污水廠實(shí)現(xiàn)“碳中和”的途徑分析
來源：惟創(chuàng)環(huán)境作者：楊智姬
一、“碳中和”是右邊等于（大于）左邊
自從國家碳中和戰(zhàn)略提上日程，各行各業(yè)都在探討如何實(shí)現(xiàn)碳中和，作為環(huán)境治理行業(yè)排頭兵的污水處理更是不例外。
然而，不看不知道，原來好多國家在邁向碳中和的路上已經(jīng)走得好前好遠(yuǎn)，丹麥State Of Green還出了一份白皮書：《像丹麥那樣思考，解鎖污水的潛能》，介紹丹麥污水處理廠實(shí)現(xiàn)能量盈余的經(jīng)驗(yàn)。
人家說，可怕的是比你優(yōu)秀的人還比你努力。面對(duì)污水界學(xué)霸級(jí)的，比如丹麥，作為一慣享有“中國速度”美譽(yù)的咱們，相信一定能小步快跑，迎頭趕上。
討論碳中和，先得弄清楚什么是碳中和。
所謂碳中和（Carbon neutrality），是指組織或個(gè)人在一定時(shí)間內(nèi)直接或間接產(chǎn)生的二氧化碳，通過植樹造林、節(jié)能減排等方式全部抵銷，實(shí)現(xiàn)碳的凈“零排放”。
那么污水處理廠要抵銷的碳排放包括哪些呢？
首先是能耗，即用電。從能量轉(zhuǎn)化的角度來說，傳統(tǒng)污水處理模式本質(zhì)是以能耗換水質(zhì)。我們使用大量電能以去除污水中的污染物，間接產(chǎn)生大量二氧化碳排放。其次是污水處理需要消耗大量燃料和藥劑，間接排放大量溫室氣體。另外，好氧段需要曝氣，活性污泥吸收氧氣并釋放二氧化碳，同時(shí)，工作人員呼吸也會(huì)釋放二氧化碳。
當(dāng)然，能耗是大頭。如果污水廠使用的電能不是來自于燃煤發(fā)電（2020年仍占我國總發(fā)電量的60.8%），而是水電、風(fēng)電、光伏、核能等清潔能源，或者自產(chǎn)再生能源，碳中和就基本實(shí)現(xiàn)了。至于處理過程中其他碳排放，那都不是大事，栽點(diǎn)樹種點(diǎn)草，搞搞綠化中和一下也差不多了。
所以，污水處理廠最易達(dá)成的碳中和途徑是什么？一個(gè)字：等！等到國家把所有燃煤電廠都替代了，就坐著順風(fēng)車哼著歌愉快的實(shí)現(xiàn)了。
2021年1月1日起，全國碳市場(chǎng)首個(gè)履約周期（截止到今年12月31日）正式啟動(dòng)，涉及2225家發(fā)電行業(yè)的重點(diǎn)排放單位。這是我國第一次從國家層面將二氧化碳控排責(zé)任壓實(shí)到企業(yè)，通過市場(chǎng)倒逼機(jī)制，促進(jìn)產(chǎn)業(yè)技術(shù)升級(jí)。（啥時(shí)候會(huì)跟咱們污水處理行業(yè)簽履約周期不？圖片）
看來，“等”字訣曙光在望�。�
但是，咱們環(huán)境產(chǎn)業(yè)的排頭兵是靠等的嗎？Of course no!
要中和，我們首先得搞清楚處理污水消耗的能量（左邊）與污水中含有的能回收的能量（右邊）之間的等式關(guān)系。然后想辦法把右邊搞得多多的，把左邊搞得少少的，就能實(shí)現(xiàn)中和甚至盈余了。
據(jù)測(cè)算，污水中所含能量是污水處理本身所消耗能量的9-10倍之多。通過優(yōu)化污水處理工藝，回收有機(jī)物能量，利用熱電聯(lián)產(chǎn)發(fā)電實(shí)現(xiàn)碳中和，理論上是可行的。
不過這個(gè)基本是國外的數(shù)據(jù)，我國城市污水處理廠進(jìn)水COD濃度偏低，只有歐美國家的40%-70%。國內(nèi)首座“未來再生水廠”—北京市東壩再生水廠經(jīng)測(cè)算，處理1噸污水回收的能量是其消耗的能量的4倍。但這也是在北方，南方進(jìn)水的能量值更低，一般只能達(dá)到2倍左右。
不過，既然能量守恒定律擺在那里，我們本著“把右邊搞得多多的，左邊搞得少少的”的原則，辦法總是比問題多很多。
二、如何把右邊搞得多多的？
1、改善管網(wǎng)輸送體系
在城市污水處理系統(tǒng)中，污水的收集和輸送涉及大規(guī)模管網(wǎng)鋪設(shè)和長(zhǎng)距離輸送，管網(wǎng)漏損、堵塞、覆蓋率不高是造成我國污水進(jìn)水碳源不高的主要原因。
提高排水管網(wǎng)輸水性能和覆蓋率，實(shí)現(xiàn)污水100%收集，同時(shí)進(jìn)行雨污分流改造，提高污水處理廠進(jìn)水碳氮比，如此就能解決碳源不足問題，有效提高污水處理廠有機(jī)質(zhì)到甲烷的轉(zhuǎn)化率，把污水處理廠變成發(fā)電廠，從根本上解決能耗問題。
2、外部碳源協(xié)同處理
廠內(nèi)不足外源補(bǔ)。外源協(xié)同消化是很多國家污水廠實(shí)現(xiàn)能量自給所采取的方式。
美國希博伊根污水處理廠利用高濃度食品廢物與污泥共同厭氧消化，產(chǎn)生的甲烷進(jìn)行熱電聯(lián)產(chǎn)，同時(shí)采取節(jié)能措施，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)電量與耗電量比值達(dá)90%~115%。
荷蘭實(shí)現(xiàn)碳中和的策略是將污水處理廠改造或新建成能量工廠（NEWs），使污水處理廠與居民生活、工廠、資源回收、農(nóng)業(yè)及大自然聯(lián)結(jié)成一個(gè)整體，達(dá)到一種區(qū)域循環(huán)共生的狀態(tài)。
荷蘭最大的污水處理廠之一，阿姆斯特丹西污水廠（WWTP Amsterdam West）通過傳統(tǒng)的污泥厭氧消化系統(tǒng)年產(chǎn)沼氣約1200萬立方米，共用給隔壁的廢物焚燒廠。污水廠的污泥也在此焚燒處理。焚燒廠的熱值利用率高達(dá)90%。除了處理污水廠的污泥，焚燒廠還為污水廠供應(yīng)電力和熱水。此外，還有剩余的電力和余熱并入阿姆斯特丹的綠色電網(wǎng)和供暖系統(tǒng)�？胺Q協(xié)同處理實(shí)現(xiàn)能量自給并盈余的典范。
我國睢縣、江蘇宜興城市水資源概念廠、北京東壩再生水廠、湖南先導(dǎo)洋湖再生水廠等均有此類嘗試，這些項(xiàng)目將為中國污水處理行業(yè)綠色低碳發(fā)展和產(chǎn)業(yè)升級(jí)帶來深遠(yuǎn)影響。
惟創(chuàng)環(huán)境定位于“區(qū)域環(huán)境綜合治理服務(wù)商”，就是希望打通環(huán)境治理的“最后一公里”，進(jìn)行區(qū)域綜合規(guī)劃，將環(huán)境治理設(shè)施打造成城市人居環(huán)境中最漂亮的地方，同時(shí)將污水、固廢、氣體等結(jié)合起來協(xié)同處理，實(shí)現(xiàn)區(qū)域綜合循環(huán)，從而實(shí)現(xiàn)整體碳中和。
3、優(yōu)化工藝，提升能量回收能力
在污水處理碳中和的路上，丹麥可算領(lǐng)頭羊。Aarhus是丹麥的第二大城市，而Marselisborg是當(dāng)?shù)刈畲蟮奈鬯畯S。該廠在2016年名聲大噪，原因是它宣布無需協(xié)同消化，僅用污水自身蘊(yùn)含的能量就實(shí)現(xiàn)了能量盈余。
為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，Marselisborg的運(yùn)營公司Aarhus水務(wù)從2006年就開始升級(jí)轉(zhuǎn)型，他們將當(dāng)?shù)?4座污水處理廠合并為兩座，即Marselisborg污水廠和十幾公里外的另一座污水廠，以提高處理效率。并花了170萬歐元購入兩臺(tái)250kW和一臺(tái)355kW的熱電聯(lián)產(chǎn)電機(jī)，實(shí)現(xiàn)年產(chǎn)電量達(dá)4.8GWh。同時(shí)，通過一系列節(jié)能降耗措施，使污水廠年電耗從4.2GWh降至3.15GWh，降幅達(dá)25%。這意味著廠區(qū)的發(fā)電量比電耗多出1.65GWh，盈余達(dá)53%。這些多余的電能賣給國家電網(wǎng)，此外還有2.5GW的熱能直接用于地區(qū)供熱。
奧登塞（Odense）是丹麥第三大城市，該城最大的Ejby Mølle污水廠早在2013年就聲稱實(shí)現(xiàn)能量100%自給。2018年，他們甚至宣布：污水廠的能耗盈余率高達(dá)88%！
如此驚人的能量回收率是因?yàn)樗麄儤O力改善污泥消化工藝。例如：他們使用延時(shí)消化的 Torpey工藝，將出泥固液分離后再回流到消化池，以此減少消化池中的水量，提高生物質(zhì)濃度，SRT延長(zhǎng)約10%，以提高消化池性能。另外，他們更換了柵渣沖洗壓榨機(jī)(Screening washing press)，以便更好地將格柵截留的碳源導(dǎo)流到消化池。2020年，他們還對(duì)氯化鐵添加至污泥脫水工藝的效果進(jìn)行測(cè)試，目的是減少殘留污泥量和鳥糞石的沉淀。此外，他們也在初沉池對(duì)新的聚合物進(jìn)行測(cè)試。
總之，他們想盡各種辦法將進(jìn)水中的碳送入消化池，力爭(zhēng)不漏掉一丁點(diǎn)兒。
而在國內(nèi)的污泥處置領(lǐng)域，小紅門和高碑店污泥處理中心成功運(yùn)行，污泥產(chǎn)氣率超出預(yù)期目標(biāo)，除滿足熱水解能量平衡的需要外，還有余量。這充分表明，污泥高級(jí)厭氧消化技術(shù)已經(jīng)比較可靠、穩(wěn)定，既為國內(nèi)污泥處理探索出新思路，同時(shí)也為實(shí)現(xiàn)碳中和提供有力支撐。
4、自產(chǎn)清潔能源“加菜”
“加菜”是指通過太陽能光伏發(fā)電等做法提供一定的能源補(bǔ)給。
哥本哈根三大污水處理廠之一的Damhusåen污水廠，通過安裝光伏太陽能板覆蓋了廠區(qū)9%的電耗。荷蘭Rivierenland水委會(huì)也在污水廠旁建造光伏太陽能公園。
不過，這些措施看起來難以實(shí)現(xiàn)100%補(bǔ)給，只能做為“加菜”補(bǔ)充。
三、如何把左邊搞得少少的？
1、采用能耗更低的污水工藝
目前，污水界主要的低能耗生物工藝包括厭氧氨氧化工藝、好氧顆粒污泥工藝等。當(dāng)然，還有咱們的VFL垂直流迷宮技術(shù)，也屬于低能耗工藝?yán)矆D片。
丹麥的Marselisborg污水廠于2014年引進(jìn)了側(cè)流厭氧氨氧化工藝，每年能節(jié)省約8萬歐的污水稅（相當(dāng)于排污費(fèi)）和50000kWh的電耗。
荷蘭的污水處理廠則多采用好氧顆粒污泥工藝降低能耗。雖然《NEWs：荷蘭2030年污水廠路線圖》的報(bào)告里，專家們推薦A-B工藝，但各地水委會(huì)并沒有一窩蜂地采納。事實(shí)上，在過去十年里，好氧顆粒污泥有后來者居上的勢(shì)頭。
2011年，荷蘭第一座好氧顆粒污泥污水廠在Epe污水廠投產(chǎn)使用。采用新工藝后，該污水廠立即成為荷蘭能耗最低的市政污水廠。
荷蘭北部格羅寧根市的Garmerwolde污水廠于2013年引進(jìn)好氧顆粒污泥，不但占地面積遠(yuǎn)小于原來A-B工藝，能耗也由原來的0.33kWh/m³降至0.17 kWh/m³。此外好氧顆粒污泥在脫氮除磷以及污泥產(chǎn)量等方面都有顯著優(yōu)勢(shì)。
咱們VFL工藝的垂直流迷宮格形成的高徑比、間歇式曝氣及多點(diǎn)氣提回流系統(tǒng)正是有利于顆粒污泥的大量形成，相當(dāng)于一個(gè)強(qiáng)化的好氧顆粒污泥法�？磥�，VFL工藝不但是污水廠提質(zhì)增效的優(yōu)良選擇，在碳中和升級(jí)轉(zhuǎn)型中也將大有用途啊圖片。
2、改造升級(jí)曝氣系統(tǒng)
有數(shù)據(jù)表明，我國污水處理廠噸水電耗一般在0.15～0.28kWh范圍。其中，曝氣鼓風(fēng)機(jī)電耗所占比例為56.2%。雖然不同處理工藝能耗有所不同，但曝氣系統(tǒng)總體能耗占比最大是事實(shí)。因此，污水處理廠節(jié)能降耗關(guān)鍵點(diǎn)在升級(jí)改造曝氣系統(tǒng)。
曝氣系統(tǒng)主要是提供微生物所需的溶解氧，因此節(jié)能的核心是精準(zhǔn)掌控微生物的活動(dòng)過程，防止過度曝氣，也要防止曝氣不足。這就對(duì)系統(tǒng)的智能化、數(shù)字化控制提出很高的要求。
咱們VFL工藝正是通過ORP控制實(shí)施間歇式精準(zhǔn)曝氣，使噸水電耗較傳統(tǒng)工藝大幅降低。
另外，曝氣的方式也在很大程度上影響能耗。丹麥哥本哈根的BIOFOS水務(wù)將其管理的污水廠由表面曝氣升級(jí)為微孔曝氣，使曝氣能耗降低約57%。
3、優(yōu)化原料投入環(huán)節(jié)
污水處理工藝多種多樣，但本質(zhì)是通過生化反應(yīng)來去除水中污染物。因此，在處理環(huán)節(jié)需要投加碳源和多種化學(xué)藥劑。這些原材料在生產(chǎn)和運(yùn)輸過程中消耗能源，在投加過程中也消耗一定能源。因此，優(yōu)化投料環(huán)節(jié)，有助于節(jié)能降耗減少碳排放。
如何優(yōu)化原料投入環(huán)節(jié)呢？目前，市場(chǎng)上主要是對(duì)加藥系統(tǒng)進(jìn)行配置升級(jí)。由常用的變頻計(jì)量泵升級(jí)為數(shù)字泵，加藥量有不同程度減少。另外，運(yùn)用AI技術(shù)對(duì)污水水量、水質(zhì)等參數(shù)和加藥系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù)等進(jìn)行大數(shù)據(jù)分析，形成最優(yōu)算法模型，從而實(shí)現(xiàn)加藥系統(tǒng)精細(xì)化控制，也能有效降低藥品消耗以及設(shè)備運(yùn)行能耗。
北京市東壩再生水廠采用超磁工藝實(shí)現(xiàn)磷回收和碳源回用，基本省去了藥劑費(fèi)用。中國城市污水處理概念廠專家委員會(huì)王洪臣教授說：“物理技術(shù)尤其是各種清潔分離技術(shù)，在未來的污水處理中有可能發(fā)揮更大的作用，而不再只是預(yù)處理角色”�？磥碛行┑览�。
咱們VFL技術(shù)也僅在必要時(shí)或在特定情況下才使用后清潔化學(xué)品，能有效降低藥品消耗。應(yīng)該不管是在現(xiàn)下的提質(zhì)增效時(shí)代，還是在未來的碳中和時(shí)代，均有很好的用武之地。
3、其他設(shè)備節(jié)能降耗
有數(shù)據(jù)表明，排水泵站也是耗能大戶，占城市水務(wù)總能耗的35%。因此，對(duì)排水泵站進(jìn)行升級(jí)改造，或采用智能化運(yùn)營模式，能有效降低能耗。
總之，污水處理的節(jié)能降耗需要進(jìn)行系統(tǒng)性的思考和優(yōu)化，才能取得良好效果。丹麥的Marselisborg污水廠通過SCADA系統(tǒng)（數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制系統(tǒng)）對(duì)氨氮、磷濃度進(jìn)行監(jiān)控，并對(duì)鼓風(fēng)機(jī)、提升泵、攪拌設(shè)備和脫水泵實(shí)施變頻器控制，靈活適應(yīng)每日變化的進(jìn)水負(fù)荷，從而大幅降低了電耗。還通過使用能效更高的污泥脫水離心機(jī)使每年電耗節(jié)省50000kWh。各項(xiàng)措施的綜合使用，使該電廠總電耗降低25%。節(jié)流與開源雙管齊下，是該廠實(shí)現(xiàn)能量盈余的法寶。
四、碳中和是一項(xiàng)系統(tǒng)性的長(zhǎng)期工程
總的來說，其一，污水處理行業(yè)實(shí)現(xiàn)碳中和是一項(xiàng)系統(tǒng)性工程。
從前沿國家的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)來看，實(shí)現(xiàn)碳中和甚至能量盈余均非某個(gè)單點(diǎn)的突破，甚至不是依靠前沿性的工藝技術(shù)，而是要全流程進(jìn)行系統(tǒng)優(yōu)化。
像丹麥的Marselisborg污水廠和Ejby Mølle污水廠，無不是通過一系列升級(jí)改造，從工藝和設(shè)備選擇等各方面挖掘潛能，提高能量回收效率，降低能耗，很難說是哪個(gè)單項(xiàng)的技術(shù)突破所帶來的成果。
Marselisborg污水廠引進(jìn)側(cè)流厭氧氨氧化后年電耗降低50000kWh，只相當(dāng)于其總盈余1.65GWh的一個(gè)零頭尾數(shù)。
這也說明，碳中和不是不可跨越的鴻溝，而是需要我們改變以往粗放型考慮問題的方式，系統(tǒng)設(shè)計(jì)，深入細(xì)節(jié)，一定會(huì)有很好的成果。
其二，實(shí)現(xiàn)碳中和是一項(xiàng)長(zhǎng)期持續(xù)的工程。
為了實(shí)現(xiàn)污水廠的能量自給，Aarhus水務(wù)努力了10年，從2006年開始對(duì)旗下的14座污水廠進(jìn)行合并，至2016年宣布其管理的Marselisborg污水廠實(shí)現(xiàn)能量自給并盈余53%。目前Aarhus水務(wù)仍在探索，他們?cè)诠芾淼牧硪粋�(gè)廠--Egaa污水廠測(cè)試碳捕獲、主流厭氧氨氧化和ORC廢氣能量回收等工藝。讓人想起一個(gè)公司的Slogan：為環(huán)境，無止境。
因此，實(shí)現(xiàn)碳中和不是等待前沿的技術(shù)出現(xiàn)，也不是單靠研發(fā)突破，而是公司的各部門、各職能共同努力：運(yùn)營廠持續(xù)探索節(jié)能降耗的途徑，制造與供應(yīng)鏈不斷尋找性能更優(yōu)的設(shè)備，技術(shù)部門了解成功的技術(shù)經(jīng)驗(yàn)，產(chǎn)品部門創(chuàng)新業(yè)務(wù)模式等等。
其三，實(shí)現(xiàn)碳中和要跳出污水處理行業(yè)，站在生態(tài)文明建設(shè)、城鄉(xiāng)融合發(fā)展、污水資源化、能量自給、環(huán)境友好等更多層面綜合考量。
這可能不單是整個(gè)行業(yè)技術(shù)和理念的更新，也是整個(gè)社會(huì)思想和認(rèn)知的革命。例如，要實(shí)現(xiàn)碳中和，我們個(gè)人的工作和生活也要逐步低碳化。我們?cè)儐柡系奈鬯畯S，升級(jí)到日處理規(guī)模30萬噸后覆蓋50萬人口當(dāng)量，中國的理論設(shè)計(jì)值是人均每天0.45-0.5m³污水。而荷蘭的阿姆斯特丹西污水廠處理人口當(dāng)量約100萬人。荷蘭北部的Garmerwolde污水廠日處理規(guī)模7萬噸，覆蓋人口當(dāng)量37.5萬，人均每天0.186 m³水。少很多啊，是因?yàn)槲覀兊木用裼盟_實(shí)多些，還是因?yàn)楣芫W(wǎng)與規(guī)劃問題？
另外，從污水廠出水到地表水和居民用水要實(shí)現(xiàn)再生循環(huán)，其間仍有較大的水質(zhì)差別需要解決。現(xiàn)有的污水處理運(yùn)管模式也讓污水廠本身缺乏升級(jí)動(dòng)力等。碳中和下的水環(huán)境治理是一個(gè)多層面整體規(guī)劃、綜合考量、系統(tǒng)性解決問題的過程。
而讓人欣喜的是，碳中和理論上可行，又要這么多成功的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。我們有理由相信，中國污水處理行業(yè)將很快為碳中和戰(zhàn)略做出積極貢獻(xiàn)。
