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高能耗換水質(zhì)模式不可持續(xù) 污水處理行業(yè)如何實(shí)現(xiàn)碳中和?

2020年9月第七十五屆聯(lián)合國大會(huì)上,習(xí)近平主席宣布,我國二氧化碳排放力爭于2030年前達(dá)到峰值,努力爭取2060年前實(shí)現(xiàn)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(biāo)實(shí)現(xiàn)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(jì)體,占全球gdp75%、占全球碳排放量65%的國家開始碳中和。一場波瀾壯闊的全球綠色低碳轉(zhuǎn)型大潮正在形成。

 

所謂碳中和(carbon neutrality)是指企業(yè)、團(tuán)體或個(gè)人在一定時(shí)間內(nèi)直接或間接產(chǎn)生的二氧化碳排放總量,通過植樹造林、節(jié)能減排等形式全部抵銷,實(shí)現(xiàn)“零排放”。

 

碳中和將帶來哪些改變?

 

從中國當(dāng)前現(xiàn)狀來看,發(fā)電和工業(yè)端以及交通部門是碳排放的主要來源,農(nóng)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(fèi)的重點(diǎn)行業(yè),也是二氧化碳排放的主要行業(yè)。因此,隨著碳中和戰(zhàn)略全面展開,未來40年,中國的能源系統(tǒng)將發(fā)生顛覆性改變。

 

與此同時(shí),由于產(chǎn)業(yè)鏈效應(yīng),能源系統(tǒng)的變革,必將推動(dòng)國家經(jīng)濟(jì)發(fā)生全方位改變。中國能源研究會(huì)常務(wù)理事、國家應(yīng)對氣候變化戰(zhàn)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(biāo)將深刻影響下一步產(chǎn)業(yè)鏈的重構(gòu)、重組和新的國際標(biāo)準(zhǔn)?!?/p>

 

在2030年之前實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰,這就要求部分地區(qū)和部分行業(yè)率先達(dá)峰。根據(jù)我國碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)節(jié)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(dá)峰行動(dòng)方案和路線圖。正在制定的“十四五”規(guī)劃也將碳達(dá)峰和碳中和作為污染防治攻堅(jiān)戰(zhàn)的主攻目標(biāo)。預(yù)計(jì)今年秋冬將出臺(tái)部門、地方和行業(yè)等的專項(xiàng)規(guī)劃。

 

2021年1月1日起,全國碳市場首個(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),通過市場倒逼機(jī)制,促進(jìn)產(chǎn)業(yè)技術(shù)升級(jí)。變革的序幕已悄然拉開!

 

污水處理行業(yè)是耗能大戶

 

相比而言,污水處理行業(yè)能耗雖然沒有發(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。據(jù)統(tǒng)計(jì),我國2014年污水處理廠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2%。美國有16000多座污水處理廠,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,處理過程本身也會(huì)直接排放溫室氣體。聯(lián)合國數(shù)據(jù)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(tǒng),產(chǎn)生約4100萬噸溫室氣體。此外,水泵也是污水處理主要能耗來源之一。格蘭富集團(tuán)數(shù)據(jù)顯示,水泵消耗的能源占所有與水相關(guān)設(shè)施能耗的10%。

 

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)。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(fù)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(jí)的必然目標(biāo)。目前,世界上已有多個(gè)國家發(fā)布污水廠碳中和技術(shù)路線圖,美國提出2030年所有污水處理廠都要實(shí)現(xiàn)碳中和。

 

然而,作為重要的公共事業(yè),中國污水處理率還沒達(dá)到100%,減少水污染仍然是生態(tài)環(huán)境保護(hù)工作的重中之重。可以預(yù)見,污水處理行業(yè)短期內(nèi)尚不具備承擔(dān)大規(guī)模減排任務(wù)的客觀條件。但是,從提升企業(yè)核心競爭力層面來講,綠色低碳發(fā)展也是必走之路。同時(shí),作為政策驅(qū)動(dòng)的行業(yè),企業(yè)若能提早開啟低碳變革,必將贏得更大的主動(dòng)權(quán)和更廣闊的發(fā)展空間。

 

如何實(shí)現(xiàn)綠色低碳發(fā)展?

 

那么,污水處理行業(yè)如何實(shí)現(xiàn)綠色低碳發(fā)展呢?總的來說可以從開源和節(jié)流兩個(gè)方面考量。梳理國內(nèi)外先進(jìn)經(jīng)驗(yàn),具體可以從以下幾個(gè)方面入手。

 

優(yōu)化工藝回收有機(jī)物能量

 

首先,通過開源實(shí)現(xiàn)能量自給,是從根本上解決綠色低碳發(fā)展問題。據(jù)測算,污水中所含能量達(dá)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,利用沼氣熱聯(lián)發(fā)電,可實(shí)現(xiàn)碳中和。

 

奧地利strass污水處理廠持續(xù)優(yōu)化改進(jìn)工藝,早在2005年即實(shí)現(xiàn)產(chǎn)能大于能耗(108%能源自給率),現(xiàn)已達(dá)到200%能源自給率,超標(biāo)準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)碳中和。美國希博伊根污水處理廠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(jié)能措施,實(shí)現(xiàn)電量與耗電量比值達(dá)90%~115%,已逼近碳中和目標(biāo)。

 

在污泥處置領(lǐng)域,國內(nèi)小紅門、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。

 

當(dāng)然,污水處理工藝優(yōu)化是一個(gè)長期的過程。奧地利strass污水處理廠曾經(jīng)用十多年時(shí)間持續(xù)優(yōu)化處理工藝,才達(dá)到當(dāng)前的處理水平。此外,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%,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。

 

中國的污水處理概念廠實(shí)踐

 

在深入研究了解國外先進(jìn)污水處理廠理念、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位專家提出“建設(shè)面向未來的中國污水處理概念廠”的構(gòu)想。2018年,河南水利投資集團(tuán)和中持水務(wù)公司以概念廠早期版本為藍(lán)本,建設(shè)了河南商丘睢縣第三污水處理廠。

 

睢縣項(xiàng)目綜合運(yùn)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),顯著提高有機(jī)質(zhì)處理效率,實(shí)現(xiàn)物質(zhì)的良性循環(huán)和資源化運(yùn)營。產(chǎn)生的沼氣用于發(fā)電,可滿足廠區(qū)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(jī)肥已用于廠區(qū)農(nóng)作物實(shí)驗(yàn)性種植。該項(xiàng)目得到廣泛認(rèn)可,也讓當(dāng)?shù)鼐用窈驼猩砀惺艿絼?chuàng)新發(fā)展、綠色發(fā)展的魅力。

 

如果說睢縣項(xiàng)目是1.0版的概念廠,那么2020年4月動(dòng)工的江蘇宜興城市水資源概念廠則是2.0版。該項(xiàng)目是第一個(gè)完整遵循概念廠理念的污水處理廠,除了污染物削減基本功能,還具有城市能源工廠、水源工廠、肥料工廠等新功能,進(jìn)一步將發(fā)展成為城市與鄉(xiāng)村全方位融合和互利共生的新型環(huán)境基礎(chǔ)設(shè)施。該項(xiàng)目于今年年中建成,如能持續(xù)穩(wěn)定運(yùn)營,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。

 

改造升級(jí)曝氣系統(tǒng)

 

其次,因地制宜積極采取各種措施實(shí)現(xiàn)能量節(jié)流,也是綠色低碳發(fā)展的重要組成部分。有數(shù)據(jù)表明,我國污水處理廠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(jī)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(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)節(jié)能的核心是在保證出水達(dá)標(biāo)的前提下,按需提供微生物所需的溶解氧,達(dá)到供需平衡,避免曝氣能耗的浪費(fèi)。這就需要精準(zhǔn)掌控微生物的活動(dòng)過程,同時(shí)精準(zhǔn)控制鼓風(fēng)機(jī)的運(yùn)行過程。既要防止過度曝氣,也要防止曝氣不足。這對硬件設(shè)備和控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性和精準(zhǔn)度等提出很高要求。

 

 

據(jù)國內(nèi)一家多年從事曝氣系統(tǒng)節(jié)能降耗技術(shù)研究的企業(yè)介紹,要想實(shí)現(xiàn)曝氣系統(tǒng)精準(zhǔn)控制,不僅對技術(shù)有要求,而且對設(shè)備的選型和品牌也有要求,甚至對流量計(jì)、液位計(jì)等計(jì)量設(shè)備的安裝位置也有嚴(yán)格要求??偟膩碚f,改造升級(jí)曝氣系統(tǒng)需要系統(tǒng)角度綜合考量各個(gè)要素,是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)性工程。

 

國內(nèi)有案例表明,通過對鼓風(fēng)機(jī)進(jìn)行節(jié)能改造,日均耗電量從32990降低到29835,降低3155,降幅達(dá)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來說,每年至少能節(jié)省幾十萬甚至上百萬的電費(fèi)。同時(shí)削減單位總氮達(dá)10.8%,削減單位氨氮達(dá)13.1%。

 

優(yōu)化原料投入環(huán)節(jié)

 

污水處理工藝多樣,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,市場上主要有兩種方式。第一種,對加藥系統(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,也有企業(yè)深入研究碳源投加和除磷加藥環(huán)節(jié),對加藥設(shè)備進(jìn)行智能化精準(zhǔn)化控制。有數(shù)據(jù)表明,相比傳統(tǒng)模式,最高可減少9.66%的加藥量。

 

第二種,運(yùn)用ai技術(shù)對污水水量、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。

 

優(yōu)化排水管網(wǎng)輸水性能

 

在城市污水處理系統(tǒng)中,污水的收集和輸送涉及大規(guī)模的管網(wǎng)鋪設(shè)和較長距離的輸送,需要大量的能耗用以支持日常的運(yùn)行和維護(hù)。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(chǔ)的是改造升級(jí)管網(wǎng)運(yùn)營管理模式,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(xiǎn)的預(yù)防。實(shí)現(xiàn)排水管網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測,并能迅速分析是否發(fā)生漏損、堵塞,及嚴(yán)重程度、具體地點(diǎn)等,為管理人員快速維修提供精準(zhǔn)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(xiàn)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)-甲烷轉(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,實(shí)現(xiàn)碳中和。

 

排水泵站節(jié)能降耗

 

排水泵站也是耗能大戶。有數(shù)據(jù)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(jí)改造,或采用智能化運(yùn)營模式,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(xiàng)目直接采用數(shù)字泵等新型設(shè)備設(shè)施,以此降低泵站能耗。

 

其二,站在系統(tǒng)角度,從更高層面優(yōu)化排水泵站運(yùn)營模式。在此基礎(chǔ)上運(yùn)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(tái),實(shí)現(xiàn)排水泵站遠(yuǎn)程控制、集中管理和數(shù)字化運(yùn)營,達(dá)到節(jié)能降耗的目的。

 

總結(jié)

 

總的來說,污水處理行業(yè)實(shí)現(xiàn)碳中和是一項(xiàng)長期的系統(tǒng)性工程。僅僅站在污水處理廠行業(yè)角度,需要從“用戶控制-源頭分離-管網(wǎng)收納-凈化處理”全流程進(jìn)行系統(tǒng)性規(guī)劃。在這個(gè)過程中,需要政府相關(guān)部門和企業(yè)全面升級(jí)管理運(yùn)營模式,從管理驅(qū)動(dòng)升級(jí)為數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng),構(gòu)建全新的數(shù)字化管理新模式,實(shí)現(xiàn)整個(gè)運(yùn)營模式的智慧化升級(jí)。

 

從根本上解決這一問題,需要我們跳出污水處理行業(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,需要從“點(diǎn)-線-面-體”不同層次進(jìn)行頂層規(guī)劃、系統(tǒng)設(shè)計(jì)和統(tǒng)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(rèn)知的革命。

 

這將是一個(gè)漫長和曲折的過程。讓人欣喜的是,污水處理概念廠的提出和實(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(zhàn)略做出積極貢獻(xiàn)。

  更多精彩資訊,可關(guān)注北京國際水處理展覽會(huì)(簡稱:北京水展)。北京水展是華北地區(qū)超大規(guī)模的水處理商貿(mào)交流平臺(tái)。坐擁2.2萬平米展示面積的北京水展由凈水、環(huán)保水處理、膜與水處理、水環(huán)境綜合治理、泵管閥、儀器儀表、空氣凈化及新風(fēng)7大主題展區(qū)組成,2025年預(yù)計(jì)將匯聚600多參展企業(yè)和超過1.5萬件展品,更吸引逾2萬多名專業(yè)觀眾。

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