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专家解惑丨如何构建低碳时代污水处理新花样?

来源:AG8亚洲国际游戏集团环保     宣布时间:2021-03-16

       上世纪末起,受气候变革、全球性能源危机与资源匮乏影响,迫使人们不得不寻求可连续生长之路。进入二十一世纪二十年代之际,在后疫情时代,低碳生长课题被迅速放大。2020年12月12日,我国在气候雄心峰会上允许到2030年,中国单位海内生产总值二氧化碳排放将比2005年下降65%以上,实现“碳达峰”,努力争取2060年前实现“碳中和”。于是,一时间“碳达峰”、“碳中和”骤然走热,低碳生长、低碳社会昭然而为这个时代的主旋律和热点。
 
  我国自污染防治攻坚战以来,污水处理建设迅猛生长,各处开花且投资力度逐年加大,到2020年,全国都会污水处理率抵达95%(“十三五”计划目标),农村污水处理率抵达25.5%(2021年全国生态情况掩护大会透露)。逐渐完备的、庞大的污水处理行业在低碳时代的挑战在哪里?机缘几何?这已是这个行业进入2021年的一个重大课题。
 
  污水处理被认为是一个高耗能行业,古板污水处理实际上是停留时间、处理空间、投入能源、物耗资源四个维度上的调解与组合,甚至可以说高标准的出水水质,是以能耗、物耗的形式实施的污染形态转移来实现的,有人认为:碧水的同时未必是蓝天,耗能导致的水污染物转为CO2、CH4、N2O、NH3、H2S等温室气体,特别是对污水处理标准一再提高,能耗越来越高,这样的转换也越来突出(目前针对污水厂的提标升级计划目前主要包括:针对现有工艺的优化;增加投药,如增加化学除磷和外加碳源;增加后续物化处理单位如高效沉淀和砂滤池、增加生化单位如后置反硝化滤池及膜工艺,但优质的出水带来的是更多的能耗和物耗)。联合国数据显示,全球污水处理等水处理行业碳排放量约莫占全球碳排放量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,爆发约4100万吨温室气体。
 
  我国污水处理行业在许多地方保存其建设先天缺乏,其生长后天失调。以快速地大幅提高污水处理率,补情况基础设施短板为责任导向的污水处理建设模式,面临了计划的盲目性、技术的混杂性、管网的滞后性诸多问题,以污染物总量减排、流域水情况质量达标为目标导向的污水处理运行模式,又面临着水质提标、进水浓度偏低、污水溢流、污泥无出路等问题。目前,如何消化这些先天缺乏与后天失调,切合种种环保督察要求,已让各地污水处理厂殚精竭力,在这样的基础上,在这样的时间节点上,我们又迎来了低碳旋风,进入了低碳绿色生长时代。无论是站位或跟风绿色低碳生长的外力,照旧节能降耗提升企业焦点竞争力的内需,污水处理行业的新花样调解已不可回避。
 
  什么是污水处理新花样?在攻占山头之后,我们回到原来的问题,我们处理的工具是什么?污水是一个污染物,我们就转化它,让它达标。污水是一个领域,我们就将其放入水平衡系统,让水情况与水生态、水资源协调。污水是一个载体,我们就需要将污水处理厂逐渐演变为“营养物Nutrient工厂”、“能源Energy工厂”、“再生水Water厂”(即,荷兰提出的污水处理NEWs看法)。这三个历程,我们可以将其划分视为污水处理的1.0、2.0、3.0版本(为比较表述,非界说),我们刚完成了1.0,正在2.0中探索时,就要面向或升入3.0,这就是我们面临的污水处理新花样。
 
  从全球可连续性生长的角度而言,污水处理的目标不但仅是缓解水污染问题,而应该是多目标综合考虑,可连续地利用或接纳能源和资源,以此立足,方可实现情况社会的可连续性与污水处理企业的可连续性。污水处理既是重要的公共事业,又是一个被政策驱动的行业,谁提早开启低碳厘革,谁将赢得更大的主动权和更辽阔的生长空间。
 
  幸福的模样?
 
  污水处理3.0的幸福模样:内外兼修,讨好了社会的面子,做足了企业的里子。
 
  都会污水处理技术的研究与应用经历了100 多年的生长历程,逐渐形成了一级处理、二级处理和深度处理等处理模式,生长了多种物理、物化和生物等处理技术。物化+生物的二级处理是都会污水处理厂通行的处理模式,而生物处理技术是海内外普遍接纳的都会污水处理要领。
 
  在活性污泥法降生100年后,人们开始重新总结与回首污水处理技术的生长偏向历程,从节能降耗角度审视污水处理历程的高能耗,从物质的角度审视污水处理的高“碳足迹”,这是至今以通例活性污泥工艺为主流的污水处理技术缺欠,于是,一些耦合资源和能源接纳的看法路线不绝涌现。目前世界规模内,对“污水”的认知已经从“废物处理”工具转向“资源及能源接纳”的载体,基于资源接纳、能源开发与利用与碳平衡理念的未来污水处理厂在一些兴旺国家、世界规模内领先的情况公司已经开始实践。奥地利斯特拉斯(Strass)污水处理厂以主流古板工艺(AB法)与侧流现代工艺(厌氧氨氧化)相结合方法实现剩余污泥产量最大化,早在2005年通过厌氧消化产甲烷并热电联产实现了能源自给率,抵达碳中和运行目标。目前,该厂利用剩余污泥与厂外厨余垃圾厌氧共消化,使得能源自给率高达200%,不但实现能源自给自足,并且另有一半所爆发的能量可以向厂外供应,已成为名副其实的“能源工厂”。作为美国碳中和运行的模范,Sheboygan污水处理厂通过开源与节流并举的技术步伐不但向美国并且也向世界展示了其污水处理能耗基本可以实现自给自足。2013年,该厂已实现了产电量与耗电量比值达90%~115%、产热量与耗热量比值达85%~90%的佳绩,基本实现了碳中和运行目标。2020年4月动工的江苏宜兴都会水资源看法厂正在探索中国的污水处理新看法,除了污染物削减基本功效,还具有都会能源工厂、水源工厂、肥料工厂等新功效,基于碳中和的新型情况基础设施。
 
  在此基础上,许多国家制定了应对气候变革的污水厂能耗自给或碳中和技术路线。美国水情况研究基金(WERF)提出 “Carbon-free Water”,更是制定出至2030年所有污水处理厂均要实现碳中和运行的目标。荷兰制定了2030年NEWs技术路线图。新加坡提出了从Brownfield(棕色水厂)到Greenfield(绿色水厂)的时间表与路线图。日本有关部分宣布“Sewerage Vision 2100”,指出到本世纪末将完全实现污水处理能源自给自足。中国提出的2030年碳达峰,2060年碳中和,这关于污水处理行业也是一个时间表。
 
  华美的转身?
 
  关于2030碳达峰和2060年碳中和的国家目标,污水处理行业如何认识?
 
  误区一:2030年碳达峰,现在污水处理碳排放仍有空间。
 
  2030年碳达峰是针对国家宏观经济社会生长战略而言的,质料、能源等经济、社会的基础需求在未来十年仍是刚需在此基础上以控制碳排放强度为主,控制碳排放总量为辅。就污水处理企业而言,在污水处理规模与设计规模确定的基础上,应确定现有GHG排放情况为基准的峰值控制原则,任何的技术革新、升级都应以此为基准,实施碳减排,直至最终的碳中和。就污水处理系统而言,笔者认为,碳达峰的意义应该是两个方面的:一是“应收尽收,应处尽处”将污水收集率与处理率抵达都会或区域的最大化;二是完善收集系统,不绝提高污水收集质量,不渗不漏,其污水处理厂的进水浓度“达峰”。
 
  误区二:污水处理历程能源的“自给自足”加“中水回用“— “净—零”就是碳中和。
 
  能耗自给是狭义的碳中和,不是真正意义上的碳中和。污水处理系统碳中和,应与其建设和运营历程中质料与设备的加工、污水处理中能耗与物耗、污泥处理中运输与利用等全生命周期排放等因素都有关,不是指狭义的能量平衡或自给。能量只是碳排放的一个方面罢了,污水处理的碳排放平衡一定要考虑甲烷、氮氧化物等GHG的溢出。
 
  误区三:碳中和及碳达峰是理念重视问题,不是技术问题
 
  虽然1997年《京都议定书》列出了有助于减少温室气体排放的政策或做法。然而,迄今为止,我们对全球变暖所涉因素的理解很是有限。这是一个很是庞大的领域,必须考虑到种种温室气体来源以及自然波动。虽然国际上普遍不认为都会废水处理中的碳排放不被认为是造玉成球变暖的温室气体的一部分。这种碳代表最近牢固C的剖析,被认为是生物或快速碳循环的一部分,然而污水处理历程中的CH4或N2O和污泥处理需要在盘算中加以考虑。然而,如何凭据差别的条件确定差别处理工艺的GHG和LCA取值,至今仍然保存较大的争议。污水处理厂污染物去除协同控制温室气体核算的标准体系没有形成,例如,关于污泥填埋、堆肥、燃烧等工艺,差别国家甚至得出结果大相径庭的差别结果,别的,有机质协同消化、协同燃烧等工艺测算值由于地区性和工艺差别很大,导致难以确定污水、污泥处理工艺的指导性原则。
 
  误区四:碳中和是政策导向,不是经济导向
 
  情况问题既是国家大政,也应该以技术经济为基础和导向脚踏实地的推进。治大国如烹小鲜,依靠口号和“弯道超车“的投机意识,难免会像之前的光伏、碳交易市场一样,看着热闹,冷暖自知。鉴于碳中和怀抱和检查难度很大,靠层层任务剖析和监督检查很难解决问题。
 
  污水处理厂(WWTPs)实现碳中和华美转身的三个维度:
 
  能量维度。许多研究与工程试验已被用于探知从污水中接纳能源,以满足污水处理运行现场能量自给自足的可行性。一方面支出最小化,使用清洁能源并在污水处理进行中摸索低能耗计划;二方面收入最大化,污水中所蕴含的如此巨大的能量,捕获污水中所蕴含的有机化学能、热能就地转换为电能,欧美等国家一些实施碳中和运行目标的污水处理厂也大都以剩余污泥厌氧消化转化能源为主要手段。理论上可以实现能耗的完全自给甚至可以酿成能量输出厂,有充分的理论与实践依据标明,未来污水处理厂不是能源的消耗者而应该成为能源供应方。这些举措支持了减少污水处理厂全生命周期温室气体GHG排放的相关目标。
 
  资源接纳维度。从污水中接纳资源具有宽广的规模,污水处理最大的资源接纳是中水回用与再生水利用,如新加坡的NEWATER项目,再生水用途一般为非饮用目的,如用作工业冷却、园林绿化浇灌、景观用水等,虽然亦有增补地下水,作为间接饮用水用途,凭据海内通过评价大连某污水厂生命周期情况历程的研究,标明当出水回用率抵达 70%时,回用水通过抵消自来水生产获得的情况效益可以抵消新增深度处理设施带来的情况影响,从而对原有二级处理工艺 LCA 情况影响进行减量。
 
  另一个在欧美广受重视,而被我们忽视的污水资源接纳问题是对磷这一不可再生资源接纳。尽管目前有关污水处理磷接纳的研究许多,就目前的鸟粪石工艺从污泥中接纳磷与磷矿开发利用之间进行经济效益比较是不对理的,也许正是这个原因,目前没有将磷接纳纳入污水处理厂LCA 评价体系之中,它在污水处理情况综合影响方面的减量作用也未能体现。虽然,从资源的角度优化原料投入环节也十分重要,污水处理实质是通过生化反应来去除水中污染物,在处理环节需要投加碳源和多种化学药剂,这些原质料在生产和运输历程中消耗能源,在投加历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。
 
  碳平衡维度。污水处理碳中和运行中,剩余污泥是重要的能源化、资源化载体物质,需要从污水系统碳平衡的维度,以增量方法去获得,需要改变污泥减量化的现行看法,以碳中和运行为目标的污泥增量近年来已在国际上悄然兴起。为此,以都会碳平衡系统来考虑,通过COD内源截留与外源挖潜方法最大限度地去实现“污泥增量”。“污泥增量”的两个途径:一是内源途径,提高污水处理厂进水COD负荷,通过完备、完善的管网系统收集污水,最大限度制止污水碳源流失,减少甚至无需增补反硝化的外加碳源,实现处理历程中的碳平衡。二是外源途径,在生活污水收集时,在包管系统宁静的条件下,可考虑食品、屠宰等高碳类生产废水接入;在后端的污泥厌氧消化时,可混入餐厨垃圾、果蔬垃圾、园林残枝等有机废物实施后端厌氧共消化技术。
 
  康庄的大道?
 
  这是康庄大道,照旧一次漫长的离别?
 
  面对低碳时代污水处理向着资源、能源接纳与碳中和转变的国际大趋势,先天缺乏与后天失调的我国污水处理事业显然又走到了一个新的十字路口。这就面临着新理念下的治理、技术、运行走向问题。
 
  当今中国经济有一个显著特征,风口经济。
 
  污水处理3.0不是推倒重来,而是循序渐进。关于已运行污水处理厂,当务之急是先要让既有污水处理设施运行抵达它们设计之初的既定目标,打好基础、练好内功、不绝改善。关于这些仍在计划中的污水处理厂建设,应在既有污水处理厂业已取得实际效果并积累了大宗运行经验的前提下,可因地制宜地考虑实施资源/能源接纳工艺,有条件的可一步到位实施污水处理碳中和工艺并运行。
 
  如何对接碳中和的污水处理3.0?上帝的归上帝,凯撒的归凯撒。政府与企业都要就污水处理碳中和做好各自相应的事情,确定界限并协同推进。目前可以起步的事情:
 
  重新界说基于流域系统的水情况目标:
 
  应该进一步反思此前基于污染源控制的水情况掩护战略,近年来,各地政府一而再,再而三地把目标盯在污水处理厂,希望用不绝提高的污水处理标准来实现水情况目标,甚至一些地方在环评中将污水处理标准定在地表水三类水质标准。已有的LCA研究标明,越高的污水排放标准,具有越大的生态情况负效应,实现碳中和的目标越难。流域水情况掩护目标的实现需要就流域系统考虑,既要做污染负荷的减量,又要做生态容量的增量。污水排放标准的制定与修订要考虑碳源转向能源化、资源化途径后对后续脱氮工艺的影响,高排放标准与碳中和运行的实现目标矛盾,“鱼和熊掌不可兼得”,不实事求是地界说污水处理标准,中国污水处理实现碳中和很难。应该把投资和管控重点放到通过海绵都会实现源头减污,通过CSO进行初雨调蓄,通过管网革新、雨污分流实现应收尽收等历史遗留问题的解决上。
 
  提高污水进水有机负荷。关于我国污水处理碳中和而言,要做好的一个重要基础事情就管网系统完善,通过甲烷(CH4)热电联产(CHP)可以获得一定量有机物能源,这是污水处理碳中和的一个重点,污泥厌氧消化获取的有性能量与进水有机物负荷有关,但我国市政污水碳源普遍低下,能量衡算标明,进水COD为400mg/L,在完成脱氮除磷碳源使用后爆发的剩余污泥,经厌氧消化+热电联产最多也只能爆发0.20kW·h/m3电当量。若污水处理能耗为0.40kW·h/m3,这意味着距碳中和目标另有50%能量赤字,只有当进水COD为800mg/L时方能勉强满足0.40kW·h/m3碳中和需要。目前,我国大大都污水处理厂进水COD为200—300mg/L,须进一步完善管网建设,革新升级管网运营治理模式,增强漏损点勘测、整治和潜在漏损危害的预防,提高进水COD浓度,提供有效碳源,作为污水碳中和的基础事情。
 
  改变污水厂的考核标准和模式:
 
  正如张悦司长多次强调,我国的水污染问题在水里,根子在岸上。造成我国水情况污染的主要原因之一在于雨污混接,雨季溢流。鉴于我国污水厂进水浓度普遍偏低,如果进一步提升不但将涉及现行化粪池设计规范的修改,还需要对管网、CSO等设施进行大宗的投资,远水难解近渴的情况下,建议适时修订《城镇污水处理厂污染物排放标准》,将城镇污水处理厂出水考核及格率与“削减污染物总量“相结合,勉励污水厂以生态情况优先,充分利用其污染物设计负荷余量,处理雨季的溢流污水。对超负荷运行的污水厂设置及格率考核,而非现行的超标处分原则。在污水付费体制上,探索凭据污染物削减总量付费的模式,并将全历程碳减排纳入考核指标。
 
  精细化污水处理治理,充分挖掘和利用污水热能:
 
  因地制宜积极接纳种种步伐对污水处理厂进行精细化治理,实现能耗、物耗节流,这也是绿色低碳生长的重要组成部分。一方面是不绝优化运行参数,优化设备、设施运行状态,同时建立基于DO反响的精确曝气控制(虽然差别处理工艺能耗差别,但曝气系统总体能耗占比最大,因此,污水处理厂节能降耗要害点在升级革新曝气系统。),在包管出水达标的前提下,按需提供微生物所需的溶解氧,抵达供需平衡,制止曝气能耗的浪费。另一方面,在包管出水水质达标的前题下,政府治理部分应该充许运行企业自主调解运行流程、运行参数,不要一味生硬地凭据环评的工艺流程和运行历程参数来督察与考核,制止污水处理系统不须要的能耗与物耗浪费。
 
  勉励污水厂充分利用太阳能、水源热泵等技术,减少电能的消耗,实现能源自给。研究标明,水源热泵能有效地将污水中的热能转化为污水处理厂和邻近建筑物的热能,当1m3的出水冷却1℃时,可提供0.26kWh/m3℃的净电当量。
 
  分条理开展LCA评价:
 
  目前,针对污水处理系统的评价是以住房建设部分、情况掩护部分对污水处理事情考核为焦点的评估,重点仅在污水处理历程中的情况绩效、运行规范等污水处理的单因素评价。但随着对污水处理与社会可连续性的考量,需就污水处理进行多角度、全方位的综合考虑,对污水处理系统的可连续生长性进行越发全面的评价是污水处理行业评价的升级。基于 LCA 的综合评价要领,是一种国际上普遍认同的、用于评价产品或效劳相关的情况因素及其整个生命周期情况影响的工具。生命周期评价通过综合污水处理系统中的物耗、能耗、污染物排放等因素,将结果统一量化为资源消耗、情况变革、毒性等影响指标,也可进行加权获得综合指标。由于生命周期评价考虑的是污水处理系统的整个生命周期,不但仅局限于某个阶段,故能够全面的评价该系统的总情况影响、社会可连续性、企业可连续性,有利于实现污水处理的系统治理。在污水处理系统开展LCA评价,我国已有许多研究与案例,面对低碳时代要求,需进行相应的评价标准、基准、方规则范,由学术领域走向行政治理与行业自审制度设置。就污水处理系统而言,需分条理、以差别的界限开展LCA评价:一是污水处理厂(WWTPs)界限,在污水处理企业建立评价清单,确定评价指数,按期开展LCA评价,以此评价作为政府、利益相关方对污水处理行业考核的依据,情况绩效考核不可是污水达标情况,还需考核温室气体GHG排放;二是扩大污水处理 LCA 剖析的系统界限,不再仅仅局限于污水处理厂,而是包括了整个都会水/废水系统,即从污水处理计划、建设,污水收集、管网、处理、回用、排放等全历程建立LCA评价体系,作为上级政府与部分对下级都会政府污水处理系统考核与评价的依据。LCA 评价可以越发客观揭示污水处理的“大气-水-土地”相互联动的生态事实,综合考虑污水厂生产历程中二氧化碳、一氧化二氮、甲烷等温室气体的排放核算,将古板污水处理为“污染转嫁”历程的问题定量展现,制止一味靠“提标”,为仅抵达简单改善水情况的目而转移生态情况问题,从而选择综合计划来实现最小化总生态情况影响,如在磷接纳决策上,是否进行磷接纳?是单独从湿污泥中以鸟粪石工艺接纳,照旧让污泥燃烧,从燃烧的干灰中接纳?都应放在LCA的层面,寻找最优决策。
 
  建立污水处理GHG清单:
 
  关于污水处理碳中和事情,有一项基础的事情就是建立污水处理企业GHG清单。就污水和污泥处理(包括运输历程)历程中的直接排放,如出水中的污染物,CO2,CH4,NOx,SO2 等;以及投入的能源和物料(包括建设历程)在其生产历程中所造成的间接情况排放建立污水处理企业GHG清单,初始清单作为碳中和的初始情景或基线。2006 年 IPCC 宣布了《2006 国家温室气体清单指南》,可凭据其中的要领学,就GHG排放清单的项目与因子基于运动数据和排放系数来进行盘算,因此也称为排放系数法。如果是依据国家统计资料制定排放清单的话,则接纳“自上而下”的要领;如以技术流程为基础,需对污水处理GHG排放的工艺特征、规模特征和区域特点进行细化评估,需区别“生源碳“与”化石碳“核算,可“自下而上”核算评估。
 
  探索污泥共消化:
 
  污泥共消化发挥了基质间的协同作用,提高了底物的降解速率和降解水平,使能源转化效率显著提高。如果有条件可将厨余垃圾、绿化草木残体、果蔬垃圾等有机放弃物与剩余污泥一并共消化,这不可是污水处理碳中和的途径,并且也为综合处理都会市政有机固体放弃物开辟一条可连续生长之路。建议尽快建立污水处理厂污染物去除协同控制温室气体核算的标准体系。
 
  政策引导,勉励资源型、能源型污水厂的建设:
 
  由于低碳污水厂技术危害大、投资本钱高,建议从国家层面制定污水处理厂碳减排赔偿和能源工厂补贴机制,通过政策加经济的手段,引导和推动更多有立异性的企业加入到碳中和污水厂的建设和运营中来;
 
  改变污水本钱订价监审步伐和增值税治理步伐,将节能降耗增加的本钱纳入监审本钱,由此爆发的利润全额奖励给污水厂;
 
  同时,进一步降低污水回用的门槛,通过水资源配给机制和回用水收费机制弥补水资源的缺乏;
 
  加大碳交易机构的建设和标准建设,勉励通过GHG减排交易实现工业投入的回报机制。
 
  通过绿色信贷、绿色债券、绿色股票指数和相关产品、绿色生长基金、绿色包管、碳金融等金融工具和相关政策支持绿色污水厂转型。
 
  综上所述,污水处理行业实现碳中和是一项恒久的系统性工程。就系统而言,需要政府相关部分和企业全面升级治理运营思想与模式,需要从多维度与多条理进行顶层计划、系统设计和统筹安排。这不可是整个行业技术和理念的更新,并且是整个都会物质流认知的革命。
 
  这将是一个漫长和曲折的历程。但让人欣慰的是,集结号已经吹起,我们有理由相信,政策驱动的制度优势将再现神绩,中国污水处理行业将很快为碳中和战略做出积极孝敬。
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