濟(jì)發(fā)生全方位改變。中國能源研究會常務(wù)理事、國家應(yīng)對氣候變化戰(zhàn)略研究和國際合作中心研究員李俊峰指出，“碳中和不僅僅只是能源的事，它與產(chǎn)業(yè)鏈等方方面面都有關(guān)系。碳中和目標(biāo)將深刻影響下一步產(chǎn)業(yè)鏈的重構(gòu)、重組和新的國際標(biāo)準(zhǔn)?！?/p>

在2030年之前實現(xiàn)碳達(dá)峰，這就要求部分地區(qū)和部分行業(yè)率先達(dá)峰。根據(jù)我國碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)節(jié)點，工信部今年將實施工業(yè)低碳行動和綠色制造工程，并制定鋼鐵、水泥等重點行業(yè)碳達(dá)峰行動方案和路線圖。正在制定的“十四五”規(guī)劃也將碳達(dá)峰和碳中和作為污染防治攻堅戰(zhàn)的主攻目標(biāo)。預(yù)計今年秋冬將出臺部門、地方和行業(yè)等的專項規(guī)劃。

2021年1月1日起，全國碳市場首個履約周期（截止到今年12月31日）正式啟動，涉及2225家發(fā)電行業(yè)的重點排放單位。這是我國第一次從國家層面將二氧化碳控排責(zé)任壓實到企業(yè)，通過市場倒逼機(jī)制，促進(jìn)產(chǎn)業(yè)技術(shù)升級。變革的序幕已悄然拉開！

污水處理行業(yè)是耗能大戶

相比而言，污水處理行業(yè)能耗雖然沒有發(fā)電、鋼鐵、化工等行業(yè)那么高，但總能耗占比并不小，也屬于能耗大戶。據(jù)統(tǒng)計，我國2014年污水處理廠電耗占全國總電耗的0.26%，算上工業(yè)廢水處理和污泥處理，所占比例將超過2%。美國有16000多座污水處理廠，耗電量占全社會總耗電量的1%。在丹麥，水和廢水的處理流程消耗了25%～40%的市政電力。

另外，污水處理需要消耗大量燃料和藥劑，間接排放大量溫室氣體，處理過程本身也會直接排放溫室氣體。聯(lián)合國數(shù)據(jù)顯示，全球污水處理等水處理行業(yè)碳排放量大約占全球碳排放量2%左右。美國2017年能源消耗量中約2% 用于飲用水和污水處理系統(tǒng)，產(chǎn)生約4100萬噸溫室氣體。此外，水泵也是污水處理主要能耗來源之一。格蘭富集團(tuán)數(shù)據(jù)顯示，水泵消耗的能源占所有與水相關(guān)設(shè)施能耗的10%。

從能量轉(zhuǎn)化的角度來說，傳統(tǒng)污水處理模式本質(zhì)是以能耗換水質(zhì)。為了減少水污染，我們使用大量電能，間接產(chǎn)生大量二氧化碳排放，對全球生態(tài)環(huán)境造成負(fù)面影響。因此，為了減少碳排放，降低污水處理能耗和物耗是行業(yè)升級的必然目標(biāo)。目前，世界上已有多個國家發(fā)布污水廠碳中和技術(shù)路線圖，美國提出2030年所有污水處理廠都要實現(xiàn)碳中和。

然而，作為重要的公共事業(yè)，中國污水處理率還沒達(dá)到100%，減少水污染仍然是生態(tài)環(huán)境保護(hù)工作的重中之重?？梢灶A(yù)見，污水處理行業(yè)短期內(nèi)尚不具備承擔(dān)大規(guī)模減排任務(wù)的客觀條件。但是，從提升企業(yè)核心競爭力層面來講，綠色低碳發(fā)展也是必走之路。同時，作為政策驅(qū)動的行業(yè)，企業(yè)若能提早開啟低碳變革，必將贏得更大的主動權(quán)和更廣闊的發(fā)展空間。

如何實現(xiàn)綠色低碳發(fā)展？

那么，污水處理行業(yè)如何實現(xiàn)綠色低碳發(fā)展呢？總的來說可以從開源和節(jié)流兩個方面考量。梳理國內(nèi)外先進(jìn)經(jīng)驗，具體可以從以下幾個方面入手。

優(yōu)化工藝回收有機(jī)物能量

首先，通過開源實現(xiàn)能量自給，是從根本上解決綠色低碳發(fā)展問題。據(jù)測算，污水中所含能量達(dá)污水處理本身所消耗能量的9-10倍之多。通過優(yōu)化污水處理工藝，回收有機(jī)物能量，利用沼氣熱聯(lián)發(fā)電，可實現(xiàn)碳中和。

奧地利Strass污水處理廠持續(xù)優(yōu)化改進(jìn)工藝，早在2005年即實現(xiàn)產(chǎn)能大于能耗（108%能源自給率），現(xiàn)已達(dá)到200%能源自給率，超標(biāo)準(zhǔn)實現(xiàn)碳中和。美國希博伊根污水處理廠利用高濃度食品廢物與污泥厭氧共消化產(chǎn)生的甲烷進(jìn)行熱電聯(lián)產(chǎn)，同時采取節(jié)能措施，實現(xiàn)電量與耗電量比值達(dá)90%~115%，已逼近碳中和目標(biāo)。

在污泥處置領(lǐng)域，國內(nèi)小紅門、高碑店污泥處理中心成功運行，污泥產(chǎn)氣率超出預(yù)期目標(biāo)，除滿足熱水解能量平衡的需要外，還有余量。這充分表明，污泥高級厭氧消化技術(shù)已經(jīng)比較可靠、穩(wěn)定，既為國內(nèi)污泥處理探索出新思路，同時也為實現(xiàn)碳中和提供有力支撐。

當(dāng)然，污水處理工藝優(yōu)化是一個長期的過程。奧地利strass污水處理廠曾經(jīng)用十多年時間持續(xù)優(yōu)化處理工藝，才達(dá)到當(dāng)前的處理水平。此外，我國城市污水處理廠進(jìn)水COD濃度偏低，只有歐美國家的40%-70%，造成碳源不足。這就要求必須因地制宜研發(fā)適合中國國情的污水處理工藝。

中國的污水處理概念廠實踐

在深入研究了解國外先進(jìn)污水處理廠理念、工藝、技術(shù)和工程實踐的同時，中國學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界也在積極探索新的污水處理模式。2014年，中國工程院院士曲久輝等6位專家提出“建設(shè)面向未來的中國污水處理概念廠”的構(gòu)想。2018年，河南水利投資集團(tuán)和中持水務(wù)公司以概念廠早期版本為藍(lán)本，建設(shè)了河南商丘睢縣第三污水處理廠。

睢縣項目綜合運用秸稈、畜禽糞便、水草及污泥等多種物料進(jìn)行協(xié)同高干厭氧消化，采用DANAS干式厭氧發(fā)酵技術(shù)，顯著提高有機(jī)質(zhì)處理效率，實現(xiàn)物質(zhì)的良性循環(huán)和資源化運營。產(chǎn)生的沼氣用于發(fā)電，可滿足廠區(qū)20-30%的能耗。同時，降低污泥處理難度，污泥處理后產(chǎn)生的有機(jī)肥已用于廠區(qū)農(nóng)作物實驗性種植。該項目得到廣泛認(rèn)可，也讓當(dāng)?shù)鼐用窈驼猩砀惺艿絼?chuàng)新發(fā)展、綠色發(fā)展的魅力。

如果說睢縣項目是1.0版的概念廠，那么2020年4月動工的江蘇宜興城市水資源概念廠則是2.0版。該項目是第一個完整遵循概念廠理念的污水處理廠，除了污染物削減基本功能，還具有城市能源工廠、水源工廠、肥料工廠等新功能，進(jìn)一步將發(fā)展成為城市與鄉(xiāng)村全方位融合和互利共生的新型環(huán)境基礎(chǔ)設(shè)施。該項目于今年年中建成，如能持續(xù)穩(wěn)定運營，將為中國污水處理行業(yè)綠色低碳發(fā)展和產(chǎn)業(yè)升級帶來深遠(yuǎn)影響。

改造升級曝氣系統(tǒng)

其次，因地制宜積極采取各種措施實現(xiàn)能量節(jié)流，也是綠色低碳發(fā)展的重要組成部分。有數(shù)據(jù)表明，我國污水處理廠處理單位體積污水的電耗在0.15～0.28kW·h/m3左右。其中，曝氣鼓風(fēng)機(jī)電耗所占比例為56.2%。雖然不同處理工藝能耗不同，但曝氣系統(tǒng)總體能耗占比最大是事實。因此，污水處理廠節(jié)能降耗關(guān)鍵點在升級改造曝氣系統(tǒng)。

曝氣系統(tǒng)節(jié)能的核心是在保證出水達(dá)標(biāo)的前提下，按需提供微生物所需的溶解氧，達(dá)到供需平衡，避免曝氣能耗的浪費。這就需要精準(zhǔn)掌控微生物的活動過程，同時精準(zhǔn)控制鼓風(fēng)機(jī)的運行過程。既要防止過度曝氣，也要防止曝氣不足。這對硬件設(shè)備和控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性和精準(zhǔn)度等提出很高要求。

據(jù)國內(nèi)一家多年從事曝氣系統(tǒng)節(jié)能降耗技術(shù)研究的企業(yè)介紹，要想實現(xiàn)曝氣系統(tǒng)精準(zhǔn)控制，不僅對技術(shù)有要求，而且對設(shè)備的選型和品牌也有要求，甚至對流量計、液位計等計量設(shè)備的安裝位置也有嚴(yán)格要求?？偟膩碚f，改造升級曝氣系統(tǒng)需要系統(tǒng)角度綜合考量各個要素，是一項復(fù)雜的系統(tǒng)性工程。

國內(nèi)有案例表明，通過對鼓風(fēng)機(jī)進(jìn)行節(jié)能改造，日均耗電量從32990降低到29835，降低3155，降幅達(dá)11.4%。粗略估算，每年可減少二氧化碳排放1148噸。對于中小型污水處理廠來說，每年至少能節(jié)省幾十萬甚至上百萬的電費。同時削減單位總氮達(dá)10.8%，削減單位氨氮達(dá)13.1%。

優(yōu)化原料投入環(huán)節(jié)

污水處理工藝多樣，但本質(zhì)是通過生化反應(yīng)來去除水中污染物。因此，在處理環(huán)節(jié)需要投加碳源和多種化學(xué)藥劑。這些原材料在生產(chǎn)和運輸過程中消耗能源，在投加過程中也消耗一定能源。因此，優(yōu)化投料環(huán)節(jié)，有助于節(jié)能降耗減少碳排放。

如何優(yōu)化原料投入環(huán)節(jié)呢？目前，市場上主要有兩種方式。第一種，對加藥系統(tǒng)進(jìn)行配置升級，由常用的變頻計量泵升級為數(shù)字泵，加藥量有不同程度減少。另外，也有企業(yè)深入研究碳源投加和除磷加藥環(huán)節(jié)，對加藥設(shè)備進(jìn)行智能化精準(zhǔn)化控制。有數(shù)據(jù)表明，相比傳統(tǒng)模式，最高可減少9.66%的加藥量。

第二種，運用AI技術(shù)對污水水量、水質(zhì)等參數(shù)和加藥系統(tǒng)運行數(shù)據(jù)等進(jìn)行大數(shù)據(jù)分析，形成最優(yōu)算法模型，從而實現(xiàn)加藥系統(tǒng)精細(xì)化控制，也能有效降低藥品消耗以及設(shè)備運行能耗。

優(yōu)化排水管網(wǎng)輸水性能

在城市污水處理系統(tǒng)中，污水的收集和輸送涉及大規(guī)模的管網(wǎng)鋪設(shè)和較長距離的輸送，需要大量的能耗用以支持日常的運行和維護(hù)。為了最大可能降低這部分能耗，必須采取多種措施優(yōu)化管網(wǎng)輸水性能。其中，最基礎(chǔ)的是改造升級管網(wǎng)運營管理模式，重點工作包括漏損點勘測、定位、維修和潛在漏損風(fēng)險的預(yù)防。實現(xiàn)排水管網(wǎng)運行狀態(tài)實時監(jiān)測，并能迅速分析是否發(fā)生漏損、堵塞，及嚴(yán)重程度、具體地點等，為管理人員快速維修提供精準(zhǔn)支撐。

提高排水管網(wǎng)輸水性能，最根本性的解決措施是提高排水管網(wǎng)覆蓋率，實現(xiàn)污水100%收集，同時進(jìn)行雨污分流改造，大幅提高污水處理廠進(jìn)水碳氮比。如此就能解決碳源不足問題，有效提高污水處理廠有機(jī)質(zhì)-甲烷轉(zhuǎn)化率，把污水處理廠變成發(fā)電廠，從根本上解決能耗問題，實現(xiàn)碳中和。

排水泵站節(jié)能降耗

排水泵站也是耗能大戶。有數(shù)據(jù)表明，排水泵站占城市水務(wù)總能耗的35%。因此，對排水泵站進(jìn)行升級改造，或采用智能化運營模式，能有效降低能耗。目前主要有兩種方法，其一是采用變頻技術(shù)改造老舊排水泵站，或者新建項目直接采用數(shù)字泵等新型設(shè)備設(shè)施，以此降低泵站能耗。

其二，站在系統(tǒng)角度，從更高層面優(yōu)化排水泵站運營模式。在此基礎(chǔ)上運用物聯(lián)網(wǎng)和移動互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，打造智能管理平臺，實現(xiàn)排水泵站遠(yuǎn)程控制、集中管理和數(shù)字化運營，達(dá)到節(jié)能降耗的目的。

總結(jié)

總的來說，污水處理行業(yè)實現(xiàn)碳中和是一項長期的系統(tǒng)性工程。僅僅站在污水處理廠行業(yè)角度，需要從“用戶控制-源頭分離-管網(wǎng)收納-凈化處理”全流程進(jìn)行系統(tǒng)性規(guī)劃。在這個過程中，需要政府相關(guān)部門和企業(yè)全面升級管理運營模式，從管理驅(qū)動升級為數(shù)據(jù)驅(qū)動，構(gòu)建全新的數(shù)字化管理新模式，實現(xiàn)整個運營模式的智慧化升級。

從根本上解決這一問題，需要我們跳出污水處理行業(yè)，站在生態(tài)文明建設(shè)、城鄉(xiāng)融合發(fā)展、污水資源化、能量自給、環(huán)境友好等更多層面綜合考量，需要從“點-線-面-體”不同層次進(jìn)行頂層規(guī)劃、系統(tǒng)設(shè)計和統(tǒng)籌安排。這不單是整個行業(yè)技術(shù)和理念的更新，而且是整個社會思想和認(rèn)知的革命。

這將是一個漫長和曲折的過程。讓人欣喜的是，污水處理概念廠的提出和實踐已邁出關(guān)鍵性第一步，我們有理由相信，中國污水處理行業(yè)將很快為碳中和戰(zhàn)略做出積極貢獻(xiàn)。

來源:前海深港國際先進(jìn)技術(shù)研究院

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