全球變暖導(dǎo)致的自然災(zāi)害頻發(fā)、生態(tài)系統(tǒng)退化，是當(dāng)今人類可持續(xù)發(fā)展面臨的最大挑戰(zhàn)。在全球變暖的嚴(yán)峻形勢(shì)下，國(guó)際社會(huì)積極采取應(yīng)對(duì)措施。2016年4月22日，170多個(gè)國(guó)家在紐約簽署了全球性的氣候新協(xié)議《巴黎協(xié)定》，承諾將全球氣溫升高幅度控制在2℃之內(nèi)。2016年9月3日，中國(guó)加入《巴黎協(xié)定》，與各國(guó)一道積極應(yīng)對(duì)全球氣候變化，承諾到2020年單位國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值二氧化碳排放比2005年下降40-45%，到2030年下降60-65%。

王洪臣 中國(guó)人民大學(xué)環(huán)境學(xué)院副院長(zhǎng)

按照主要發(fā)達(dá)國(guó)家的統(tǒng)計(jì)，污水處理行業(yè)碳排放量占全社會(huì)總排放量的1-2%，位居前十大碳排放行業(yè)，是不可忽視的減排領(lǐng)域。據(jù)美國(guó)EPA2016年溫室氣體歷年排放清單統(tǒng)計(jì)，2014年美國(guó)污水處理行業(yè)N2O的碳排放當(dāng)量和CH4的碳排放當(dāng)量分別占全社會(huì)相應(yīng)碳排放當(dāng)量的1.2%和2.0%。據(jù)歐洲統(tǒng)計(jì)辦公室(Eurostat)2014年歐洲統(tǒng)計(jì)報(bào)告，污水處理與固體廢棄物處理組成的廢物處理行業(yè)是第五大碳排放行業(yè)，占全社會(huì)總碳排放量的3.3%。

發(fā)達(dá)國(guó)家污水處理行業(yè)的碳減排

1. 美國(guó)

美國(guó)對(duì)污水處理廠出水水質(zhì)及達(dá)標(biāo)有嚴(yán)格要求，在運(yùn)營(yíng)管理方面有一套九步驟的能源管理系統(tǒng)方案，并且非常注重高效設(shè)備的使用，這使得美國(guó)污水處理廠能量效率大大提高，總體能耗下降了大約10%，每年節(jié)省電耗100 多億kWh，也即每年節(jié)約了將近75 億美元的花費(fèi)。具體來說，美國(guó)EPA 主要通過使用高效的機(jī)電設(shè)備，配合控制策略和管理手段來實(shí)現(xiàn)。EPA 還提出了污水處理廠提高能效的多項(xiàng)技術(shù)，內(nèi)容主要涉及泵、曝氣、攪拌等高能耗單元，這些新型設(shè)備的應(yīng)用可以為污水處理廠的運(yùn)行節(jié)省大量投資成本與能耗。美國(guó)EPA 預(yù)測(cè)在下一個(gè)15 年里，污水處理廠的電能消耗將增加20%。

2. 加拿大

加拿大污水處理廠強(qiáng)調(diào)全廠控制，對(duì)于目前我國(guó)污水處理廠處于粗放調(diào)控的現(xiàn)狀具有很強(qiáng)的指導(dǎo)作用。目前正在廣泛應(yīng)用的CCP綜合校正技術(shù)嚴(yán)格地分為兩個(gè)階段四個(gè)步驟，重點(diǎn)在于對(duì)污水處理廠設(shè)備的自我評(píng)估、性能短板和存在問題的識(shí)別、處理性能的改善和提高，內(nèi)容涵蓋了預(yù)處理、一級(jí)處理、二級(jí)處理和某些具體單元運(yùn)行過程的優(yōu)化技術(shù)與建議，重視運(yùn)行優(yōu)化調(diào)試過程中指標(biāo)的監(jiān)測(cè)和控制設(shè)備的使用。該技術(shù)已在北美污水處理廠運(yùn)行優(yōu)化中大量采用，并已漸成技術(shù)體系。

3. 歐盟

歐盟在污水處理方面強(qiáng)調(diào)應(yīng)用先進(jìn)的控制技術(shù)，提倡各方廣泛地研究與交流。針對(duì)污水處理的精確控制，歐盟開展了各國(guó)間的科技合作，為污水處理廠提標(biāo)或新建廠提供技術(shù)支持。應(yīng)用精確的數(shù)學(xué)模型控制化學(xué)混凝，實(shí)現(xiàn)了污水處理廠可以根據(jù)進(jìn)水水質(zhì)及水量按比例精確加藥，達(dá)到了節(jié)省絮凝劑消耗、提升自動(dòng)化控制水平、提高出水水質(zhì)和降低污泥管理成本的目的。歐洲已經(jīng)成功的污水處理廠案例顯示，采用智能加藥控制系統(tǒng)能成功地優(yōu)化加藥劑量，每年藥劑節(jié)約量可達(dá)18%，污泥產(chǎn)量減少33%，在穩(wěn)定出水水質(zhì)的前提下，大大減少了碳排放量，減少了藥劑購(gòu)買以及污泥處理的費(fèi)用。

4. 日本

日本應(yīng)對(duì)污水處理碳減排采取了一系列綜合的措施，首先是高效設(shè)備的應(yīng)用，例如在曝氣環(huán)節(jié)采用微孔曝氣器，可減少20%的曝氣能耗;在污泥處理環(huán)節(jié)采用帶渦輪增壓的流化床焚化爐，可降低85%的N2O 產(chǎn)生量，降低4%的CO2排放量;其次是能源的回收和新型能源的利用，例如污泥厭氧消化產(chǎn)氣的回收、太陽(yáng)能的利用、污泥生物質(zhì)能的利用等等;另外，日本強(qiáng)調(diào)加強(qiáng)與學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)和其他企業(yè)的合作，研發(fā)新的管理方式和處理技術(shù)，實(shí)現(xiàn)污水處理的低碳運(yùn)行。

中國(guó)污水處理行業(yè)碳排放狀況

我國(guó)城鎮(zhèn)污水處理設(shè)施經(jīng)過“十一五”和“十二五”時(shí)期的高速建設(shè)，已經(jīng)形成規(guī)�；�的處理能力。污水處理過程造成了大量的碳排放，據(jù)估算，2003-2009 年我國(guó)污水處理過程的直接排放類溫室氣體量均呈逐年增加趨勢(shì)，自2003 年的0.53 億噸CO2當(dāng)量增加到2009 年的0.75 億噸CO2當(dāng)量，年平均增加5.95%。2015 年，我國(guó)污水處理行業(yè)總電耗高達(dá)140 億 kWh，單位電耗為0.275kWh/m3。

隨著各地提標(biāo)改造的實(shí)施，我國(guó)污水處理能耗將進(jìn)一步增大。面對(duì)巨大的能耗物耗，污水處理領(lǐng)域的碳減排工作已迫在眉睫。由國(guó)外污水處理行業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀來看，“以高能耗高物耗為基礎(chǔ)的優(yōu)質(zhì)出水”以及由此帶來的“減排水污染物、增排溫室氣體”局面不利于我國(guó)污水處理行業(yè)的健康發(fā)展，低碳污水處理應(yīng)是未來的發(fā)展方向。

對(duì)全國(guó)3830座污水處理廠進(jìn)行了數(shù)據(jù)整理與統(tǒng)計(jì)，對(duì)華北地區(qū)、華東地區(qū)、華南地區(qū)、東北地區(qū)和西北地區(qū)共計(jì)26座污水處理廠進(jìn)行了實(shí)地調(diào)研工作�；�于各地區(qū)代表性污水處理廠典型工藝運(yùn)行數(shù)據(jù)分析及實(shí)際監(jiān)測(cè)，按照IPCC方法學(xué)以及相關(guān)方法學(xué)研究，2015年全國(guó)污水處理逸散CH4和N2O產(chǎn)生的直接碳排放量為2512.2萬噸CO2當(dāng)量，電耗產(chǎn)生的間接碳排放量為1401.6萬噸CO2當(dāng)量，絮凝劑消耗產(chǎn)生的間接碳排放量為70.9萬噸CO2當(dāng)量。綜上，2015年中國(guó)污水處理行業(yè)碳排放量為3984.7萬噸CO2當(dāng)量，單位水量的碳排放當(dāng)量(碳排放強(qiáng)度)為0.78 kg/m3。

如何實(shí)現(xiàn)中國(guó)污水處理行業(yè)的碳減排?

污水處理廠是削減水中污染物最主要的環(huán)節(jié)，但在此過程中也產(chǎn)生了大量的碳排放。國(guó)際上，節(jié)能減排已是城鎮(zhèn)污水處理系統(tǒng)的發(fā)展方向，而發(fā)展的核心是將成熟的節(jié)能技術(shù)和高效的機(jī)電設(shè)備在系統(tǒng)上進(jìn)行集成，并且提高現(xiàn)有的運(yùn)營(yíng)管理水平。如美國(guó)重視高效機(jī)電設(shè)備的應(yīng)用，加拿大重視全廠的優(yōu)化運(yùn)營(yíng)，歐盟強(qiáng)調(diào)藥劑投加的科學(xué)控制，日本通過新型曝氣設(shè)備和新式污泥處理系統(tǒng)，減少了系統(tǒng)能耗和N2O 的排放。

按照國(guó)際經(jīng)驗(yàn)，采用高效的設(shè)備，對(duì)水廠運(yùn)行過程進(jìn)行優(yōu)化控制，電耗可降低20-50%，則進(jìn)行水廠的提效改造可節(jié)省耗電量為28-70億kWh，相當(dāng)于減少排放CO2e 279-698萬t/a，產(chǎn)生效益約為22.4-56 億元人民幣。

目前我國(guó)污水處理廠在運(yùn)行過程中，既有由于運(yùn)行調(diào)控的不合理以及管理不當(dāng)所導(dǎo)致的能源浪費(fèi)，也有各處理單元設(shè)備效率低下造成的碳排放量過高。對(duì)于中國(guó)污水處理廠的低碳運(yùn)行有兩個(gè)方面需要重視：一是基于全生命周期的碳排放量低，主要面向污水處理過程中所用的構(gòu)筑物、產(chǎn)品或服務(wù);另一種是終端消耗的碳排放量低，需要關(guān)注處理電耗、藥耗以及運(yùn)營(yíng)過程中的節(jié)能減排。

1. 提高污水處理綜合能效

第一，采用高效機(jī)電設(shè)備，新建設(shè)施直接采購(gòu)高效設(shè)備，已有設(shè)施逐步更新成高效設(shè)備。污水處理機(jī)電設(shè)備主要包括水力輸送、混合攪拌和鼓風(fēng)曝氣三大類。采用高效電機(jī)通�？蓪�(shí)現(xiàn)5-10%的效率提高。

第二，加強(qiáng)負(fù)載管理，滿足工藝要求的前提下要使負(fù)載降至最低，同時(shí)，設(shè)備配置要與實(shí)際荷載相匹配，避免“大馬拉小車”。主要包括以下幾個(gè)方面：① 污水提升以及污泥回流等單元的水力輸送設(shè)備絕大部分時(shí)段在低效工況運(yùn)行，應(yīng)予以改造。②污泥混合攪拌設(shè)備的設(shè)計(jì)攪拌功率普遍偏大，處于過度攪拌狀態(tài)，準(zhǔn)確把握攪拌器與介質(zhì)之間力和能量的傳遞關(guān)系，可以準(zhǔn)確衡量實(shí)際工況所需攪拌器的大小，有效避免電耗浪費(fèi)。③優(yōu)化推進(jìn)器和曝氣系統(tǒng)的位置和距離，可以使系統(tǒng)的能量損失最小。④ 曝氣系統(tǒng)的電耗約占污水處理總電耗的50-70%，是加強(qiáng)負(fù)載管理的重點(diǎn)。

 

第三，建立需求響應(yīng)機(jī)制，根據(jù)實(shí)際工況的需求及其變化，動(dòng)態(tài)調(diào)整設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)。目前污水行業(yè)已經(jīng)出現(xiàn)感應(yīng)式調(diào)速和線性調(diào)速的水力輸送和攪拌設(shè)備，此類設(shè)備可以有效優(yōu)化水力輸送和攪拌系統(tǒng)的整體運(yùn)行情況，實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗。采用內(nèi)置智能控制系統(tǒng)的水力輸送設(shè)備和攪拌器，在特定工況條件下，與傳統(tǒng)設(shè)備相比，甚至可以節(jié)省50%以上的能耗。

2. 大力回收能源

污水中蘊(yùn)含著大量的能量，理論上是處理污水所需能量的很多倍。污水經(jīng)處理后，其中的能量大部分轉(zhuǎn)移到了污泥中，因此開發(fā)回收污泥中的能量具有極大的潛力。污泥能源化主要集中在厭氧方向，污泥厭氧能源化包括厭氧發(fā)酵產(chǎn)乙醇、厭氧發(fā)酵產(chǎn)氫和厭氧消化產(chǎn)甲烷三個(gè)技術(shù)路徑。

傳統(tǒng)厭氧消化技術(shù)能源轉(zhuǎn)化率在30-40%，而高級(jí)厭氧消化技術(shù)可提高到50-60%。高級(jí)厭氧消化技術(shù)包括高溫厭氧消化、溫度分級(jí)厭氧消化(TPAD)、酸—氣兩相厭氧消化和延時(shí)厭氧消化。

采用傳統(tǒng)厭氧消化技術(shù)可使污水處理廠實(shí)現(xiàn)20-30%的能源自給率，預(yù)處理、高級(jí)厭氧消化、渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)或燃料電池以及熱電聯(lián)產(chǎn)(CHP)等技術(shù)的耦合使用，有望使污水處理實(shí)現(xiàn)30-50%的能源自給率，及大大降低間接碳排放量，又降低甲烷產(chǎn)生并逸散導(dǎo)致的直接排放。

3. 探索可持續(xù)新工藝

(1)針對(duì)有機(jī)物去除的工藝

基于有機(jī)污染物去除的可持續(xù)污水處理新工藝主要是厭氧處理技術(shù)，能耗低，且可回收能源。高濃度有機(jī)廢水的厭氧技術(shù)已成熟，但城市污水有機(jī)物濃度低，厭氧處理存在投資大和占地大等障礙。目前，城鎮(zhèn)污水厭氧處理方向研究的熱點(diǎn)是厭氧膜生物反應(yīng)器 AnMBR，與傳統(tǒng)厭氧工藝相比，可大幅度減少占地，但技術(shù)成熟度離生產(chǎn)性應(yīng)用尚存在差距。

(2)針對(duì)脫氮的低能耗、低藥耗工藝

低能耗、低碳源消耗的脫氮工藝主要包括基于短程反硝化原理的SHARON工藝和基于厭氧氨氧化的ANNAMOX/DEMON工藝。與傳統(tǒng)的AAO工藝相比，SHARON可節(jié)約25%的能耗、40%的碳源消耗，而ANNAMOX工藝可節(jié)約60%的能耗、90%的碳源消耗。目前，SHARON和ANNAMOX在高濃度氨氮污水處理中已較成熟。ANNAMOX工藝在典型城鎮(zhèn)污水處理上雖有進(jìn)展，但離實(shí)際應(yīng)用仍有差距。

(3)碳氮兩段法工藝

未來革命性的可持續(xù)污水處理工藝方向是碳氮兩段法：首先對(duì)污水中的有機(jī)物進(jìn)行分離，分離出的污泥通過厭氧消化產(chǎn)生CH4，或?qū)ξ鬯�直接進(jìn)行厭氧處理產(chǎn)能，分離后含有氨氮的污水通過主流厭氧氨氧化進(jìn)行脫氮。根據(jù)理論估算，采用上述碳氮兩段法，處理1人口當(dāng)量的污染物將產(chǎn)生24瓦時(shí)能量，使污水處理廠真正成為“能源工廠”，且污泥產(chǎn)量?jī)H為活性污泥法的四分之一。