高能耗换水质模式不可持续 污水处理行业如何实现碳中和？
慧聪水工业网2020年9月第七十五届联合国大会上，习近平主席宣布，我国二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和。此后，欧盟、日本、韩国、加拿大等也相继公布碳中和目标实现时间表，美国也提出重回《巴黎协定》。目前，全球重要经济体，占全球GDP75%、占全球碳排放量65%的国家开始碳中和。一场波澜壮阔的全球绿色低碳转型大潮正在形成。
所谓碳中和（Carbonneutrality）是指企业、团体或个人在一定时间内直接或间接产生的二氧化碳排放总量，通过植树造林、节能减排等形式全部抵销，实现“零排放”。
碳中和将带来哪些改变？
从中国当前现状来看，发电和工业端以及交通部门是碳排放的主要来源，农业、居民、商业和公共服务等行业的碳排放相对较低。在工业端，能源加工行业、钢铁行业以及化学原料制造业等相关高耗能行业不仅是煤炭消费的重点行业，也是二氧化碳排放的主要行业。因此，随着碳中和战略全面展开，未来40年，中国的能源系统将发生颠覆性改变。
与此同时，由于产业链效应，能源系统的变革，必将推动国家经济发生全方位改变。中国能源研究会常务理事、国家应对气候变化战略研究和国际合作中心研究员李俊峰指出，“碳中和不仅仅只是能源的事，它与产业链等方方面面都有关系。碳中和目标将深刻影响下一步产业链的重构、重组和新的国际标准。”
在2030年之前实现碳达峰，这就要求部分地区和部分行业率先达峰。根据我国碳达峰、碳中和目标节点，工信部今年将实施工业低碳行动和绿色制造工程，并制定钢铁、水泥等重点行业碳达峰行动方案和路线图。正在制定的“十四五”规划也将碳达峰和碳中和作为污染防治攻坚战的主攻目标。预计今年秋冬将出台部门、地方和行业等的专项规划。
2021年1月1日起，全国碳市场首个履约周期（截止到今年12月31日）正式启动，涉及2225家发电行业的重点排放单位。这是我国第一次从国家层面将二氧化碳控排责任压实到企业，通过市场倒逼机制，促进产业技术升级。变革的序幕已悄然拉开！
污水处理行业是耗能大户
相比而言，污水处理行业能耗虽然没有发电、钢铁、化工等行业那么高，但总能耗占比并不小，也属于能耗大户。据统计，我国2014年污水处理厂电耗占全国总电耗的0.26%，算上工业废水处理和污泥处理，所占比例将超过2%。美国有16000多座污水处理厂，耗电量占全社会总耗电量的1%。在丹麦，水和废水的处理流程消耗了25%～40%的市政电力。
另外，污水处理需要消耗大量燃料和药剂，间接排放大量温室气体，处理过程本身也会直接排放温室气体。联合国数据显示，全球污水处理等水处理行业碳排放量大约占全球碳排放量2%左右。美国2017年能源消耗量中约2%用于饮用水和污水处理系统，产生约4100万吨温室气体。此外，水泵也是污水处理主要能耗来源之一。格兰富集团数据显示，水泵消耗的能源占所有与水相关设施能耗的10%。
从能量转化的角度来说，传统污水处理模式本质是以能耗换水质。为了减少水污染，我们使用大量电能，间接产生大量二氧化碳排放，对全球生态环境造成负面影响。因此，为了减少碳排放，降低污水处理能耗和物耗是行业升级的必然目标。目前，世界上已有多个国家发布污水厂碳中和技术路线图，美国提出2030年所有污水处理厂都要实现碳中和。
然而，作为重要的公共事业，中国污水处理率还没达到100%，减少水污染仍然是生态环境保护工作的重中之重。可以预见，污水处理行业短期内尚不具备承担大规模减排任务的客观条件。但是，从提升企业核心竞争力层面来讲，绿色低碳发展也是必走之路。同时，作为政策驱动的行业，企业若能提早开启低碳变革，必将赢得更大的主动权和更广阔的发展空间。
如何实现绿色低碳发展？
那么，污水处理行业如何实现绿色低碳发展呢？总的来说可以从开源和节流两个方面考量。梳理国内外先进经验，具体可以从以下几个方面入手。
优化工艺回收有机物能量
首先，通过开源实现能量自给，是从根本上解决绿色低碳发展问题。据测算，污水中所含能量达污水处理本身所消耗能量的9-10倍之多。通过优化污水处理工艺，回收有机物能量，利用沼气热联发电，可实现碳中和。
奥地利Strass污水处理厂持续优化改进工艺，早在2005年即实现产能大于能耗（108%能源自给率），现已达到200%能源自给率，超标准实现碳中和。美国希博伊根污水处理厂利用高浓度食品废物与污泥厌氧共消化产生的甲烷进行热电联产，同时采取节能措施，实现电量与耗电量比值达90%~115%，已逼近碳中和目标。
在污泥处置领域，国内小红门、高碑店污泥处理中心成功运行，污泥产气率超出预期目标，除满足热水解能量平衡的需要外，还有余量。这充分表明，污泥高级厌氧消化技术已经比较可靠、稳定，既为国内污泥处理探索出新思路，同时也为实现碳中和提供有力支撑。
当然，污水处理工艺优化是一个长期的过程。奥地利strass污水处理厂曾经用十多年时间持续优化处理工艺，才达到当前的处理水平。此外，我国城市污水处理厂进水COD浓度偏低，只有欧美国家的40%-70%，造成碳源不足。这就要求必须因地制宜研发适合中国国情的污水处理工艺。
中国的污水处理概念厂实践
在深入研究了解国外先进污水处理厂理念、工艺、技术和工程实践的同时，中国学术界和产业界也在积极探索新的污水处理模式。2014年，中国工程院院士曲久辉等6位专家提出“建设面向未来的中国污水处理概念厂”的构想。2018年，河南水利投资集团和中持水务公司以概念厂早期版本为蓝本，建设了河南商丘睢县第三污水处理厂。
睢县项目综合运用秸秆、畜禽粪便、水草及污泥等多种物料进行协同高干厌氧消化，采用DANAS干式厌氧发酵技术，显著提高有机质处理效率，实现物质的良性循环和资源化运营。产生的沼气用于发电，可满足厂区20-30%的能耗。同时，降低污泥处理难度，污泥处理后产生的有机肥已用于厂区农作物实验性种植。该项目得到广泛认可，也让当地居民和政府切身感受到创新发展、绿色发展的魅力。
如果说睢县项目是1.0版的概念厂，那么2020年4月动工的江苏宜兴城市水资源概念厂则是2.0版。该项目是第一个完整遵循概念厂理念的污水处理厂，除了污染物削减基本功能，还具有城市能源工厂、水源工厂、肥料工厂等新功能，进一步将发展成为城市与乡村全方位融合和互利共生的新型环境基础设施。该项目于今年年中建成，如能持续稳定运营，将为中国污水处理行业绿色低碳发展和产业升级带来深远影响。
改造升级曝气系统
其次，因地制宜积极采取各种措施实现能量节流，也是绿色低碳发展的重要组成部分。有数据表明，我国污水处理厂处理单位体积污水的电耗在0.15～0.28kW·h/m3左右。其中，曝气鼓风机电耗所占比例为56.2%。虽然不同处理工艺能耗不同，但曝气系统总体能耗占比最大是事实。因此，污水处理厂节能降耗关键点在升级改造曝气系统。
曝气系统节能的核心是在保证出水达标的前提下，按需提供微生物所需的溶解氧，达到供需平衡，避免曝气能耗的浪费。这就需要精准掌控微生物的活动过程，同时精准控制鼓风机的运行过程。既要防止过度曝气，也要防止曝气不足。这对硬件设备和控制系统的稳定性、可靠性和精准度等提出很高要求。
据国内一家多年从事曝气系统节能降耗技术研究的企业介绍，要想实现曝气系统精准控制，不仅对技术有要求，而且对设备的选型和品牌也有要求，甚至对流量计、液位计等计量设备的安装位置也有严格要求。总的来说，改造升级曝气系统需要系统角度综合考量各个要素，是一项复杂的系统性工程。
国内有案例表明，通过对鼓风机进行节能改造，日均耗电量从32990降低到29835，降低3155，降幅达11.4%。粗略估算，每年可减少二氧化碳排放1148吨。对于中小型污水处理厂来说，每年至少能节省几十万甚至上百万的电费。同时削减单位总氮达10.8%，削减单位氨氮达13.1%。
优化原料投入环节
污水处理工艺多样，但本质是通过生化反应来去除水中污染物。因此，在处理环节需要投加碳源和多种化学药剂。这些原材料在生产和运输过程中消耗能源，在投加过程中也消耗一定能源。因此，优化投料环节，有助于节能降耗减少碳排放。
如何优化原料投入环节呢？目前，市场上主要有两种方式。第一种，对加药系统进行配置升级，由常用的变频计量泵升级为数字泵，加药量有不同程度减少。另外，也有企业深入研究碳源投加和除磷加药环节，对加药设备进行智能化精准化控制。有数据表明，相比传统模式，最高可减少9.66%的加药量。
第二种，运用AI技术对污水水量、水质等参数和加药系统运行数据等进行大数据分析，形成最优算法模型，从而实现加药系统精细化控制，也能有效降低药品消耗以及设备运行能耗。
优化排水管网输水性能
在城市污水处理系统中，污水的收集和输送涉及大规模的管网铺设和较长距离的输送，需要大量的能耗用以支持日常的运行和维护。为了最大可能降低这部分能耗，必须采取多种措施优化管网输水性能。其中，最基础的是改造升级管网运营管理模式，重点工作包括漏损点勘测、定位、维修和潜在漏损风险的预防。实现排水管网运行状态实时监测，并能迅速分析是否发生漏损、堵塞，及严重程度、具体地点等，为管理人员快速维修提供精准支撑。
提高排水管网输水性能，最根本性的解决措施是提高排水管网覆盖率，实现污水100%收集，同时进行雨污分流改造，大幅提高污水处理厂进水碳氮比。如此就能解决碳源不足问题，有效提高污水处理厂有机质-甲烷转化率，把污水处理厂变成发电厂，从根本上解决能耗问题，实现碳中和。
排水泵站节能降耗
排水泵站也是耗能大户。有数据表明，排水泵站占城市水务总能耗的35%。因此，对排水泵站进行升级改造，或采用智能化运营模式，能有效降低能耗。目前主要有两种方法，其一是采用变频技术改造老旧排水泵站，或者新建项目直接采用数字泵等新型设备设施，以此降低泵站能耗。
其二，站在系统角度，从更高层面优化排水泵站运营模式。在此基础上运用物联网和移动互联网技术，打造智能管理平台，实现排水泵站远程控制、集中管理和数字化运营，达到节能降耗的目的。
总结
总的来说，污水处理行业实现碳中和是一项长期的系统性工程。仅仅站在污水处理厂行业角度，需要从“用户控制-源头分离-管网收纳-净化处理”全流程进行系统性规划。在这个过程中，需要政府相关部门和企业全面升级管理运营模式，从管理驱动升级为数据驱动，构建全新的数字化管理新模式，实现整个运营模式的智慧化升级。
从根本上解决这一问题，需要我们跳出污水处理行业，站在生态文明建设、城乡融合发展、污水资源化、能量自给、环境友好等更多层面综合考量，需要从“点-线-面-体”不同层次进行顶层规划、系统设计和统筹安排。这不单是整个行业技术和理念的更新，而且是整个社会思想和认知的革命。
这将是一个漫长和曲折的过程。让人欣喜的是，污水处理概念厂的提出和实践已迈出关键性第一步，我们有理由相信，中国污水处理行业将很快为碳中和战略做出积极贡献。
