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如何構建低碳時代污水處理新格局?
發布時間:2021-07-16 14:57:06 | 瀏覽次數:

上世紀末起,受氣候變化、性能源危機與資源匱乏影響,迫使人們不得不尋求可持續發展之路。進入二十一世紀二十年代之際,在后疫情時代,低碳發展課題被迅速放大。2020年12月12日,我國在氣候雄心峰會上承諾到2030年,中國單位國內生產總值二氧化碳排放將比2005年下降65%以上,實現“碳達峰”,努力爭取2060年前實現“碳中和”。于是,一時間“碳達峰”、“碳中和”驟然走熱,低碳發展、低碳社會昭然而為這個時代的主旋律和熱點。

我國自污染防治攻堅戰以來,污水處理建設迅猛發展,遍地開花且投資力度逐年加大,到2020年,全國城市污水處理率達到95%(“十三五”規劃目標),農村污水處理率達到25.5%(2021年全國生態環境保護大會透露)。逐漸完備的、龐大的污水處理行業在低碳時代的挑戰在哪里?機遇幾何?這已是這個行業進入2021年的一個重大課題。

污水處理被認為是一個高耗能行業,傳統污水處理實際上是停留時間、處理空間、投入能源、物耗資源四個維度上的調整與組合,甚至可以說高標準的出水水質,是以能耗、物耗的形式實施的污染形態轉移來實現的,有人認為:碧水的同時未必是藍天,耗能導致的水污染物轉為CO2、CH4、N2O、NH3、H2S等溫室氣體,特別是對污水處理標準一再提高,能耗越來越高,這樣的轉換也越來突出(目前針對污水廠的提標升級方案目前主要包括:針對現有工藝的優化;增加投藥,如增加化學除磷和外加碳源;增加后續物化處理單元如高效沉淀和砂濾池、增加生化單元如后置反硝化濾池及膜工藝,但優質的出水帶來的是更多的能耗和物耗)。據數據顯示,污水處理等水處理行業碳排放量大約占碳排放量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。

我國污水處理行業在許多地方存在其建設先天不足,其發展后天失調。以快速地大幅提高污水處理率,補環境基礎設施短板為責任導向的污水處理建設模式,面臨了規劃的盲目性、技術的混雜性、管網的滯后性諸多問題,以污染物總量減排、流域水環境質量達標為目標導向的污水處理運行模式,又面臨著水質提標、進水濃度偏低、污水溢流、污泥無出路等問題。目前,如何消化這些先天不足與后天失調,符合各類環保督察要求,已讓各地污水處理廠殫精竭力,在這樣的基礎上,在這樣的時間節點上,我們又迎來了低碳旋風,進入了低碳綠色發展時代。無論是站位或跟風綠色低碳發展的外力,還是節能降耗提升企業核心競爭力的內需,污水處理行業的新格局調整已不可回避。

什么是污水處理新格局?在攻占山頭之后,我們回到原來的問題,我們處理的對象是什么?污水是一個污染物,我們就轉化它,讓它達標。污水是一個范疇,我們就將其放入水平衡系統,讓水環境與水生態、水資源協調。污水是一個載體,我們就需要將污水處理廠逐漸演變為“營養物Nutrient工廠”、“能源Energy工廠”、“再生水Water廠”(即,荷蘭提出的污水處理NEWs概念)。這三個過程,我們可以將其分別視為污水處理的1.0、2.0、3.0版本(為比較表述,非定義),我們剛完成了1.0,正在2.0中探索時,就要面向或升入3.0,這就是我們面臨的污水處理新格局。

從可持續性發展的角度而言,污水處理的目標不僅僅是緩解水污染問題,而應該是多目標綜合考慮,可持續地利用或回收能源和資源,以此立足,方可實現環境社會的可持續性與污水處理企業的可持續性。污水處理既是重要的公共事業,又是一個被政策驅動的行業,誰提早開啟低碳變革,誰將贏得更大的主動權和更廣闊的發展空間。

 

幸福的模樣?

污水處理3.0的幸福模樣:內外兼修,討好了社會的面子,做足了企業的里子。

城市污水處理技術的研究與應用經歷了100 多年的發展歷程,逐漸形成了一級處理、二級處理和深度處理等處理模式,發展了多種物理、物化和生物等處理技術。物化+生物的二級處理是城市污水處理廠通行的處理模式,而生物處理技術是國內外普遍采用的城市污水處理方法。

在活性污泥法誕生100年后,人們開始重新總結與回顧污水處理技術的發展方向歷程,從節能降耗角度審視污水處理過程的高能耗,從物質的角度審視污水處理的高“碳足跡”,這是至今以常規活性污泥工藝為主流的污水處理技術缺欠,于是,一些耦合資源和能源回收的概念路線不斷涌現。目前世界范圍內,對“污水”的認知已經從“廢物處理”對象轉向“資源及能源回收”的載體,基于資源回收、能源開發與利用與碳平衡理念的未來污水處理廠在一些發達國家、世界范圍內的環境公司已經開始實踐。奧地利斯特拉斯(Strass)污水處理廠以主流傳統工藝(AB法)與側流現代工藝(厭氧氨氧化)相結合方式實現剩余污泥產量大化,早在2005年通過厭氧消化產甲烷并熱電聯產實現了能源自給率,達到碳中和運行目標。目前,該廠利用剩余污泥與廠外廚余垃圾厭氧共消化,使得能源自給率高達200%,不僅實現能源自給自足,而且還有一半所產生的能量可以向廠外供應,已成為名副其實的“能源工廠”。作為美國碳中和運行的榜樣,Sheboygan污水處理廠通過開源與節流并舉的技術措施不僅向美國而且也向世界展示了其污水處理能耗基本可以實現自給自足。2013年,該廠已實現了產電量與耗電量比值達90%——115%、產熱量與耗熱量比值達85%——90%的佳績,基本實現了碳中和運行目標。2020年4月動工的江蘇宜興城市水資源概念廠正在探索中國的污水處理新概念,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,基于碳中和的新型環境基礎設施。


在此基礎上,許多國家制定了應對氣候變化的污水廠能耗自給或碳中和技術路線。美國水環境研究基金(WERF)提出 “Carbon-free Water”,更是制定出至2030年所有污水處理廠均要實現碳中和運行的目標。荷蘭制定了2030年NEWs技術路線圖。新加坡提出了從Brownfield(棕色水廠)到Greenfield(綠色水廠)的時間表與路線圖。日本有關部門發布“Sewerage Vision 2100”,指出到本世紀末將完全實現污水處理能源自給自足。中國提出的2030年碳達峰,2060年碳中和,這對于污水處理行業也是一個時間表。


華麗的轉身?

對于2030碳達峰和2060年碳中和的國家目標,污水處理行業如何認識?

誤區一:2030年碳達峰,現在污水處理碳排放仍有空間。
2030年碳達峰是針對國家宏觀經濟社會發展戰略而言的,材料、能源等經濟、社會的基礎需求在未來十年仍是剛需在此基礎上以控制碳排放強度為主,控制碳排放總量為輔。就污水處理企業而言,在污水處理規模與設計規模確定的基礎上,應確定現有GHG排放情況為基準的峰值控制原則,任何的技術改造、升級都應以此為基準,實施碳減排,直至終的碳中和。就污水處理系統而言,筆者認為,碳達峰的意義應該是兩個方面的:一是“應收盡收,應處盡處”將污水收集率與處理率達到城市或區域的大化;二是完善收集系統,不斷提高污水收集質量,不滲不漏,其污水處理廠的進水濃度“達峰”。

誤區二:污水處理過程能源的“自給自足”加“中水回用“— “凈—零”就是碳中和。

能耗自給是狹義的碳中和,不是真正意義上的碳中和。污水處理系統碳中和,應與其建設和運營過程中材料與設備的加工、污水處理中能耗與物耗、污泥處置中運輸與利用等全生命周期排放等因素都有關,不是指狹義的能量平衡或自給。能量只是碳排放的一個方面而已,污水處理的碳排放平衡一定要考慮甲烷、氮氧化物等GHG的溢出。

誤區三:碳中和及碳達峰是理念重視問題,不是技術問題

雖然1997年《京都議定書》列出了有助于減少溫室氣體排放的政策或做法。然而,迄今為止,我們對變暖所涉因素的理解非常有限。這是一個非常復雜的領域,必須考慮到各種溫室氣體來源以及自然波動。雖然上普遍不認為城市廢水處理中的碳排放不被認為是造成變暖的溫室氣體的一部分。這種碳代表近固定C的分解,被認為是生物或快速碳循環的一部分,然而污水處理過程中的CH4或N2O和污泥處理需要在計算中加以考慮。然而,如何根據不同的條件確定不同處理工藝的GHG和LCA取值,至今仍然存在較大的爭議。污水處理廠污染物去除協同控制溫室氣體核算的標準體系沒有形成,例如,對于污泥填埋、堆肥、焚燒等工藝,不同國家甚至得出結果大相徑庭的不同結果,此外,有機質協同消化、協同焚燒等工藝測算值由于地域性和工藝差別很大,導致難以確定污水、污泥處理工藝的指導性原則。

誤區四:碳中和是政策導向,不是經濟導向

環境問題既是國家大政,也應該以技術經濟為基礎和導向腳踏實地的推進。治大國如烹小鮮,依靠口號和“彎道超車“的投機意識,難免會像之前的光伏、碳交易市場一樣,看著熱鬧,冷暖自知。鑒于碳中和度量和檢查難度很大,靠層層任務分解和監督檢查很難解決問題。

污水處理廠(WWTPs)實現碳中和華麗轉身的三個維度:

能量維度。許多研究與工程試驗已被用于探知從污水中回收能源,以滿足污水處理運行現場能量自給自足的可行性。一方面支出小化,使用清潔能源并在污水處理進行中摸索低能耗方案;二方面收入大化,污水中所蘊含的如此巨大的能量,捕獲污水中所蘊含的有機化學能、熱能就地轉換為電能,歐美等國家一些實施碳中和運行目標的污水處理廠也大都以剩余污泥厭氧消化轉化能源為主要手段。理論上可以實現能耗的完全自給甚至可以變成能量輸出廠,有充分的理論與實踐依據表明,未來污水處理廠不是能源的消耗者而應該成為能源供應方。這些舉措支持了減少污水處理廠全生命周期溫室氣體GHG排放的相關目標。

資源回收維度。從污水中回收資源具有寬廣的范圍,污水處理大的資源回收是中水回用與再生水利用,如新加坡的NEWATER項目,再生水用途一般為非飲用目的,如用作工業冷卻、園林綠化灌溉、景觀用水等,當然亦有補充地下水,作為間接飲用水用途,根據國內通過評價大連某污水廠生命周期環境過程的研究,表明當出水回用率達到 70%時,回用水通過抵消自來水生產獲得的環境效益可以抵消新增深度處理設施帶來的環境影響,從而對原有二級處理工藝 LCA 環境影響進行減量。

另一個在歐美廣受重視,而被我們忽視的污水資源回收問題是對磷這一不可再生資源回收。盡管目前有關污水處理磷回收的研究很多,就目前的鳥糞石工藝從污泥中回收磷與磷礦開發利用之間進行經濟效益比較是不合理的,也許正是這個原因,目前沒有將磷回收納入污水處理廠LCA 評價體系之中,它在污水處理環境綜合影響方面的減量作用也未能體現。當然,從資源的角度優化原料投入環節也十分重要,污水處理本質是通過生化反應來去除水中污染物,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。

碳平衡維度。污水處理碳中和運行中,剩余污泥是重要的能源化、資源化載體物質,需要從污水系統碳平衡的維度,以增量方式去獲得,需要改變污泥減量化的現行觀念,以碳中和運行為目標的污泥增量近年來已在上悄然興起。為此,以城市碳平衡系統來考慮,通過COD內源截留與外源挖潛方式大限度地去實現“污泥增量”?!拔勰嘣隽俊钡膬蓚€途徑:一是內源途徑,提高污水處理廠進水COD負荷,通過完備、完善的管網系統收集污水,大限度避免污水碳源流失,減少甚至無需補充反硝化的外加碳源,實現處理過程中的碳平衡。二是外源途徑,在生活污水收集時,在保障系統安全的條件下,可考慮食品、屠宰等高碳類生產廢水接入;在后端的污泥厭氧消化時,可混入餐廚垃圾、果蔬垃圾、園林殘枝等有機廢物實施后端厭氧共消化技術。

康莊的大道?

這是康莊大道,還是一次漫長的告別?

面對低碳時代污水處理向著資源、能源回收與碳中和轉變的大趨勢,先天不足與后天失調的我國污水處理事業顯然又走到了一個新的十字路口。這就面臨著新理念下的管理、技術、運行走向問題。

當今中國經濟有一個顯著特征,風口經濟。以風投的心態投入搶風頭的戰斗,業內有一句話:風來了豬都能飛上天。但風停了摔死的都是豬。


污水處理3.0不是推倒重來,而是循序漸進。對于已運行污水處理廠,當務之急是先要讓既有污水處理設施運行達到它們設計之初的既定目標,打好基礎、練好內功、不斷改善。對于這些仍在規劃中的污水處理廠建設,應在既有污水處理廠業已取得實際效果并積累了大量運行經驗的前提下,可因地制宜地考慮實施資源/能源回收工藝,有條件的可一步到位實施污水處理碳中和工藝并運行。

如何對接碳中和的污水處理3.0?上帝的歸上帝,凱撒的歸凱撒。政府與企業都要就污水處理碳中和做好各自相應的工作,確定邊界并協同推進。目前可以起步的工作:


重新定義基于流域系統的水環境目標:

應該進一步反思此前基于污染源控制的水環境保護策略,近年來,各地政府一而再,再而三地把目標盯在污水處理廠,希望用不斷提高的污水處理標準來實現水環境目標,甚至一些地方在環評中將污水處理標準定在地表水三類水質標準。已有的LCA研究表明,越高的污水排放標準,具有越大的生態環境負效應,實現碳中和的目標越難。流域水環境保護目標的實現需要就流域系統考慮,既要做污染負荷的減量,又要做生態容量的增量。污水排放標準的制定與修訂要考慮碳源轉向能源化、資源化途徑后對后續脫氮工藝的影響,高排放標準與碳中和運行的實現目標矛盾,“魚和熊掌不可兼得”,不實事求是地定義污水處理標準,中國污水處理實現碳中和很難。應該把投資和管控重點放到通過海綿城市實現源頭減污,通過CSO進行初雨調蓄,通過管網改造、雨污分流實現應收盡收等歷史遺留問題的解決上。

提高污水進水有機負荷。對于我國污水處理碳中和而言,要做好的一個重要基礎工作就管網系統完善,通過甲烷(CH4)熱電聯產(CHP)可以獲得一定量有機物能源,這是污水處理碳中和的一個重點,污泥厭氧消化獲取的有機能量與進水有機物負荷有關,但不幸的是,我國市政污水碳源普遍低下,能量衡算表明,進水COD為400mg/L,在完成脫氮除磷碳源使用后產生的剩余污泥,經厭氧消化+熱電聯產多也只能產生0.20kW·h/m3電當量。若污水處理能耗為0.40kW·h/m3,這意味著距碳中和目標還有50%能量赤字,只有當進水COD為800mg/L時方能勉強滿足0.40kW·h/m3碳中和需要。目前,我國大多數污水處理廠進水COD為200—300mg/L,須進一步完善管網建設,改造升級管網運營管理模式,加強漏損點勘測、整治和潛在漏損風險的預防,提高進水COD濃度,提供有效碳源,作為污水碳中和的基礎工作。

改變污水廠的考核標準和模式:

正如張悅司長多次強調,我國的水污染問題在水里,根子在岸上。造成我國水環境污染的主要原因之一在于雨污混接,雨季溢流。鑒于我國污水廠進水濃度普遍偏低,如果進一步提升不僅將涉及現行化糞池設計規范的修改,還需要對管網、CSO等設施進行大量的投資,遠水難解近渴的情況下,建議適時修訂《城鎮污水處理廠污染物排放標準》,將城鎮污水處理廠出水考核合格率與“削減污染物總量“相結合,鼓勵污水廠以生態環境優先,充分利用其污染物設計負荷余量,處理雨季的溢流污水。對超負荷運行的污水廠設置合格率考核,而非現行的超標處罰原則。在污水付費體制上,探索按照污染物削減總量付費的模式,并將全過程碳減排納入考核指標。

精細化污水處理管理,充分挖掘和利用污水熱能:

因地制宜積極采取各種措施對污水處理廠進行精細化管理,實現能耗、物耗節流,這也是綠色低碳發展的重要組成部分。一方面是不斷優化運行參數,優化設備、設施運行狀態,同時建立基于DO反饋的精確曝氣控制(雖然不同處理工藝能耗不同,但曝氣系統總體能耗占比大,因此,污水處理廠節能降耗關鍵點在升級改造曝氣系統。),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。另一方面,在保證出水水質達標的前題下,政府管理部門應該充許運行企業自主調整運行流程、運行參數,不要一味生硬地按照環評的工藝流程和運行過程參數來督察與考核,避免污水處理系統不必要的能耗與物耗浪費。

鼓勵污水廠充分利用太陽能、水源熱泵等技術,減少電能的消耗,實現能源自給。研究表明,水源熱泵能有效地將污水中的熱能轉化為污水處理廠和鄰近建筑物的熱能,當1m3的出水冷卻1℃時,可提供0.26kWh/m3℃的凈電當量。

分層次開展LCA評價:

目前,針對污水處理系統的評價是以住房建設部門、環境保護部門對污水處理工作考核為核心的評估,重點僅在污水處理過程中的環境績效、運行規范等污水處理的單因素評價。但隨著對污水處理與社會可持續性的考量,需就污水處理進行多角度、全方位的綜合考慮,對污水處理系統的可持續發展性進行更加全面的評價是污水處理行業評價的升級?;?LCA 的綜合評價方法,是一種上普遍認同的、用于評價產品或服務相關的環境因素及其整個生命周期環境影響的工具。生命周期評價通過綜合污水處理系統中的物耗、能耗、污染物排放等因素,將結果統一量化為資源消耗、環境變化、毒性等影響指標,也可進行加權得到綜合指標。由于生命周期評價考慮的是污水處理系統的整個生命周期,不僅僅局限于某個階段,故能夠全面的評價該系統的總環境影響、社會可持續性、企業可持續性,有利于實現污水處理的系統管理。在污水處理系統開展LCA評價,我國已有許多研究與案例,面對低碳時代要求,需進行相應的評價標準、基準、方法規范,由學術范疇走向行政管理與行業自審制度設置。就污水處理系統而言,需分層次、以不同的邊界開展LCA評價:一是污水處理廠(WWTPs)邊界,在污水處理企業建立評價清單,確定評價指數,定期開展LCA評價,以此評價作為政府、利益相關方對污水處理行業考核的依據,環境績效考核不僅是污水達標情況,還需考核溫室氣體GHG排放;二是擴大污水處理 LCA 分析的系統邊界,不再僅僅局限于污水處理廠,而是包括了整個城市水/廢水系統,即從污水處理規劃、建設,污水收集、管網、處理、回用、排放等全過程建立LCA評價體系,作為上級政府與部門對下級城市政府污水處理系統考核與評價的依據。LCA 評價可以更加客觀揭示污水處理的“大氣-水-土地”相互聯動的生態事實,綜合考慮污水廠生產過程中二氧化碳、一氧化二氮、甲烷等溫室氣體的排放核算,將傳統污水處理為“污染轉嫁”過程的問題定量展現,避免一味靠“提標”,為僅達到單一改善水環境的目而轉移生態環境問題,從而選擇綜合方案來實現小化總生態環境影響,如在磷回收決策上,是否進行磷回收?是單獨從濕污泥中以鳥糞石工藝回收,還是讓污泥焚燒,從焚燒的干灰中回收?都應放在LCA的層面,尋找優決策。

建立污水處理GHG清單:

對于污水處理碳中和工作,有一項基礎的工作就是建立污水處理企業GHG清單。就污水和污泥處理(包括運輸過程)過程中的直接排放,如出水中的污染物,CO2,CH4,NOx,SO2 等;以及投入的能源和物料(包括建設過程)在其生產過程中所造成的間接環境排放建立污水處理企業GHG清單,初始清單作為碳中和的初始情景或基線。2006 年 IPCC 發布了《2006 國家溫室氣體清單指南》,可按照其中的方法學,就GHG排放清單的項目與因子基于活動數據和排放系數來進行計算,因此也稱為排放系數法。如果是依據國家統計資料制定排放清單的話,則采用“自上而下”的方法;如以技術流程為基礎,需對污水處理GHG排放的工藝特征、規模特征和區域特點進行細化評估,需區別“生源碳“與”化石碳“核算,可“自下而上”核算評估。

探索污泥共消化:

污泥共消化發揮了基質間的協同作用,提高了底物的降解速率和降解程度,使能源轉化效率顯著提高。如果有條件可將廚余垃圾、綠化草木殘體、果蔬垃圾等有機廢棄物與剩余污泥一并共消化,這不僅是污水處理碳中和的途徑,而且也為綜合處置城市市政有機固體廢棄物開辟一條可持續發展之路。建議盡快建立污水處理廠污染物去除協同控制溫室氣體核算的標準體系。


政策引導,鼓勵資源型、能源型污水廠的建設:

由于低碳污水廠技術風險大、投資成本高,建議從國家層面制定污水處理廠碳減排補償和能源工廠補貼機制,通過政策加經濟的手段,引導和推動更多有創新性的企業加入到碳中和污水廠的建設和運營中來;

改變污水成本定價監審辦法和增值稅管理辦法,將節能降耗增加的成本納入監審成本,由此產生的利潤全額獎勵給污水廠;

同時,進一步降低污水回用的門檻,通過水資源配給機制和回用水收費機制彌補水資源的不足;
加大碳交易機構的建設和標準建設,鼓勵通過GHG減排交易實現產業投入的回報機制。

通過綠色信貸、綠色債券、綠色股票指數和相關產品、綠色發展基金、綠色保險、碳金融等金融工具和相關政策支持綠色污水廠轉型。

綜上所述,污水處理行業實現碳中和是一項長期的系統性工程。就系統而言,需要政府相關部門和企業全面升級管理運營思想與模式,需要從多維度與多層次進行頂層規劃、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,而且是整個城市物質流認知的革命。

這將是一個漫長和曲折的過程。但讓人欣慰的是,集結號已經吹起,我們有理由相信,政策驅動的制度優勢將再現神績,中國污水處理行業將很快為碳中和戰略做出積極貢獻。

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