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2020年9月第七十五屆聯(lián)合國大會(huì )上，習近平主席宣布，我國二氧化碳排放力爭于2030年前達到峰值，努力爭取2060年前實(shí)現碳中和。

此后，歐盟、日本、韓國、加拿大等也相繼公布碳中和目標實(shí)現時(shí)間表，美國也提出重回《巴黎協(xié)定》。

目前，全球重要經(jīng)濟體，占全球GDP75%、占全球碳排放量65%的國家開(kāi)始碳中和。一場(chǎng)波瀾壯闊的全球綠色低碳轉型大潮正在形成。

所謂碳中和（Carbon neutrality）是指企業(yè)、團體或個(gè)人在一定時(shí)間內直接或間接產(chǎn)生的二氧化碳排放總量，通過(guò)植樹(shù)造林、節能減排等形式全部抵銷(xiāo)，實(shí)現“零排放”。

01、碳中和將帶來(lái)哪些改變？

中國當前現狀來(lái)看，發(fā)電和工業(yè)端以及交通部門(mén)是碳排放的主要來(lái)源，農業(yè)、居民、商業(yè)和公共服務(wù)等行業(yè)的碳排放相對較低。

在工業(yè)端，能源加工行業(yè)、鋼鐵行業(yè)以及化學(xué)原料制造業(yè)等相關(guān)高耗能行業(yè)不僅是煤炭消費的重點(diǎn)行業(yè)，也是二氧化碳排放的主要行業(yè)。因此，隨著(zhù)碳中和戰略全面展開(kāi)，未來(lái)40年，中國的能源系統將發(fā)生顛覆性改變。

與此同時(shí)，由于產(chǎn)業(yè)鏈效應，能源系統的變革，必將推動(dòng)國家經(jīng)濟發(fā)生全方位改變。中國能源研究會(huì )常務(wù)理事、國家應對氣候變化戰略研究和國際合作中心研究員李俊峰指出，“碳中和不僅僅只是能源的事，它與產(chǎn)業(yè)鏈等方方面面都有關(guān)系。碳中和目標將深刻影響下一步產(chǎn)業(yè)鏈的重構、重組和新的國際標準?！?/p>

在2030年之前實(shí)現碳達峰，這就要求部分地區和部分行業(yè)率先達峰。根據我國碳達峰、碳中和目標節點(diǎn)，工信部今年將實(shí)施工業(yè)低碳行動(dòng)和綠色制造工程，并制定鋼鐵、水泥等重點(diǎn)行業(yè)碳達峰行動(dòng)方案和路線(xiàn)圖。正在制定的“十四五”規劃也將碳達峰和碳中和作為污染防治攻堅戰的主攻目標。預計今年秋冬將出臺部門(mén)、地方和行業(yè)等的專(zhuān)項規劃。

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任壓實(shí)到企業(yè)，通過(guò)市場(chǎng)倒逼機制，促進(jìn)產(chǎn)業(yè)技術(shù)升級。變革的序幕已悄然拉開(kāi)！

02、污水處理行業(yè)是耗能大戶(hù)  

相比而言，污水處理行業(yè)能耗雖然沒(méi)有發(fā)電、鋼鐵、化工等行業(yè)那么高，但總能耗占比并不小，也屬于能耗大戶(hù)。

據統計，我國2014年污水處理廠(chǎng)電耗占全國總電耗的0.26%，算上工業(yè)廢水處理和污泥處理，所占比例將超過(guò)2%。美國有16000多座污水處理廠(chǎng)，耗電量占全社會(huì )總耗電量的1%。在丹麥，水和廢水的處理流程消耗了25%～40%的市政電力。

另外，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，處理過(guò)程本身也會(huì )直接排放溫室氣體。聯(lián)合國數據顯示，全球污水處理等水處理行業(yè)碳排放量大約占全球碳排放量2%左右。美國2017年能源消耗量中約2% 用于飲用水和污水處理系統，產(chǎn)生約4100萬(wàn)噸溫室氣體。

此外，水泵也是污水處理主要能耗來(lái)源之一。格蘭富集團數據顯示，水泵消耗的能源占所有與水相關(guān)設施能耗的10%。

從能量轉化的角度來(lái)說(shuō)，傳統污水處理模式本質(zhì)是以能耗換水質(zhì)。為了減少水污染，我們使用大量電能，間接產(chǎn)生大量二氧化碳排放，對全球生態(tài)環(huán)境造成負面影響。

因此，為了減少碳排放，降低污水處理能耗和物耗是行業(yè)升級的必然目標。目前，世界上已有多個(gè)國家發(fā)布污水廠(chǎng)碳中和技術(shù)路線(xiàn)圖，美國提出2030年所有污水處理廠(chǎng)都要實(shí)現碳中和。

然而，作為重要的公共事業(yè)，中國污水處理率還沒(méi)達到100%，減少水污染仍然是生態(tài)環(huán)境保護工作的重中之重?？梢灶A見(jiàn)，污水處理行業(yè)短期內尚不具備承擔大規模減排任務(wù)的客觀(guān)條件。

但是，從提升企業(yè)核心競爭力層面來(lái)講，綠色低碳發(fā)展也是必走之路。同時(shí)，作為政策驅動(dòng)的行業(yè)，企業(yè)若能提早開(kāi)啟低碳變革，必將贏(yíng)得更大的主動(dòng)權和更廣闊的發(fā)展空間。

03、如何實(shí)現綠色低碳發(fā)展？

那么，污水處理行業(yè)如何實(shí)現綠色低碳發(fā)展呢？總的來(lái)說(shuō)可以從開(kāi)源和節流兩個(gè)方面考量。梳理國內外先進(jìn)經(jīng)驗，具體可以從以下幾個(gè)方面入手。

1.優(yōu)化工藝回收有機物能量

首先，通過(guò)開(kāi)源實(shí)現能量自給，是從根本上解決綠色低碳發(fā)展問(wèn)題。據測算，污水中所含能量達污水處理本身所消耗能量的9-10倍之多。通過(guò)優(yōu)化污水處理工藝，回收有機物能量，利用沼氣熱聯(lián)發(fā)電，可實(shí)現碳中和。

奧地利Strass污水處理廠(chǎng)持續優(yōu)化改進(jìn)工藝，早在2005年即實(shí)現產(chǎn)能大于能耗（108%能源自給率），現已達到200%能源自給率，超標準實(shí)現碳中和。

美國希博伊根污水處理廠(chǎng)利用高濃度食品廢物與污泥厭氧共消化產(chǎn)生的甲烷進(jìn)行熱電聯(lián)產(chǎn)，同時(shí)采取節能措施，實(shí)現電量與耗電量比值達90%~115%，已逼近碳中和目標。

在污泥處置領(lǐng)域，國內小紅門(mén)、高碑店污泥處理中心成功運行，污泥產(chǎn)氣率超出預期目標，除滿(mǎn)足熱水解能量平衡的需要外，還有余量。這充分表明，污泥高級厭氧消化技術(shù)已經(jīng)比較可靠、穩定，既為國內污泥處理探索出新思路，同時(shí)也為實(shí)現碳中和提供有力支撐。

當然，污水處理工藝優(yōu)化是一個(gè)長(cháng)期的過(guò)程。奧地利strass污水處理廠(chǎng)曾經(jīng)用十多年時(shí)間持續優(yōu)化處理工藝，才達到當前的處理水平。

此外，我國城市污水處理廠(chǎng)進(jìn)水COD濃度偏低，只有歐美國家的40%-70%，造成碳源不足。這就要求必須因地制宜研發(fā)適合中國國情的污水處理工藝。

2.中國的污水處理概念廠(chǎng)實(shí)踐

在深入研究了解國外先進(jìn)污水處理廠(chǎng)理念、工藝、技術(shù)和工程實(shí)踐的同時(shí)，中國學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界也在積極探索新的污水處理模式。

2014年，中國工程院院士曲久輝等6位專(zhuān)家提出“建設面向未來(lái)的中國污水處理概念廠(chǎng)”的構想。2018年，河南水利投資集團和中持水務(wù)公司以概念廠(chǎng)早期版本為藍本，建設了河南商丘睢縣第三污水處理廠(chǎng)。

睢縣項目綜合運用秸稈、畜禽糞便、水草及污泥等多種物料進(jìn)行協(xié)同高干厭氧消化，采用DANAS干式厭氧發(fā)酵技術(shù)，顯著(zhù)提高有機質(zhì)處理效率，實(shí)現物質(zhì)的良性循環(huán)和資源化運營(yíng)。產(chǎn)生的沼氣用于發(fā)電，可滿(mǎn)足廠(chǎng)區20-30%的能耗。

同時(shí)，降低污泥處理難度，污泥處理后產(chǎn)生的有機肥已用于廠(chǎng)區農作物實(shí)驗性種植。該項目得到廣泛認可，也讓當地居民和政府切身感受到創(chuàng )新發(fā)展、綠色發(fā)展的魅力。

如果說(shuō)睢縣項目是1.0版的概念廠(chǎng)，那么2020年4月動(dòng)工的江蘇宜興城市水資源概念廠(chǎng)則是2.0版。該項目是第一個(gè)完整遵循概念廠(chǎng)理念的污水處理廠(chǎng)，除了污染物削減基本功能，還具有城市能源工廠(chǎng)、水源工廠(chǎng)、肥料工廠(chǎng)等新功能，進(jìn)一步將發(fā)展成為城市與鄉村全方位融合和互利共生的新型環(huán)境基礎設施。該項目于今年年中建成，如能持續穩定運營(yíng)，將為中國污水處理行業(yè)綠色低碳發(fā)展和產(chǎn)業(yè)升級帶來(lái)深遠影響。

3.改造升級曝氣系統

其次，因地制宜積極采取各種措施實(shí)現能量節流，也是綠色低碳發(fā)展的重要組成部分。

有數據表明，我國污水處理廠(chǎng)處理單位體積污水的電耗在0.15～0.28kW·h/m3左右。其中，曝氣鼓風(fēng)機電耗所占比例為56.2%。雖然不同處理工藝能耗不同，但曝氣系統總體能耗占比最大是事實(shí)。因此，污水處理廠(chǎng)節能降耗關(guān)鍵點(diǎn)在升級改造曝氣系統。

曝氣系統節能的核心是在保證出水達標的前提下，按需提供微生物所需的溶解氧，達到供需平衡，避免曝氣能耗的浪費。這就需要精準掌控微生物的活動(dòng)過(guò)程，同時(shí)精準控制鼓風(fēng)機的運行過(guò)程。既要防止過(guò)度曝氣，也要防止曝氣不足。這對硬件設備和控制系統的穩定性、可靠性和精準度等提出很高要求。

據國內一家多年從事曝氣系統節能降耗技術(shù)研究的企業(yè)介紹，要想實(shí)現曝氣系統精準控制，不僅對技術(shù)有要求，而且對設備的選型和品牌也有要求，甚至對流量計、液位計等計量設備的安裝位置也有嚴格要求?？偟膩?lái)說(shuō)，改造升級曝氣系統需要系統角度綜合考量各個(gè)要素，是一項復雜的系統性工程。

國內有案例表明，通過(guò)對鼓風(fēng)機進(jìn)行節能改造，日均耗電量從32990降低到29835，降低3155，降幅達11.4%。粗略估算，每年可減少二氧化碳排放1148噸。對于中小型污水處理廠(chǎng)來(lái)說(shuō)，每年至少能節省幾十萬(wàn)甚至上百萬(wàn)的電費。同時(shí)削減單位總氮達10.8%，削減單位氨氮達13.1%。

4.優(yōu)化原料投入環(huán)節

污水處理工藝多樣，但本質(zhì)是通過(guò)生化反應來(lái)去除水中污染物。因此，在處理環(huán)節需要投加碳源和多種化學(xué)藥劑。這些原材料在生產(chǎn)和運輸過(guò)程中消耗能源，在投加過(guò)程中也消耗一定能源。因此，優(yōu)化投料環(huán)節，有助于節能降耗減少碳排放。

如何優(yōu)化原料投入環(huán)節呢？目前，市場(chǎng)上主要有兩種方式。

第一種，對加藥系統進(jìn)行配置升級，由常用的變頻計量泵升級為數字泵，加藥量有不同程度減少。

另外，也有企業(yè)深入研究碳源投加和除磷加藥環(huán)節，對加藥設備進(jìn)行智能化精準化控制。有數據表明，相比傳統模式，最高可減少9.66%的加藥量。

第二種，運用AI技術(shù)對污水水量、水質(zhì)等參數和加藥系統運行數據等進(jìn)行大數據分析，形成最優(yōu)算法模型，從而實(shí)現加藥系統精細化控制，也能有效降低藥品消耗以及設備運行能耗。

5.優(yōu)化排水管網(wǎng)輸水性能

在城市污水處理系統中，污水的收集和輸送涉及大規模的管網(wǎng)鋪設和較長(cháng)距離的輸送，需要大量的能耗用以支持日常的運行和維護。為了最大可能降低這部分能耗，必須采取多種措施優(yōu)化管網(wǎng)輸水性能。

其中，最基礎的是改造升級管網(wǎng)運營(yíng)管理模式，重點(diǎn)工作包括漏損點(diǎn)勘測、定位、維修和潛在漏損風(fēng)險的預防。實(shí)現排水管網(wǎng)運行狀態(tài)實(shí)時(shí)監測，并能迅速分析是否發(fā)生漏損、堵塞，及嚴重程度、具體地點(diǎn)等，為管理人員快速維修提供精準支撐。

提高排水管網(wǎng)輸水性能，最根本性的解決措施是提高排水管網(wǎng)覆蓋率，實(shí)現污水100%收集，同時(shí)進(jìn)行雨污分流改造，大幅提高污水處理廠(chǎng)進(jìn)水碳氮比。如此就能解決碳源不足問(wèn)題，有效提高污水處理廠(chǎng)有機質(zhì)-甲烷轉化率，把污水處理廠(chǎng)變成發(fā)電廠(chǎng)，從根本上解決能耗問(wèn)題，實(shí)現碳中和。

6.排水泵站節能降耗

排水泵站也是耗能大戶(hù)。有數據表明，排水泵站占城市水務(wù)總能耗的35%。因此，對排水泵站進(jìn)行升級改造，或采用智能化運營(yíng)模式，能有效降低能耗。

目前主要有兩種方法，其一是采用變頻技術(shù)改造老舊排水泵站，或者新建項目直接采用數字泵等新型設備設施，以此降低泵站能耗。

其二，站在系統角度，從更高層面優(yōu)化排水泵站運營(yíng)模式。在此基礎上運用物聯(lián)網(wǎng)和移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，打造智能管理平臺，實(shí)現排水泵站遠程控制、集中管理和數字化運營(yíng)，達到節能降耗的目的。

04、總 結  

總的來(lái)說(shuō)，污水處理行業(yè)實(shí)現碳中和是一項長(cháng)期的系統性工程。僅僅站在污水處理廠(chǎng)行業(yè)角度，需要從“用戶(hù)控制-源頭分離-管網(wǎng)收納-凈化處理”全流程進(jìn)行系統性規劃。在這個(gè)過(guò)程中，需要政府相關(guān)部門(mén)和企業(yè)全面升級管理運營(yíng)模式，從管理驅動(dòng)升級為數據驅動(dòng)，構建全新的數字化管理新模式，實(shí)現整個(gè)運營(yíng)模式的智慧化升級。

從根本上解決這一問(wèn)題，需要我們跳出污水處理行業(yè)，站在生態(tài)文明建設、城鄉融合發(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，需要從“點(diǎn)-線(xiàn)-面-體”不同層次進(jìn)行頂層規劃、系統設計和統籌安排。這不單是整個(gè)行業(yè)技術(shù)和理念的更新，而且是整個(gè)社會(huì )思想和認知的革命。

這將是一個(gè)漫長(cháng)和曲折的過(guò)程。讓人欣喜的是，污水處理概念廠(chǎng)的提出和實(shí)踐已邁出關(guān)鍵性第一步，我們有理由相信，中國污水處理行業(yè)將很快為碳中和戰略做出積極貢獻。