【深度】污水處理如何實現綠色低碳發展？

01

碳中和將(jiang)帶(dai)來哪(na)些改(gai)變？

從中國當前現(xian)狀來看(kan)，發電和工業(ye)(ye)端以及交通部門是碳排放(fang)的(de)主要來源，農業(ye)(ye)、居(ju)民(min)、商業(ye)(ye)和公(gong)共服務等(deng)行(xing)業(ye)(ye)的(de)碳排放(fang)相(xiang)對較低。

在工業(ye)(ye)端，能(neng)源加工行(xing)業(ye)(ye)、鋼鐵行(xing)業(ye)(ye)以及化(hua)學原料制(zhi)造(zao)業(ye)(ye)等相關高耗能(neng)行(xing)業(ye)(ye)不僅是(shi)煤炭消(xiao)費的重點(dian)行(xing)業(ye)(ye)，也是(shi)二氧化(hua)碳排(pai)放的主要行(xing)業(ye)(ye)。

因此，隨著(zhu)碳中(zhong)和戰略全面展開(kai)，未來(lai)40年，中(zhong)國(guo)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(neng)源系統的變革，必將(jiang)推動國家經濟發生全方位改變。

中(zhong)國(guo)能源研(yan)究會常務理事、國(guo)家(jia)應(ying)對氣候變化戰略(lve)研(yan)究和(he)國(guo)際合作中(zhong)心(xin)研(yan)究員李俊峰指出(chu)，“碳中(zhong)和(he)不僅(jin)(jin)僅(jin)(jin)只是能源的(de)事，它與產業鏈(lian)等(deng)方(fang)方(fang)面面都有關(guan)系(xi)。碳中(zhong)和(he)目標將深刻影響(xiang)下一步(bu)產業鏈(lian)的(de)重構、重組和(he)新的(de)國(guo)際標準。”

在(zai)2030年之(zhi)前實現碳達(da)峰(feng)，這就要求部(bu)分地區和部(bu)分行業率(lv)先達(da)峰(feng)。

根據(ju)我(wo)國碳(tan)達峰、碳(tan)中(zhong)和目標節點(dian)，工信(xin)部今年將(jiang)實施工業低碳(tan)行動(dong)和綠色(se)制造工程(cheng)，并制定鋼鐵、水泥等重點(dian)行業碳(tan)達峰行動(dong)方案和路線圖。

正在制(zhi)定(ding)的(de)“十四五”規劃也將(jiang)碳(tan)達峰和碳(tan)中和作為(wei)污染(ran)防治攻(gong)(gong)堅戰(zhan)的(de)主攻(gong)(gong)目標。預計今年秋冬將(jiang)出臺部(bu)門、地方和行業等的(de)專(zhuan)項(xiang)規劃。

2021年1月(yue)(yue)1日(ri)起，全國碳市(shi)場(chang)首個履約周(zhou)期（截止(zhi)到2021年12月(yue)(yue)31日(ri)）正式啟動，涉及2225家(jia)發(fa)電行(xing)業(ye)的重點排放單位。

這是我國第一次從國家(jia)層面將二氧化碳控(kong)排責任壓實到企業(ye)，通(tong)過市場倒(dao)逼機制，促進產業(ye)技術升(sheng)級。變(bian)革的(de)序幕已(yi)悄然拉(la)開！

02

污(wu)水處理(li)行業是耗能(neng)大戶

相比(bi)而(er)言(yan)，污水處理行業(ye)(ye)能(neng)(neng)耗雖(sui)然沒(mei)有發電(dian)、鋼鐵、化工等行業(ye)(ye)那(nei)么(me)高，但總能(neng)(neng)耗占比(bi)并(bing)不(bu)小，也屬(shu)于能(neng)(neng)耗大戶(hu)。

據統計，我(wo)國(guo)2014年污水處(chu)理廠(chang)電耗(hao)占全(quan)國(guo)總(zong)電耗(hao)的0.26%，算上工業廢水處(chu)理和污泥處(chu)理，所占比例將超過2%。

美(mei)國有16000多座污水處理廠(chang)，耗電(dian)量占全社會總耗電(dian)量的1%。在丹麥，水和廢水的處理流程消耗了25%～40%的市(shi)政(zheng)電(dian)力。

另外，污(wu)水處(chu)理需(xu)要消耗大量(liang)(liang)燃料和(he)藥(yao)劑，間接排(pai)放大量(liang)(liang)溫(wen)(wen)室(shi)氣(qi)體(ti)，處(chu)理過程本身(shen)也會直接排(pai)放溫(wen)(wen)室(shi)氣(qi)體(ti)。

聯合國數據顯示，全(quan)球污(wu)水(shui)(shui)(shui)處理等水(shui)(shui)(shui)處理行業碳(tan)排放量大約(yue)占全(quan)球碳(tan)排放量2%左(zuo)右。美國2017年(nian)能(neng)源消耗量中約(yue)2% 用(yong)(yong)于飲用(yong)(yong)水(shui)(shui)(shui)和污(wu)水(shui)(shui)(shui)處理系統(tong)，產生約(yue)4100萬噸溫(wen)室氣體。

此(ci)外，水泵也(ye)是(shi)污水處理主(zhu)要能(neng)耗(hao)(hao)來源(yuan)之(zhi)一。格蘭富集團數據顯示，水泵消耗(hao)(hao)的能(neng)源(yuan)占所有與水相關設(she)施能(neng)耗(hao)(hao)的10%。

從(cong)能量(liang)轉化的角度來說，傳統污水處理模(mo)式(shi)本質(zhi)是以能耗換水質(zhi)。為(wei)了減(jian)少水污染，我們使(shi)用大量(liang)電(dian)能，間接產生大量(liang)二氧化碳(tan)排(pai)放，對全(quan)球生態環(huan)境(jing)造成負面(mian)影(ying)響。

因此，為了減少碳排(pai)放，降低(di)污水處理能耗(hao)和物耗(hao)是(shi)行業升級(ji)的必然(ran)目標。

目(mu)前，世界上已有(you)(you)多個(ge)國(guo)家(jia)發布污(wu)水(shui)廠碳(tan)中(zhong)和技術路線圖，美國(guo)提出2030年所(suo)有(you)(you)污(wu)水(shui)處理廠都要實現碳(tan)中(zhong)和。

然(ran)(ran)而，作為重要(yao)的公共事業，中(zhong)國(guo)污(wu)水(shui)處理(li)率還沒達到100%，減少水(shui)污(wu)染(ran)仍然(ran)(ran)是生態環境保護工作的重中(zhong)之重。

可以預見，污水處理(li)行業短期(qi)內尚(shang)不具備承擔大規(gui)模減排任務的(de)客觀條件。

但是，從(cong)提升企業核心競(jing)爭力層(ceng)面來講，綠色低碳發展也是必走之路。

同(tong)時，作為政策驅動的(de)行業，企(qi)業若能提早開啟低碳(tan)變(bian)革，必將贏得(de)更大的(de)主動權和更廣闊的(de)發展空間。

03

如(ru)何(he)實現綠(lv)色低碳發展？

那么，污水(shui)處理行業如(ru)何實現(xian)綠色低(di)碳發展呢？總的(de)來說(shuo)可以從開源和節流兩個方面考(kao)量。梳理國內外先進(jin)經(jing)驗，具(ju)體可以從以下(xia)幾個方面入(ru)手(shou)。

1.優化工藝回收有機物能量

首先，通(tong)(tong)過開源實(shi)現能(neng)(neng)量(liang)(liang)(liang)自給，是從(cong)根本上解決綠色低碳發展問(wen)題。據測(ce)算(suan)，污(wu)水(shui)中所含(han)能(neng)(neng)量(liang)(liang)(liang)達(da)污(wu)水(shui)處理本身所消耗能(neng)(neng)量(liang)(liang)(liang)的9-10倍之多(duo)。通(tong)(tong)過優化污(wu)水(shui)處理工藝，回(hui)收有機物能(neng)(neng)量(liang)(liang)(liang)，利用沼氣熱聯發電，可實(shi)現碳中和。

奧地利Strass污(wu)水(shui)處(chu)理廠持續優化改進(jin)工(gong)藝，早在2005年即實(shi)現(xian)產能大于能耗（108%能源自(zi)給(gei)(gei)率），現(xian)已達到200%能源自(zi)給(gei)(gei)率，超標準實(shi)現(xian)碳中和。

美國希博伊根(gen)污(wu)水處理廠利(li)用高(gao)濃度(du)食品廢(fei)物與(yu)污(wu)泥厭氧共消化產生的甲烷(wan)進(jin)行熱電聯產，同時采取節(jie)能措施，實(shi)現電量(liang)與(yu)耗電量(liang)比值達90%~115%，已逼近碳中和目標。

在污(wu)泥處置領域，國內小(xiao)紅門(men)、高碑店污(wu)泥處理中(zhong)心成功運行，污(wu)泥產氣率超出預期(qi)目標，除滿足(zu)熱水解能(neng)量(liang)平衡(heng)的需要外，還有余量(liang)。

這(zhe)充分表明，污泥高級厭氧消化技術已經比較(jiao)可靠、穩定(ding)，既為國內污泥處理探(tan)索出(chu)新思路(lu)，同(tong)時也(ye)為實現碳中和提(ti)供有力支撐。

當(dang)然，污水處(chu)(chu)理(li)(li)工(gong)藝優化(hua)是一個長(chang)期的(de)過程。奧地利strass污水處(chu)(chu)理(li)(li)廠(chang)曾經用十多(duo)年時(shi)間持續優化(hua)處(chu)(chu)理(li)(li)工(gong)藝，才達到當(dang)前的(de)處(chu)(chu)理(li)(li)水平。

此外，我國(guo)(guo)城市污(wu)水(shui)處理廠進水(shui)COD濃(nong)度偏(pian)低，只有歐美國(guo)(guo)家的40%-70%，造成碳源不(bu)足。這就要求必須(xu)因地(di)制宜研發適合中國(guo)(guo)國(guo)(guo)情(qing)的污(wu)水(shui)處理工藝。

2. 中國的污水處(chu)理概念廠實踐

在深入研究了解國(guo)(guo)外先(xian)進污(wu)(wu)水(shui)處理廠理念(nian)、工(gong)藝、技術和工(gong)程實踐(jian)的同時，中國(guo)(guo)學術界(jie)和產業界(jie)也在積極(ji)探(tan)索新的污(wu)(wu)水(shui)處理模式。

2014年，中(zhong)(zhong)國(guo)(guo)工(gong)程院院士曲久輝等6位專家提出“建(jian)設(she)面向未來的中(zhong)(zhong)國(guo)(guo)污水處(chu)理概念廠”的構想(xiang)。2018年，河南水利投資集團和中(zhong)(zhong)持水務公司(si)以概念廠早期(qi)版本(ben)為藍本(ben)，建(jian)設(she)了(le)河南商丘睢縣第三污水處(chu)理廠。

睢縣項目綜合運(yun)用(yong)秸稈、畜禽糞便(bian)、水草及污泥等多(duo)種(zhong)物料(liao)進行協(xie)同高干(gan)厭(yan)氧(yang)消化，采用(yong)DANAS干(gan)式厭(yan)氧(yang)發酵(jiao)技(ji)術，顯著提高有機質處理效(xiao)率，實現(xian)物質的(de)良性(xing)循(xun)環和資源化運(yun)營。產(chan)生的(de)沼氣用(yong)于發電，可滿足廠區20-30%的(de)能耗。

同時，降(jiang)低(di)污泥(ni)處理難度，污泥(ni)處理后(hou)產生的有機肥已用于廠區農作(zuo)物實驗性種植。

該項(xiang)目得到(dao)廣(guang)泛認(ren)可，也讓(rang)當地(di)居民(min)和政府切身感受(shou)到(dao)創新發展(zhan)、綠色發展(zhan)的魅力。

如果說睢縣項(xiang)目是1.0版(ban)(ban)的概念廠，那(nei)么2020年4月動工的江(jiang)蘇宜興城市水資源概念廠則是2.0版(ban)(ban)。

該項(xiang)目是第一個完整遵循概念廠(chang)(chang)理(li)念的(de)污水(shui)處理(li)廠(chang)(chang)，除了污染物削減基本(ben)功能，還具有城(cheng)市能源(yuan)工廠(chang)(chang)、水(shui)源(yuan)工廠(chang)(chang)、肥(fei)料工廠(chang)(chang)等新(xin)功能，進一步將發展成(cheng)為城(cheng)市與鄉村(cun)全方位(wei)融(rong)合和互(hu)利共生的(de)新(xin)型環境基礎設施。

該項目于今年年中(zhong)建成，如能(neng)持續穩(wen)定運營，將為中(zhong)國污水處理行(xing)業綠色低碳發展和(he)產業升(sheng)級帶(dai)來深遠影響。

3. 改造(zao)升(sheng)級曝氣系統

其次，因地制宜積極采(cai)取各種(zhong)措(cuo)施實現能(neng)量(liang)節流，也是綠色低碳(tan)發展的重要組成(cheng)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(qi)中，曝(pu)氣(qi)鼓(gu)風(feng)機電耗(hao)所占比(bi)例為(wei)56.2%。雖然不同處(chu)理(li)工藝能(neng)耗(hao)不同，但曝(pu)氣(qi)系(xi)統總體能(neng)耗(hao)占比(bi)最(zui)大是事實。因此(ci)，污水處(chu)理(li)廠節能(neng)降耗(hao)關鍵(jian)點(dian)在(zai)升級改造曝(pu)氣(qi)系(xi)統。

曝氣系統(tong)節能(neng)的核心(xin)是在(zai)保(bao)證出(chu)水達(da)標的前提(ti)下，按需提(ti)供微生物所需的溶解氧(yang)，達(da)到供需平(ping)衡，避(bi)免(mian)曝氣能(neng)耗(hao)的浪費。

這就(jiu)需(xu)要(yao)精準掌控(kong)(kong)(kong)微(wei)生(sheng)物的(de)活動過(guo)(guo)程，同(tong)時精準控(kong)(kong)(kong)制(zhi)鼓風機的(de)運(yun)行過(guo)(guo)程。既要(yao)防止過(guo)(guo)度(du)曝(pu)氣(qi)，也(ye)要(yao)防止曝(pu)氣(qi)不足。這對硬件(jian)設備和控(kong)(kong)(kong)制(zhi)系統的(de)穩定性(xing)、可靠性(xing)和精準度(du)等提出很高要(yao)求。

據國內一家多年從事曝氣系統節(jie)能降耗(hao)技術研究的(de)企(qi)業介(jie)紹，要(yao)(yao)想實現(xian)曝氣系統精(jing)準控制，不僅對(dui)技術有(you)要(yao)(yao)求，而且對(dui)設備的(de)選型和品牌(pai)也(ye)有(you)要(yao)(yao)求，甚至(zhi)對(dui)流(liu)量(liang)計、液(ye)位(wei)計等計量(liang)設備的(de)安裝位(wei)置也(ye)有(you)嚴格要(yao)(yao)求。

總的來說，改造升級(ji)曝氣系統需(xu)要系統角度綜合考量各個要素，是一項復雜的系統性(xing)工程。

國內(nei)有案例表明，通過對鼓風機進行節能改造，日均(jun)耗電量從32990降(jiang)低到29835，降(jiang)低3155，降(jiang)幅達11.4%。粗略估算(suan)，每年(nian)可減少二氧化碳排(pai)放(fang)1148噸。

對于(yu)中(zhong)小型(xing)污水處理廠來說，每年至少能節省(sheng)幾十(shi)萬甚(shen)至上(shang)百(bai)萬的電(dian)費。同時削減(jian)(jian)單位總氮(dan)(dan)達10.8%，削減(jian)(jian)單位氨氮(dan)(dan)達13.1%。

4. 優化原料投入環節(jie)

污(wu)水(shui)處(chu)理工藝多樣，但本質(zhi)是通過生(sheng)化反應來去除水(shui)中污(wu)染(ran)物。

因此(ci)，在處理環節需要(yao)投加碳(tan)源(yuan)和多種(zhong)化學藥劑。這些原材料在生(sheng)產和運輸過程中消耗能(neng)源(yuan)，在投加過程中也(ye)消耗一定(ding)能(neng)源(yuan)。

因此，優化(hua)投料環節，有(you)助于節能降耗(hao)減少碳排(pai)放。

如何(he)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(xi)統進行配(pei)置升級，由常用的變頻計量(liang)泵(beng)(beng)升級為數字泵(beng)(beng)，加藥量(liang)有不同程(cheng)度減少。

第二種，運(yun)用AI技術對污水水量、水質等(deng)參數和加藥(yao)系統運(yun)行(xing)數據等(deng)進行(xing)大數據分(fen)析，形成最優算法(fa)模型，從(cong)而(er)實現(xian)加藥(yao)系統精細化控制，也能有效降低藥(yao)品(pin)消耗(hao)以及設備運(yun)行(xing)能耗(hao)。

5. 優化排水(shui)管網輸(shu)水(shui)性能

在城市(shi)污水處理系統中，污水的(de)收集和(he)輸(shu)送涉及(ji)大規模(mo)的(de)管網鋪設(she)和(he)較長距(ju)離的(de)輸(shu)送，需(xu)要大量的(de)能(neng)耗(hao)(hao)用以(yi)支持日常的(de)運行(xing)和(he)維護。為了(le)最大可能(neng)降低這部分能(neng)耗(hao)(hao)，必須采(cai)取多種措施優化(hua)管網輸(shu)水性(xing)能(neng)。

其中，最基(ji)礎的(de)(de)是改造升級管網運(yun)營(ying)管理(li)模式，重(zhong)點工作包括漏損(sun)點勘測、定位(wei)、維修(xiu)和潛在(zai)漏損(sun)風險(xian)的(de)(de)預(yu)防。

實(shi)現(xian)排水管網(wang)運行狀態實(shi)時監測，并能迅(xun)速(su)分析(xi)是否發生漏損、堵塞，及嚴(yan)重程度(du)、具體(ti)地點等，為(wei)管理(li)人員快速(su)維修提(ti)供精準支撐。

提高(gao)(gao)排水(shui)管(guan)網輸水(shui)性(xing)能，最根本性(xing)的解決措施是提高(gao)(gao)排水(shui)管(guan)網覆蓋(gai)率，實現(xian)污(wu)水(shui)100%收(shou)集(ji)，同時進行雨污(wu)分流(liu)改造，大幅提高(gao)(gao)污(wu)水(shui)處理廠進水(shui)碳氮比。

如此就能解決碳源不(bu)足問(wen)(wen)題，有(you)效提高污水(shui)處理廠(chang)有(you)機質-甲烷(wan)轉化率，把污水(shui)處理廠(chang)變成發電廠(chang)，從根本(ben)上解決能耗(hao)問(wen)(wen)題，實(shi)現碳中和。

6. 排水泵站節(jie)能降(jiang)耗(hao)

排(pai)水泵站也是耗(hao)能大戶。有數據表明，排(pai)水泵站占城市水務(wu)總能耗(hao)的(de)35%。因此(ci)，對排(pai)水泵站進行升級改造，或采用(yong)智能化運營模(mo)式，能有效降低能耗(hao)。

目前(qian)主要有兩種(zhong)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(zhi)接采用數字(zi)泵等(deng)新型(xing)設備設施，以(yi)此降低泵站能耗。

其二，站(zhan)在(zai)系統角度，從更高(gao)層面(mian)優化(hua)排水泵(beng)站(zhan)運(yun)營模式。在(zai)此基礎上運(yun)用物聯(lian)網和移動互(hu)聯(lian)網技術，打造智能管(guan)理(li)平臺(tai)，實現(xian)排水泵(beng)站(zhan)遠程(cheng)控制、集中管(guan)理(li)和數字(zi)化(hua)運(yun)營，達(da)到節(jie)能降耗(hao)的目的。

04

總 結

總的來說(shuo)，污水(shui)處理行業實現碳中(zhong)和(he)是一項長(chang)期的系(xi)統性(xing)工(gong)程。

僅(jin)僅(jin)站(zhan)在污(wu)水(shui)處(chu)理廠行(xing)(xing)業角度，需要從“用戶(hu)控制-源頭(tou)分(fen)離-管網收納-凈(jing)化處(chu)理”全流程進行(xing)(xing)系統性規劃。

在這(zhe)個過程中，需要政府相關部門和(he)企(qi)業全(quan)(quan)面升級管(guan)理運營模(mo)(mo)式(shi)，從(cong)管(guan)理驅動升級為數據驅動，構(gou)建全(quan)(quan)新的數字化管(guan)理新模(mo)(mo)式(shi)，實(shi)現整(zheng)個運營模(mo)(mo)式(shi)的智慧化升級。

從根本(ben)上解決這一問題(ti)，需要(yao)我們跳(tiao)出污水處理行業，站(zhan)在生態文明建設、城(cheng)鄉融合發(fa)展、污水資源化、能(neng)量自給(gei)、環境友好等更多層(ceng)(ceng)(ceng)面(mian)綜合考(kao)量，需要(yao)從“點-線(xian)-面(mian)-體”不同(tong)層(ceng)(ceng)(ceng)次(ci)進(jin)行頂(ding)層(ceng)(ceng)(ceng)規劃、系統設計和統籌(chou)安排。

這(zhe)不單是整個(ge)行業技術(shu)和理念的更新，而且是整個(ge)社會思想和認知(zhi)的革(ge)命(ming)。

這將是(shi)(shi)一個(ge)漫長(chang)和(he)曲折(zhe)的(de)過程。讓人欣喜(xi)的(de)是(shi)(shi)，污(wu)水處理概念廠(chang)的(de)提出(chu)(chu)(chu)和(he)實踐已(yi)邁出(chu)(chu)(chu)關(guan)鍵性第(di)一步，我(wo)們有理由相信，中國污(wu)水處理行業將很快(kuai)為碳中和(he)戰略做(zuo)出(chu)(chu)(chu)積極(ji)貢獻。