2020年9月22日，國家主席習近平在第75屆聯(lián)合國大會一般性辯論上發(fā)表重要講話強調(diào)，“中國將提高國家自主貢獻力度，采取更加有力的政策和措施，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(xiàn)碳中和?！半p碳”目標的提出，為各行各業(yè)下一階段的發(fā)展提出了新的要求，2021年6月，生態(tài)環(huán)境部發(fā)布《中國應對氣候變化的政策與行動2020年度報告》，環(huán)境產(chǎn)業(yè)正在醞釀著一場百年未有之大變局。未來5-10年，產(chǎn)業(yè)將走向何方，且看專家們的分析論斷。本期我們推出中國工程院院士、南京大學環(huán)境學院院長、南京大學宜興環(huán)保研究院院長、江蘇省水污染防治設備產(chǎn)業(yè)強鏈專班首席專家任洪強在第二屆揚子江生態(tài)文明國際論壇暨江蘇省水污染防治設備產(chǎn)業(yè)強鏈發(fā)展峰會上的精彩報告，與大家分享。

 

1 污水處理碳排放不容忽視，占總體量2%-5%

 

“十一五”以來，我國污水處理步入高速發(fā)展狀態(tài)，污水處理設施和污水處理能力急速增長。根據(jù)官方統(tǒng)計，我國污水處理廠數(shù)量已由2010年的2496座增長為2020年的5626座，污水處理能力也由2010年的1.2億立方米/天增長到2020年的2.2億立方米/天。與此同時，污水處理行業(yè)碳排放問題引起關注。據(jù)有關統(tǒng)計，我國污水處理的碳排放為18.7萬噸 co？e/d，約占全社會碳排放總量的2%~5%，屬于典型的能源密集型高耗能行業(yè)。

 

2 國內(nèi)外污水處理廠低碳創(chuàng)新實踐

 

（1）發(fā)達國家：污水廠向新生水源廠、有機肥廠、能源輸出廠轉(zhuǎn)變

 

縱觀國際，諸如美國、加拿大、丹麥、英國、荷蘭、新加坡、德國、日本等發(fā)達國家，都是水處理行業(yè)創(chuàng)新比較活躍的代表，在碳中和體系下，這些國家圍繞相關的規(guī)劃、技術布局與創(chuàng)新、未來發(fā)展導向等做了大量工作?？梢钥闯?，很多典型的污水廠已經(jīng)在向新生水源廠、有機肥廠、能源輸出工廠轉(zhuǎn)變。以荷蘭為例，其針對城鎮(zhèn)生活和工業(yè)廢水，建立了面向未來的污水處理資源/能源利用模式。

以下是國外相關污水處理廠通過能源利用或相關技術革新實現(xiàn)碳中和的代表案例?？煽闯觯恍┪鬯幚韽S已實現(xiàn)100%能量自給，達到碳中和。

（2）中國：污水處理概念廠實踐

 

2013年，曲久輝、王凱軍、王洪臣、余剛、柯兵、俞漢青6位環(huán)境領域著名專家，共同發(fā)起成立中國污水處理概念廠專家委員會，提出“建設面向未來的中國污水處理概念廠”這一命題，并于2014年1月在《中國環(huán)境報》發(fā)表署名文章，正式向社會宣告，希望以此融通各方智慧和共識、啟迪創(chuàng)新和創(chuàng)造，引領中國污水處理事業(yè)的升級發(fā)展。其中，初步提出概念廠的四個追求：水質(zhì)永續(xù)、能源自給、資源循環(huán)、環(huán)境友好。

 

幾年過去，當初的設想已經(jīng)付諸實踐。其中，河南睢縣第三污水處理廠被認為是中國污水處理概念廠的1.0版本。該廠踐行污水處理概念廠的四個追求，開展水-肥-氣綜合利用，能量自給率達到35%，相比我國傳統(tǒng)污水廠，已經(jīng)取得較大突破。目前，江蘇省宜興市正在興建概念廠2.0版本，預期能量自給率可達到85%。

可以說，國家戰(zhàn)略需求與目標、水處理技術發(fā)展，以及國內(nèi)外的相關實踐探索，為未來廢水處理工程實現(xiàn)碳中和提供了強勁的動力，奠定了扎實的基礎。

 

3 污水處理廠邁向碳中和的路徑創(chuàng)新

 

從污水處理體系來講，邁向碳中和，目前主要通過以下幾個途徑：

 

節(jié)能（10%~20%）：主要針對好氧處理環(huán)節(jié)，采用高效曝氣、節(jié)能型發(fā)動機、風機和泵等，實現(xiàn)節(jié)能；可再生能源利用（5%~10%）：利用污水廠的設施，有效利用風能、光電、太陽熱能、地熱能等；污水中的能源回收（2%~10%）：主要是碳捕獲，包括化學能、水力渦輪機、蒸汽泵、污水熱交換器等；污泥處理產(chǎn)能（40%~80%）：主要是污泥厭氧消化產(chǎn)能。

 

在具體實現(xiàn)上，則需要從工藝、技術、裝備、產(chǎn)業(yè)和標準各方面通盤考慮。

 

（1）工藝

 

要把污水處理廠的碳排放強度由當前的0.86 kgco？e/m3降為0，在工藝上，就需從常規(guī)的三級處理向每一環(huán)節(jié)強化碳捕獲與利用轉(zhuǎn)變。其中關鍵技術創(chuàng)新在于“能源供給+碳源捕獲+深度脫氮+污泥厭氧消化”。

（2）技術

 

圍繞工藝的轉(zhuǎn)變，污水處理技術要從“以能消能”到能量平衡、“碳中和”轉(zhuǎn)變。其中，脫碳體系要重點關注a-b法和整體營養(yǎng)物回收，這是主流工藝的未來；脫氮方面，主要聚焦自養(yǎng)脫氮技術；此外，污泥處理，從傳統(tǒng)的脫水-填埋到碳化、能源化轉(zhuǎn)變，在碳中和形勢下會有巨大潛力。

（3）裝備

 

裝備是實施污水處理技術工藝實現(xiàn)的載體。污水處理廠從最前端的格柵到后面主體工藝的各種反應器，到污泥處理設備，包括整個流程智能控制的儀器儀表，都是實現(xiàn)碳中和不可忽視的內(nèi)容。未來裝備的發(fā)展趨勢必然是從“非標化”逐步邁向“標準化”、“智能化”。

（4）產(chǎn)業(yè)

 

基于以上，水污染防治產(chǎn)業(yè)的未來必將邁向裝備制造、電子信息、電力輸配、農(nóng)業(yè)循環(huán)等多行業(yè)、多領域的協(xié)同創(chuàng)新，并推動產(chǎn)業(yè)從制造業(yè)進一步向服務業(yè)轉(zhuǎn)型。

 

（5）標準

 

低碳發(fā)展，標準先行。碳中和驅(qū)動下的整個水處理行業(yè)，其標準體系都將發(fā)生巨大的變化，需要重新梳理和構建包括低碳水處理技術、裝備、材料、評估、工程管理的全鏈條的新標準體系。

4 當前我國污水處理廠邁向碳中和的現(xiàn)實問題

 

問題1——水質(zhì)問題：我國污水、污泥特征不利于資源化

 

我國污水處理廠進水cod普遍較低，工業(yè)廢水占比高，帶來碳資源化難和有毒物質(zhì)抑制致微生物活性低的問題。此外，我國污泥有機質(zhì)含量低、含沙量高，不利于實現(xiàn)資源化。

 

問題2——工藝問題：高水質(zhì)標準目標難以實現(xiàn)低碳/負碳處理

 

我國污水處理出水水質(zhì)標準不斷提高，傳統(tǒng)工藝在實現(xiàn)達標排放的同時，往往帶來了更高的碳排放量，所以要實現(xiàn)低碳、零碳甚至負碳處理，需要對處理工藝進行重新梳理、評估和變革。

問題3——建造問題：高固定資產(chǎn)投入限制了低碳工藝推廣

 

從常規(guī)工藝升級為低碳工藝，往往伴隨較高的成本投入。如僅生化單元的精準儀表及控制系統(tǒng)，投資費用就達100~150萬歐元；污泥熱水解和多元基質(zhì)協(xié)同共消化系統(tǒng)中，熱水解的投資約需30~45萬元/噸。一定程度上會限制低碳工藝在現(xiàn)有污水處理廠的推廣。

 

問題4——政策問題：行業(yè)管理壁壘阻礙了產(chǎn)業(yè)模式創(chuàng)新與運行

 

如前所述，污泥能源化是污水廠實現(xiàn)碳中和的關鍵，國外像瑞士、德國等一些污水處理廠通過污泥與餐廚垃圾等協(xié)同處理，實現(xiàn)100%能量自給。而國內(nèi)污水處理廠獲取餐廚垃圾的途徑受限，而且污泥作為農(nóng)用有機肥的路徑一直未能打通，此外，還有污水/泥資源化經(jīng)濟效益差、配套政策及設施不健全等一系列問題，亟待破題。

 

5 碳中和目標下，水處理產(chǎn)業(yè)將走向何方？

 

我國在水處理科技方面歷經(jīng)了幾十年的學習積累、模仿集成、開發(fā)創(chuàng)新與突破顛覆，推動產(chǎn)業(yè)從最初單一的水處理逐步發(fā)展到水資源+水環(huán)境+水生態(tài)全覆蓋，在一些領域，我國已經(jīng)達到并跑甚至領跑的水平。在碳中和目標體系下，我國水處理的未來一定能夠?qū)崿F(xiàn)由廢物處理向資源和能源回收的根本轉(zhuǎn)變。同時，我們的創(chuàng)新要實現(xiàn)由政策驅(qū)動向自覺與自發(fā)創(chuàng)新的根本轉(zhuǎn)變。具體來講，可以從以下方面發(fā)力：

 

（1）“內(nèi)外合力”提高污水與污泥能源化潛力

 

內(nèi)力重點要完善污水管網(wǎng)系統(tǒng)，解決污水收集問題，減少工業(yè)廢水含量，提高污水廠進水cod；通過“源頭截沙+末端提質(zhì)”，協(xié)同提升污泥產(chǎn)氫、產(chǎn)甲烷性能；外力則是要實現(xiàn)從“以能消能”到“碳源捕獲”的技術轉(zhuǎn)型，通過優(yōu)選“高效低耗”污泥處置與資源化方法，淘汰落后技術。這就需要進行技術革新，進而提升整個產(chǎn)業(yè)的創(chuàng)新能力和水平。

 

（2）開展污水處理低碳技術、材料與裝備創(chuàng)新

 

大力開展污水處理低碳技術、材料、裝備的研發(fā)和創(chuàng)新，具體包括高效厭氧、污水熱泵、光/熱/電/氣耦合、熱水解、共消化、高效生物轉(zhuǎn)化、多能協(xié)同利用等關鍵技術，不斷強化污水/泥資源化和能源化對碳中和的貢獻。

 

（3）夯實產(chǎn)業(yè)變革的政策配套與基礎設施支撐

 

要從政策配套和基礎設施建設兩方面為產(chǎn)業(yè)革新提供支撐。如提高清潔能源應用比例、推動全生命周期評價、出臺污泥農(nóng)用等支持政策、完善資源化財政補貼體系等配套政策，以及提升污水管網(wǎng)收集效率、建設低碳污水處理設施、推進污泥產(chǎn)電并網(wǎng)設施建設、布局清潔能源協(xié)同處理基礎設施建設等。

 

污水處理碳中和目標體系下，水污染防治產(chǎn)業(yè)發(fā)展迎來新一輪發(fā)展機遇和挑戰(zhàn)，前途漫漫，任重道遠，各級政府、相關行業(yè)、相關部門、全產(chǎn)業(yè)鏈需要協(xié)同發(fā)力，才能推動碳中和目標下新的水污染防治產(chǎn)業(yè)鏈的優(yōu)化升級。

 

來源：中國水星網(wǎng)

 

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