一、“碳中和”是右邊等于（大于）左邊


    自從國家碳中和戰略提上日程，各行各業(yè)都在探討如何實(shí)現碳中和，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(lái)好多國家在邁向碳中和的路上已經(jīng)走得好前好遠，丹麥State Of Green還出了一份白皮書(shū)：《像丹麥那樣思考，解鎖污水的潛能》，介紹丹麥污水處理廠(chǎng)實(shí)現能量盈余的經(jīng)驗。


    人家說(shuō)，可怕的是比你優(yōu)秀的人還比你努力。面對污水界學(xué)霸級的，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)間內直接或間接產(chǎn)生的二氧化碳，通過(guò)植樹(shù)造林、節能減排等方式全部抵銷(xiāo)，實(shí)現碳的凈“零排放”。


    那么污水處理廠(chǎng)要抵銷(xiāo)的碳排放包括哪些呢？


    首先是能耗，即用電。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)。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。


    當然，能耗是大頭。如果污水廠(chǎng)使用的電能不是來(lái)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)現了。至于處理過(guò)程中其他碳排放，那都不是大事，栽點(diǎn)樹(shù)種點(diǎn)草，搞搞綠化中和一下也差不多了。


    所以，污水處理廠(chǎng)最易達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(chǎng)都替代了，就坐著(zhù)順風(fēng)車(chē)哼著(zhù)歌愉快的實(shí)現了。


    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。（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(lái)，“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)現中和甚至盈余了。


    據測算，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(guò)優(yōu)化污水處理工藝，回收有機物能量，利用熱電聯(lián)產(chǎn)發(fā)電實(shí)現碳中和，理論上是可行的。


    不過(guò)這個(gè)基本是國外的數據，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%。國內首座“未來(lái)再生水廠(chǎng)”—北京市東壩再生水廠(chǎng)經(jīng)測算，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，一般只能達到2倍左右。

    
    不過(guò)，既然能量守恒定律擺在那里，我們本著(zhù)“把右邊搞得多多的，左邊搞得少少的”的原則，辦法總是比問(wèn)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中，污水的收集和輸送涉及大規模管網(wǎng)鋪設和長(cháng)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)現污水100%收集，同時(shí)進(jìn)行雨污分流改造，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)到甲烷的轉化率，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。


    2、外部碳源協(xié)同處理


    廠(chǎng)內不足外源補。外源協(xié)同消化是很多國家污水廠(chǎng)實(shí)現能量自給所采取的方式。


    美國希博伊根污水處理廠(chǎng)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)采取節能措施，實(shí)現產(chǎn)電量與耗電量比值達90%~115%。


    荷蘭實(shí)現碳中和的策略是將污水處理廠(chǎng)改造或新建成能量工廠(chǎng)（NEWs），使污水處理廠(chǎng)與居民生活、工廠(chǎng)、資源回收、農業(yè)及大自然聯(lián)結成一個(gè)整體，達到一種區域循環(huán)共生的狀態(tài)。


    荷蘭最大的污水處理廠(chǎng)之一，阿姆斯特丹西污水廠(chǎng)（WWTP Amsterdam West）通過(guò)傳統的污泥厭氧消化系統年產(chǎn)沼氣約1200萬(wàn)立方米，共用給隔壁的廢物焚燒廠(chǎng)。污水廠(chǎng)的污泥也在此焚燒處理。焚燒廠(chǎng)的熱值利用率高達90%。除了處理污水廠(chǎng)的污泥，焚燒廠(chǎng)還為污水廠(chǎng)供應電力和熱水。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?？胺Q(chēng)協(xié)同處理實(shí)現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(chǎng)、北京東壩再生水廠(chǎng)、湖南先導洋湖再生水廠(chǎng)等均有此類(lèi)嘗試，這些項目將為中國污水處理行業(yè)綠色低碳發(fā)展和產(chǎn)業(yè)升級帶來(lái)深遠影響。


    惟創(chuàng )環(huán)境定位于“區域環(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)行區域綜合規劃，將環(huán)境治理設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、氣體等結合起來(lái)協(xié)同處理，實(shí)現區域綜合循環(huán)，從而實(shí)現整體碳中和。


    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是當地最大的污水廠(chǎng)。該廠(chǎng)在2016年名聲大噪，原因是它宣布無(wú)需協(xié)同消化，僅用污水自身蘊含的能量就實(shí)現了能量盈余。


    為了實(shí)現這一目標，Marselisborg的運營(yíng)公司Aarhus水務(wù)從2006年就開(kāi)始升級轉型，他們將當地14座污水處理廠(chǎng)合并為兩座，即Marselisborg污水廠(chǎng)和十幾公里外的另一座污水廠(chǎng)，以提高處理效率。并花了170萬(wàn)歐元購入兩臺250kW和一臺355kW的熱電聯(lián)產(chǎn)電機，實(shí)現年產(chǎn)電量達4.8GWh。同時(shí)，通過(guò)一系列節能降耗措施，使污水廠(chǎng)年電耗從4.2GWh降至3.15GWh，降幅達25%。這意味著(zhù)廠(chǎng)區的發(fā)電量比電耗多出1.65GWh，盈余達53%。這些多余的電能賣(mài)給國家電網(wǎng)，此外還有2.5GW的熱能直接用于地區供熱。


    奧登塞（Odense）是丹麥第三大城市，該城最大的Ejby M?lle污水廠(chǎng)早在2013年就聲稱(chēng)實(shí)現能量100%自給。2018年，他們甚至宣布：污水廠(chǎng)的能耗盈余率高達88%！


    如此驚人的能量回收率是因為他們極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(cháng)約10%，以提高消化池性能。另外，他們更換了柵渣沖洗壓榨機(Screening washing press)，以便更好地將格柵截留的碳源導流到消化池。2020年，他們還對氯化鐵添加至污泥脫水工藝的效果進(jìn)行測試，目的是減少殘留污泥量和鳥(niǎo)糞石的沉淀。此外，他們也在初沉池對新的聚合物進(jìn)行測試。


    總之，他們想盡各種辦法將進(jìn)水中的碳送入消化池，力爭不漏掉一丁點(diǎn)兒。


    而在國內的污泥處置領(lǐng)域，小紅門(mén)和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。


    4、自產(chǎn)清潔能源“加菜”


    “加菜”是指通過(guò)太陽(yáng)能光伏發(fā)電等做法提供一定的能源補給。


    哥本哈根三大污水處理廠(chǎng)之一的Damhus?en污水廠(chǎng)，通過(guò)安裝光伏太陽(yáng)能板覆蓋了廠(chǎng)區9%的電耗。荷蘭Rivierenland水委會(huì )也在污水廠(chǎng)旁建造光伏太陽(yáng)能公園。


    不過(guò)，這些措施看起來(lái)難以實(shí)現100%補給，只能做為“加菜”補充。


    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。當然，還有咱們的VFL垂直流迷宮技術(shù)，也屬于低能耗工藝啦圖片。


    丹麥的Marselisborg污水廠(chǎng)于2014年引進(jìn)了側流厭氧氨氧化工藝，每年能節省約8萬(wàn)歐的污水稅（相當于排污費）和50000kWh的電耗。


    荷蘭的污水處理廠(chǎng)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(chǎng)路線(xiàn)圖》的報告里，專(zhuān)家們推薦A-B工藝，但各地水委會(huì )并沒(méi)有一窩蜂地采納。事實(shí)上，在過(guò)去十年里，好氧顆粒污泥有后來(lái)者居上的勢頭。


    2011年，荷蘭第一座好氧顆粒污泥污水廠(chǎng)在Epe污水廠(chǎng)投產(chǎn)使用。采用新工藝后，該污水廠(chǎng)立即成為荷蘭能耗最低的市政污水廠(chǎng)。


    荷蘭北部格羅寧根市的Garmerwolde污水廠(chǎng)于2013年引進(jìn)好氧顆粒污泥，不但占地面積遠小于原來(lái)A-B工藝，能耗也由原來(lái)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(zhù)優(yōu)勢。


    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)氣提回流系統正是有利于顆粒污泥的大量形成，相當于一個(gè)強化的好氧顆粒污泥法?？磥?lái)，VFL工藝不但是污水廠(chǎng)提質(zhì)增效的優(yōu)良選擇，在碳中和升級轉型中也將大有用途啊圖片。


    2、改造升級曝氣系統


    有數據表明，我國污水處理廠(chǎng)噸水電耗一般在0.15～0.28kWh范圍。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有所不同，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。


    曝氣系統主要是提供微生物所需的溶解氧，因此節能的核心是精準掌控微生物的活動(dòng)過(guò)程，防止過(guò)度曝氣，也要防止曝氣不足。這就對系統的智能化、數字化控制提出很高的要求。


    咱們VFL工藝正是通過(guò)ORP控制實(shí)施間歇式精準曝氣，使噸水電耗較傳統工藝大幅降低。


    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(chǎng)由表面曝氣升級為微孔曝氣，使曝氣能耗降低約57%。


    3、優(yōu)化原料投入環(huán)節


    污水處理工藝多種多樣，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)上主要是對加藥系統進(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，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。


    北京市東壩再生水廠(chǎng)采用超磁工藝實(shí)現磷回收和碳源回用，基本省去了藥劑費用。中國城市污水處理概念廠(chǎng)專(zhuān)家委員會(huì )王洪臣教授說(shuō)：“物理技術(shù)尤其是各種清潔分離技術(shù)，在未來(lái)的污水處理中有可能發(fā)揮更大的作用，而不再只是預處理角色”?？磥?lái)有些道理。


    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。應該不管是在現下的提質(zhì)增效時(shí)代，還是在未來(lái)的碳中和時(shí)代，均有很好的用武之地。


    3、其他設備節能降耗


    有數據表明，排水泵站也是耗能大戶(hù)，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。


    總之，污水處理的節能降耗需要進(jìn)行系統性的思考和優(yōu)化，才能取得良好效果。丹麥的Marselisborg污水廠(chǎng)通過(guò)SCADA系統（數據采集與監視控制系統）對氨氮、磷濃度進(jìn)行監控，并對鼓風(fēng)機、提升泵、攪拌設備和脫水泵實(shí)施變頻器控制，靈活適應每日變化的進(jìn)水負荷，從而大幅降低了電耗。還通過(guò)使用能效更高的污泥脫水離心機使每年電耗節省50000kWh。各項措施的綜合使用，使該電廠(chǎng)總電耗降低25%。節流與開(kāi)源雙管齊下，是該廠(chǎng)實(shí)現能量盈余的法寶。


    四、碳中和是一項系統性的長(cháng)期工程


    總的來(lái)說(shuō)，其一，污水處理行業(yè)實(shí)現碳中和是一項系統性工程。


    從前沿國家的實(shí)踐經(jīng)驗來(lái)看，實(shí)現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)行系統優(yōu)化。


    像丹麥的Marselisborg污水廠(chǎng)和Ejby M?lle污水廠(chǎng)，無(wú)不是通過(guò)一系列升級改造，從工藝和設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(shuō)是哪個(gè)單項的技術(shù)突破所帶來(lái)的成果。


    Marselisborg污水廠(chǎng)引進(jìn)側流厭氧氨氧化后年電耗降低50000kWh，只相當于其總盈余1.65GWh的一個(gè)零頭尾數。


    這也說(shuō)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(wèn)題的方式，系統設計，深入細節，一定會(huì )有很好的成果。


    其二，實(shí)現碳中和是一項長(cháng)期持續的工程。


    為了實(shí)現污水廠(chǎng)的能量自給，Aarhus水務(wù)努力了10年，從2006年開(kāi)始對旗下的14座污水廠(chǎng)進(jìn)行合并，至2016年宣布其管理的Marselisborg污水廠(chǎng)實(shí)現能量自給并盈余53%。目前Aarhus水務(wù)仍在探索，他們在管理的另一個(gè)廠(chǎng)--Egaa污水廠(chǎng)測試碳捕獲、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(wú)止境。


    因此，實(shí)現碳中和不是等待前沿的技術(shù)出現，也不是單靠研發(fā)突破，而是公司的各部門(mén)、各職能共同努力：運營(yíng)廠(chǎng)持續探索節能降耗的途徑，制造與供應鏈不斷尋找性能更優(yōu)的設備，技術(shù)部門(mén)了解成功的技術(shù)經(jīng)驗，產(chǎn)品部門(mén)創(chuàng )新業(yè)務(wù)模式等等。


    其三，實(shí)現碳中和要跳出污水處理行業(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。


    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 )思想和認知的革命。例如，要實(shí)現碳中和，我們個(gè)人的工作和生活也要逐步低碳化。我們詢(xún)問(wèn)湖南的污水廠(chǎng)，升級到日處理規模30萬(wàn)噸后覆蓋50萬(wàn)人口當量，中國的理論設計值是人均每天0.45-0.5m3污水。而荷蘭的阿姆斯特丹西污水廠(chǎng)處理人口當量約100萬(wàn)人。荷蘭北部的Garmerwolde污水廠(chǎng)日處理規模7萬(wàn)噸，覆蓋人口當量37.5萬(wàn)，人均每天0.186 m3水。少很多啊，是因為我們的居民用水確實(shí)多些，還是因為管網(wǎng)與規劃問(wèn)題？


    另外，從污水廠(chǎng)出水到地表水和居民用水要實(shí)現再生循環(huán)，其間仍有較大的水質(zhì)差別需要解決?，F有的污水處理運管模式也讓污水廠(chǎng)本身缺乏升級動(dòng)力等。碳中和下的水環(huán)境治理是一個(gè)多層面整體規劃、綜合考量、系統性解決問(wèn)題的過(guò)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。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。