2020年9月22日，國家主席習近平在第75屆聯合國大會一般性辯論上發表重要講話強調，“中國將提高國家自主貢獻力度，采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力爭于2030年前達到峰值，努力爭取2060年前實現碳中和。“雙碳”目標的提出，為各行各業下一階段的發展提出了新的要求，2021年6月，生態環境部發布《中國應對氣候變化的政策與行動2020年度報告》，環境產業正在醞釀著一場百年未有之大變局。未來5-10年，產業將走向何方，且看專家們的分析論斷。本期我們推出中國工程院院士、南京大學環境學院院長、南京大學宜興環保研究院院長、江蘇省水污染防治設備產業強鏈專班首席專家任洪強在第二屆揚子江生態文明國際論壇暨江蘇省水污染防治設備產業強鏈發展峰會上的精彩報告，與大家分享。

 

1 污水處理碳排放不容忽視，占總體量2%-5%

 

“十一五”以來，我國污水處理步入高速發展狀態，污水處理設施和污水處理能力急速增長。根據官方統計，我國污水處理廠數量已由2010年的2496座增長為2020年的5626座，污水處理能力也由2010年的1.2億立方米/天增長到2020年的2.2億立方米/天。與此同時，污水處理行業碳排放問題引起關注。據有關統計，我國污水處理的碳排放為18.7萬噸 co？e/d，約占全社會碳排放總量的2%~5%，屬于典型的能源密集型高耗能行業。

 

2 國內外污水處理廠低碳創新實踐

 

（1）發達國家：污水廠向新生水源廠、有機肥廠、能源輸出廠轉變

 

縱觀國際，諸如美國、加拿大、丹麥、英國、荷蘭、新加坡、德國、日本等發達國家，都是水處理行業創新比較活躍的代表，在碳中和體系下，這些國家圍繞相關的規劃、技術布局與創新、未來發展導向等做了大量工作。可以看出，很多典型的污水廠已經在向新生水源廠、有機肥廠、能源輸出工廠轉變。以荷蘭為例，其針對城鎮生活和工業廢水，建立了面向未來的污水處理資源/能源利用模式。

以下是國外相關污水處理廠通過能源利用或相關技術革新實現碳中和的代表案例。可看出，一些污水處理廠已實現100%能量自給，達到碳中和。

（2）中國：污水處理概念廠實踐

 

2013年，曲久輝、王凱軍、王洪臣、余剛、柯兵、俞漢青6位環境領域著名專家，共同發起成立中國污水處理概念廠專家委員會，提出“建設面向未來的中國污水處理概念廠”這一命題，并于2014年1月在《中國環境報》發表署名文章，正式向社會宣告，希望以此融通各方智慧和共識、啟迪創新和創造，引領中國污水處理事業的升級發展。其中，初步提出概念廠的四個追求：水質永續、能源自給、資源循環、環境友好。

 

幾年過去，當初的設想已經付諸實踐。其中，河南睢縣第三污水處理廠被認為是中國污水處理概念廠的1.0版本。該廠踐行污水處理概念廠的四個追求，開展水-肥-氣綜合利用，能量自給率達到35%，相比我國傳統污水廠，已經取得較大突破。目前，江蘇省宜興市正在興建概念廠2.0版本，預期能量自給率可達到85%。

可以說，國家戰略需求與目標、水處理技術發展，以及國內外的相關實踐探索，為未來廢水處理工程實現碳中和提供了強勁的動力，奠定了扎實的基礎。

 

3 污水處理廠邁向碳中和的路徑創新

 

從污水處理體系來講，邁向碳中和，目前主要通過以下幾個途徑：

 

節能（10%~20%）：主要針對好氧處理環節，采用高效曝氣、節能型發動機、風機和泵等，實現節能；可再生能源利用（5%~10%）：利用污水廠的設施，有效利用風能、光電、太陽熱能、地熱能等；污水中的能源回收（2%~10%）：主要是碳捕獲，包括化學能、水力渦輪機、蒸汽泵、污水熱交換器等；污泥處理產能（40%~80%）：主要是污泥厭氧消化產能。

 

在具體實現上，則需要從工藝、技術、裝備、產業和標準各方面通盤考慮。

 

（1）工藝

 

要把污水處理廠的碳排放強度由當前的0.86 kgco？e/m3降為0，在工藝上，就需從常規的三級處理向每一環節強化碳捕獲與利用轉變。其中關鍵技術創新在于“能源供給+碳源捕獲+深度脫氮+污泥厭氧消化”。

（2）技術

 

圍繞工藝的轉變，污水處理技術要從“以能消能”到能量平衡、“碳中和”轉變。其中，脫碳體系要重點關注a-b法和整體營養物回收，這是主流工藝的未來；脫氮方面，主要聚焦自養脫氮技術；此外，污泥處理，從傳統的脫水-填埋到碳化、能源化轉變，在碳中和形勢下會有巨大潛力。

（3）裝備

 

裝備是實施污水處理技術工藝實現的載體。污水處理廠從最前端的格柵到后面主體工藝的各種反應器，到污泥處理設備，包括整個流程智能控制的儀器儀表，都是實現碳中和不可忽視的內容。未來裝備的發展趨勢必然是從“非標化”逐步邁向“標準化”、“智能化”。

（4）產業

 

基于以上，水污染防治產業的未來必將邁向裝備制造、電子信息、電力輸配、農業循環等多行業、多領域的協同創新，并推動產業從制造業進一步向服務業轉型。

 

（5）標準

 

低碳發展，標準先行。碳中和驅動下的整個水處理行業，其標準體系都將發生巨大的變化，需要重新梳理和構建包括低碳水處理技術、裝備、材料、評估、工程管理的全鏈條的新標準體系。

4 當前我國污水處理廠邁向碳中和的現實問題

 

問題1——水質問題：我國污水、污泥特征不利于資源化

 

我國污水處理廠進水cod普遍較低，工業廢水占比高，帶來碳資源化難和有毒物質抑制致微生物活性低的問題。此外，我國污泥有機質含量低、含沙量高，不利于實現資源化。

 

問題2——工藝問題：高水質標準目標難以實現低碳/負碳處理

 

我國污水處理出水水質標準不斷提高，傳統工藝在實現達標排放的同時，往往帶來了更高的碳排放量，所以要實現低碳、零碳甚至負碳處理，需要對處理工藝進行重新梳理、評估和變革。

問題3——建造問題：高固定資產投入限制了低碳工藝推廣

 

從常規工藝升級為低碳工藝，往往伴隨較高的成本投入。如僅生化單元的精準儀表及控制系統，投資費用就達100~150萬歐元；污泥熱水解和多元基質協同共消化系統中，熱水解的投資約需30~45萬元/噸。一定程度上會限制低碳工藝在現有污水處理廠的推廣。

 

問題4——政策問題：行業管理壁壘阻礙了產業模式創新與運行

 

如前所述，污泥能源化是污水廠實現碳中和的關鍵，國外像瑞士、德國等一些污水處理廠通過污泥與餐廚垃圾等協同處理，實現100%能量自給。而國內污水處理廠獲取餐廚垃圾的途徑受限，而且污泥作為農用有機肥的路徑一直未能打通，此外，還有污水/泥資源化經濟效益差、配套政策及設施不健全等一系列問題，亟待破題。

 

5 碳中和目標下，水處理產業將走向何方？

 

我國在水處理科技方面歷經了幾十年的學習積累、模仿集成、開發創新與突破顛覆，推動產業從最初單一的水處理逐步發展到水資源+水環境+水生態全覆蓋，在一些領域，我國已經達到并跑甚至領跑的水平。在碳中和目標體系下，我國水處理的未來一定能夠實現由廢物處理向資源和能源回收的根本轉變。同時，我們的創新要實現由政策驅動向自覺與自發創新的根本轉變。具體來講，可以從以下方面發力：

 

（1）“內外合力”提高污水與污泥能源化潛力

 

內力重點要完善污水管網系統，解決污水收集問題，減少工業廢水含量，提高污水廠進水cod；通過“源頭截沙+末端提質”，協同提升污泥產氫、產甲烷性能；外力則是要實現從“以能消能”到“碳源捕獲”的技術轉型，通過優選“高效低耗”污泥處置與資源化方法，淘汰落后技術。這就需要進行技術革新，進而提升整個產業的創新能力和水平。

 

（2）開展污水處理低碳技術、材料與裝備創新

 

大力開展污水處理低碳技術、材料、裝備的研發和創新，具體包括高效厭氧、污水熱泵、光/熱/電/氣耦合、熱水解、共消化、高效生物轉化、多能協同利用等關鍵技術，不斷強化污水/泥資源化和能源化對碳中和的貢獻。

 

（3）夯實產業變革的政策配套與基礎設施支撐

 

要從政策配套和基礎設施建設兩方面為產業革新提供支撐。如提高清潔能源應用比例、推動全生命周期評價、出臺污泥農用等支持政策、完善資源化財政補貼體系等配套政策，以及提升污水管網收集效率、建設低碳污水處理設施、推進污泥產電并網設施建設、布局清潔能源協同處理基礎設施建設等。

 

污水處理碳中和目標體系下，水污染防治產業發展迎來新一輪發展機遇和挑戰，前途漫漫，任重道遠，各級政府、相關行業、相關部門、全產業鏈需要協同發力，才能推動碳中和目標下新的水污染防治產業鏈的優化升級。

 

來源：中國水星網

 

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