高能耗換水質模式不可持續，污水處理行業如何實現碳中和？
轉自：工業水處理
2020年9月第七十五屆聯合國大會上，習近平主席宣布，我國二氧化碳排放力爭于2030年前達到峰值，努力爭取2060年前實現碳中和。
此后，歐盟、日本、韓國、加拿大等也相繼公布碳中和目標實現時間表，美國也提出重回《巴黎協定》。
目前，全球重要經濟體，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型大潮正在形成。
所謂碳中和（Carbon neutrality）是指企業、團體或個人在一定時間內直接或間接產生的二氧化碳排放總量，通過植樹造林、節能減排等形式全部抵銷，實現“零排放”。
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碳中和將帶來哪些改變？
從中國當前現狀來看，發電和工業端以及交通部門是碳排放的主要來源，農業、居民、商業和公共服務等行業的碳排放相對較低。
在工業端，能源加工行業、鋼鐵行業以及化學原料制造業等相關高耗能行業不僅是煤炭消費的重點行業，也是二氧化碳排放的主要行業。因此，隨著碳中和戰略全面展開，未來40年，中國的能源系統將發生顛覆性改變。
與此同時，由于產業鏈效應，能源系統的變革，必將推動國家經濟發生全方位改變。中國能源研究會常務理事、國家應對氣候變化戰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，它與產業鏈等方方面面都有關系。碳中和目標將深刻影響下一步產業鏈的重構、重組和新的國際標準。”
在2030年之前實現碳達峰，這就要求部分地區和部分行業率先達峰。根據我國碳達峰、碳中和目標節點，工信部今年將實施工業低碳行動和綠色制造工程，并制定鋼鐵、水泥等重點行業碳達峰行動方案和路線圖。正在制定的“十四五”規劃也將碳達峰和碳中和作為污染防治攻堅戰的主攻目標。預計今年秋冬將出臺部門、地方和行業等的專項規劃。
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家發電行業的重點排放單位。這是我國第一次從國家層面將二氧化碳控排責任壓實到企業，通過市場倒逼機制，促進產業技術升級。變革的序幕已悄然拉開！
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污水處理行業是耗能大戶
相比而言，污水處理行業能耗雖然沒有發電、鋼鐵、化工等行業那么高，但總能耗占比并不小，也屬于能耗大戶。
據統計，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。聯合國數據顯示，全球污水處理等水處理行業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，產生約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。格蘭富集團數據顯示，水泵消耗的能源占所有與水相關設施能耗的10%。
從能量轉化的角度來說，傳統污水處理模式本質是以能耗換水質。為了減少水污染，我們使用大量電能，間接產生大量二氧化碳排放，對全球生態環境造成負面影響。
因此，為了減少碳排放，降低污水處理能耗和物耗是行業升級的必然目標。目前，世界上已有多個國家發布污水廠碳中和技術路線圖，美國提出2030年所有污水處理廠都要實現碳中和。
然而，作為重要的公共事業，中國污水處理率還沒達到100%，減少水污染仍然是生態環境保護工作的重中之重。可以預見，污水處理行業短期內尚不具備承擔大規模減排任務的客觀條件。
但是，從提升企業核心競爭力層面來講，綠色低碳發展也是必走之路。同時，作為政策驅動的行業，企業若能提早開啟低碳變革，必將贏得更大的主動權和更廣闊的發展空間。
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如何實現綠色低碳發展？
那么，污水處理行業如何實現綠色低碳發展呢？總的來說可以從開源和節流兩個方面考量。梳理國內外先進經驗，具體可以從以下幾個方面入手。
1.優化工藝回收有機物能量
首先，通過開源實現能量自給，是從根本上解決綠色低碳發展問題。據測算，污水中所含能量達污水處理本身所消耗能量的9-10倍之多。通過優化污水處理工藝，回收有機物能量，利用沼氣熱聯發電，可實現碳中和。
奧地利Strass污水處理廠持續優化改進工藝，早在2005年即實現產能大于能耗（108%能源自給率），現已達到200%能源自給率，超標準實現碳中和。
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生的甲烷進行熱電聯產，同時采取節能措施，實現電量與耗電量比值達90%~115%，已逼近碳中和目標。
在污泥處置領域，國內小紅門、高碑店污泥處理中心成功運行，污泥產氣率超出預期目標，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已經比較可靠、穩定，既為國內污泥處理探索出新思路，同時也為實現碳中和提供有力支撐。
當然，污水處理工藝優化是一個長期的過程。奧地利strass污水處理廠曾經用十多年時間持續優化處理工藝，才達到當前的處理水平。
此外，我國城市污水處理廠進水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適合中國國情的污水處理工藝。
2.中國的污水處理概念廠實踐
在深入研究了解國外先進污水處理廠理念、工藝、技術和工程實踐的同時，中國學術界和產業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“建設面向未來的中國污水處理概念廠”的構想。2018年，河南水利投資集團和中持水務公司以概念廠早期版本為藍本，建設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行協同高干厭氧消化，采用DANAS干式厭氧發酵技術，顯著提高有機質處理效率，實現物質的良性循環和資源化運營。產生的沼氣用于發電，可滿足廠區20-30%的能耗。
同時，降低污泥處理難度，污泥處理后產生的有機肥已用于廠區農作物實驗性種植。該項目得到廣泛認可，也讓當地居民和政府切身感受到創新發展、綠色發展的魅力。
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，進一步將發展成為城市與鄉村全方位融合和互利共生的新型環境基礎設施。該項目于今年年中建成，如能持續穩定運營，將為中國污水處理行業綠色低碳發展和產業升級帶來深遠影響。
3.改造升級曝氣系統
其次，因地制宜積極采取各種措施實現能量節流，也是綠色低碳發展的重要組成部分。
有數據表明，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，曝氣鼓風機電耗所占比例為56.2%。雖然不同處理工藝能耗不同，但曝氣系統總體能耗占比最大是事實。因此，污水處理廠節能降耗關鍵點在升級改造曝氣系統。
曝氣系統節能的核心是在保證出水達標的前提下，按需提供微生物所需的溶解氧，達到供需平衡，避免曝氣能耗的浪費。這就需要精準掌控微生物的活動過程，同時精準控制鼓風機的運行過程。既要防止過度曝氣，也要防止曝氣不足。這對硬件設備和控制系統的穩定性、可靠性和精準度等提出很高要求。
據國內一家多年從事曝氣系統節能降耗技術研究的企業介紹，要想實現曝氣系統精準控制，不僅對技術有要求，而且對設備的選型和品牌也有要求，甚至對流量計、液位計等計量設備的安裝位置也有嚴格要求。總的來說，改造升級曝氣系統需要系統角度綜合考量各個要素，是一項復雜的系統性工程。
國內有案例表明，通過對鼓風機進行節能改造，日均耗電量從32990降低到29835，降低3155，降幅達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，每年至少能節省幾十萬甚至上百萬的電費。同時削減單位總氮達10.8%，削減單位氨氮達13.1%。
4.優化原料投入環節
污水處理工藝多樣，但本質是通過生化反應來去除水中污染物。因此，在處理環節需要投加碳源和多種化學藥劑。這些原材料在生產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，優化投料環節，有助于節能降耗減少碳排放。
如何優化原料投入環節呢？目前，市場上主要有兩種方式。
第一種，對加藥系統進行配置升級，由常用的變頻計量泵升級為數字泵，加藥量有不同程度減少。
另外，也有企業深入研究碳源投加和除磷加藥環節，對加藥設備進行智能化精準化控制。有數據表明，相比傳統模式，最高可減少9.66%的加藥量。
第二種，運用AI技術對污水水量、水質等參數和加藥系統運行數據等進行大數據分析，形成最優算法模型，從而實現加藥系統精細化控制，也能有效降低藥品消耗以及設備運行能耗。
5.優化排水管網輸水性能
在城市污水處理系統中，污水的收集和輸送涉及大規模的管網鋪設和較長距離的輸送，需要大量的能耗用以支持日常的運行和維護。為了最大可能降低這部分能耗，必須采取多種措施優化管網輸水性能。
其中，最基礎的是改造升級管網運營管理模式，重點工作包括漏損點勘測、定位、維修和潛在漏損風險的預防。實現排水管網運行狀態實時監測，并能迅速分析是否發生漏損、堵塞，及嚴重程度、具體地點等，為管理人員快速維修提供精準支撐。
提高排水管網輸水性能，最根本性的解決措施是提高排水管網覆蓋率，實現污水100%收集，同時進行雨污分流改造，大幅提高污水處理廠進水碳氮比。如此就能解決碳源不足問題，有效提高污水處理廠有機質-甲烷轉化率，把污水處理廠變成發電廠，從根本上解決能耗問題，實現碳中和。
6.排水泵站節能降耗
排水泵站也是耗能大戶。有數據表明，排水泵站占城市水務總能耗的35%。因此，對排水泵站進行升級改造，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改造老舊排水泵站，或者新建項目直接采用數字泵等新型設備設施，以此降低泵站能耗。
其二，站在系統角度，從更高層面優化排水泵站運營模式。在此基礎上運用物聯網和移動互聯網技術，打造智能管理平臺，實現排水泵站遠程控制、集中管理和數字化運營，達到節能降耗的目的。
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總結
總的來說，污水處理行業實現碳中和是一項長期的系統性工程。僅僅站在污水處理廠行業角度，需要從“用戶控制-源頭分離-管網收納-凈化處理”全流程進行系統性規劃。在這個過程中，需要政府相關部門和企業全面升級管理運營模式，從管理驅動升級為數據驅動，構建全新的數字化管理新模式，實現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，站在生態文明建設、城鄉融合發展、污水資源化、能量自給、環境友好等更多層面綜合考量，需要從“點-線-面-體”不同層次進行頂層規劃、系統設計和統籌安排。這不單是整個行業技術和理念的更新，而且是整個社會思想和認知的革命。
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鍵性第一步，我們有理由相信，中國污水處理行業將很快為碳中和戰略做出積極貢獻。
（來源：前海深港國際先進技術研究院）
