碳中和背景下的水污染防治产业发展思考
2020年9月22日，国家主席习近平在第75届联合国大会一般性辩论上发表重要讲话强调,“中国将提高国家自主贡献力度，采取更加有力的政策和措施，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。“双碳”目标的提出，为各行各业下一阶段的发展提出了新的要求，2021年6月，生态环境部发布《中国应对气候变化的政策与行动2020年度报告》，环境产业正在酝酿着一场百年未有之大变局。未来5-10年，产业将走向何方，且看专家们的分析论断。本期我们推出中国工程院院士、南京大学环境学院院长、南京大学宜兴环保研究院院长、江苏省水污染防治设备产业强链专班首席专家任洪强在第二届扬子江生态文明国际论坛暨江苏省水污染防治设备产业强链发展峰会上的精彩报告，与大家分享。
1 污水处理碳排放不容忽视，占总体量2%-5%
“十一五”以来，我国污水处理步入高速发展状态，污水处理设施和污水处理能力急速增长。根据官方统计，我国污水处理厂数量已由2010年的2496座增长为2020年的5626座，污水处理能力也由2010年的1.2亿立方米/天增长到2020年的2.2亿立方米/天。与此同时，污水处理行业碳排放问题引起关注。据有关统计，我国污水处理的碳排放为18.7万吨 CO₂e/d，约占全社会碳排放总量的2%~5%，属于典型的能源密集型高耗能行业。
2 国内外污水处理厂低碳创新实践
（1）发达国家：污水厂向新生水源厂、有机肥厂、能源输出厂转变
纵观国际，诸如美国、加拿大、丹麦、英国、荷兰、新加坡、德国、日本等发达国家，都是水处理行业创新比较活跃的代表，在碳中和体系下，这些国家围绕相关的规划、技术布局与创新、未来发展导向等做了大量工作。可以看出，很多典型的污水厂已经在向新生水源厂、有机肥厂、能源输出工厂转变。以荷兰为例，其针对城镇生活和工业废水，建立了面向未来的污水处理资源/能源利用模式。（拓展阅读：荷兰污水处理新框架——NEWs及其实践）
以下是国外相关污水处理厂通过能源利用或相关技术革新实现碳中和的代表案例。可看出，一些污水处理厂已实现100%能量自给，达到碳中和。
（2）中国：污水处理概念厂实践
2013年，曲久辉、王凯军、王洪臣、余刚、柯兵、俞汉青6位环境领域著名专家，共同发起成立中国污水处理概念厂专家委员会，提出“建设面向未来的中国污水处理概念厂”这一命题，并于2014年1月在《中国环境报》发表署名文章，正式向社会宣告，希望以此融通各方智慧和共识、启迪创新和创造，引领中国污水处理事业的升级发展。其中，初步提出概念厂的四个追求：水质永续、能源自给、资源循环、环境友好。
几年过去，当初的设想已经付诸实践。其中，河南睢县第三污水处理厂被认为是中国污水处理概念厂的1.0版本。该厂践行污水处理概念厂的四个追求，开展水-肥-气综合利用，能量自给率达到35%，相比我国传统污水厂，已经取得较大突破。目前，江苏省宜兴市正在兴建概念厂2.0版本，预期能量自给率可达到85%。
可以说，国家战略需求与目标、水处理技术发展，以及国内外的相关实践探索，为未来废水处理工程实现碳中和提供了强劲的动力，奠定了扎实的基础。
3污水处理厂迈向碳中和的路径创新
从污水处理体系来讲，迈向碳中和，目前主要通过以下几个途径：
节能（10%~20%）：主要针对好氧处理环节，采用高效曝气、节能型发动机、风机和泵等，实现节能；可再生能源利用（5%~10%）：利用污水厂的设施，有效利用风能、光电、太阳热能、地热能等；污水中的能源回收（2%~10%）：主要是碳捕获，包括化学能、水力涡轮机、蒸汽泵、污水热交换器等；污泥处理产能（40%~80%）：主要是污泥厌氧消化产能。
在具体实现上，则需要从工艺、技术、装备、产业和标准各方面通盘考虑。
（1）工艺
要把污水处理厂的碳排放强度由当前的0.86 kgCO₂e/m3降为0，在工艺上，就需从常规的三级处理向每一环节强化碳捕获与利用转变。其中关键技术创新在于“能源供给+碳源捕获+深度脱氮+污泥厌氧消化”。
（2）技术
围绕工艺的转变，污水处理技术要从“以能消能”到能量平衡、“碳中和”转变。其中，脱碳体系要重点关注A-B法和整体营养物回收，这是主流工艺的未来；脱氮方面，主要聚焦自养脱氮技术；此外，污泥处理，从传统的脱水-填埋到碳化、能源化转变，在碳中和形势下会有巨大潜力。
（3）装备
装备是实施污水处理技术工艺实现的载体。污水处理厂从最前端的格栅到后面主体工艺的各种反应器，到污泥处理设备，包括整个流程智能控制的仪器仪表，都是实现碳中和不可忽视的内容。未来装备的发展趋势必然是从“非标化”逐步迈向“标准化”、“智能化”。
（4）产业
基于以上，水污染防治产业的未来必将迈向装备制造、电子信息、电力输配、农业循环等多行业、多领域的协同创新，并推动产业从制造业进一步向服务业转型。
（5）标准
低碳发展，标准先行。碳中和驱动下的整个水处理行业，其标准体系都将发生巨大的变化，需要重新梳理和构建包括低碳水处理技术、装备、材料、评估、工程管理的全链条的新标准体系。
4 当前我国污水处理厂迈向碳中和的现实问题
问题1——水质问题：我国污水、污泥特征不利于资源化
我国污水处理厂进水COD普遍较低，工业废水占比高，带来碳资源化难和有毒物质抑制致微生物活性低的问题。此外，我国污泥有机质含量低、含沙量高，不利于实现资源化。
问题2——工艺问题：高水质标准目标难以实现低碳/负碳处理
我国污水处理出水水质标准不断提高，传统工艺在实现达标排放的同时，往往带来了更高的碳排放量，所以要实现低碳、零碳甚至负碳处理，需要对处理工艺进行重新梳理、评估和变革。
问题3——建造问题：高固定资产投入限制了低碳工艺推广
从常规工艺升级为低碳工艺，往往伴随较高的成本投入。如仅生化单元的精准仪表及控制系统，投资费用就达100~150万欧元；污泥热水解和多元基质协同共消化系统中，热水解的投资约需30~45万元/吨。一定程度上会限制低碳工艺在现有污水处理厂的推广。
问题4——政策问题：行业管理壁垒阻碍了产业模式创新与运行
如前所述，污泥能源化是污水厂实现碳中和的关键，国外像瑞士、德国等一些污水处理厂通过污泥与餐厨垃圾等协同处理，实现100%能量自给。而国内污水处理厂获取餐厨垃圾的途径受限，而且污泥作为农用有机肥的路径一直未能打通，此外，还有污水/泥资源化经济效益差、配套政策及设施不健全等一系列问题，亟待破题。
5 碳中和目标下，水处理产业将走向何方？
我国在水处理科技方面历经了几十年的学习积累、模仿集成、开发创新与突破颠覆，推动产业从最初单一的水处理逐步发展到水资源+水环境+水生态全覆盖，在一些领域，我国已经达到并跑甚至领跑的水平。在碳中和目标体系下，我国水处理的未来一定能够实现由废物处理向资源和能源回收的根本转变。同时，我们的创新要实现由政策驱动向自觉与自发创新的根本转变。具体来讲，可以从以下方面发力：
（1）“内外合力”提高污水与污泥能源化潜力
内力重点要完善污水管网系统，解决污水收集问题，减少工业废水含量，提高污水厂进水COD；通过“源头截沙+末端提质”，协同提升污泥产氢、产甲烷性能；外力则是要实现从“以能消能”到“碳源捕获”的技术转型，通过优选“高效低耗”污泥处置与资源化方法，淘汰落后技术。这就需要进行技术革新，进而提升整个产业的创新能力和水平。
（2）开展污水处理低碳技术、材料与装备创新
大力开展污水处理低碳技术、材料、装备的研发和创新，具体包括高效厌氧、污水热泵、光/热/电/气耦合、热水解、共消化、高效生物转化、多能协同利用等关键技术，不断强化污水/泥资源化和能源化对碳中和的贡献。
（3）夯实产业变革的政策配套与基础设施支撑
要从政策配套和基础设施建设两方面为产业革新提供支撑。如提高清洁能源应用比例、推动全生命周期评价、出台污泥农用等支持政策、完善资源化财政补贴体系等配套政策，以及提升污水管网收集效率、建设低碳污水处理设施、推进污泥产电并网设施建设、布局清洁能源协同处理基础设施建设等。
污水处理碳中和目标体系下，水污染防治产业发展迎来新一轮发展机遇和挑战，前途漫漫，任重道远，各级政府、相关行业、相关部门、全产业链需要协同发力，才能推动碳中和目标下新的水污染防治产业链的优化升级。
