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

2020年9月第七十五屆聯(lián)合國大會上,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實現(xiàn)時間表,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%的國家開始碳中和。一場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)、團體或個人在一定時間內(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,實現(xiàn)“零排放”。

 

碳中和將帶來哪些改變?

 

從中國當前現(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)以及化學原料制造業(yè)等相關高耗能行業(yè)不僅是煤炭消費的重點行業(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,由于產(chǎn)業(yè)鏈效應,能源系統(tǒng)的變革,必將推動國家經(jīng)濟發(fā)生全方位改變。中國能源研究會常務理事、國家應對氣候變化戰(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年之前實現(xiàn)碳達峰,這就要求部分地區(qū)和部分行業(yè)率先達峰。根據(jù)我國碳達峰、碳中和目標節(jié)點,工信部今年將實施工業(yè)低碳行動和綠色制造工程,并制定鋼鐵、水泥等重點行業(yè)碳達峰行動方案和路線圖。正在制定的“十四五”規(guī)劃也將碳達峰和碳中和作為污染防治攻堅戰(zhàn)的主攻目標。預計今年秋冬將出臺部門、地方和行業(yè)等的專項規(guī)劃。

 

2021年1月1日起,全國碳市場首個履約周期(截止到今年12月31日)正式啟動,涉及2225家發(fā)電行業(yè)的重點排放單位。這是我國第一次從國家層面將二氧化碳控排責任壓實到企業(yè),通過市場倒逼機制,促進產(chǎn)業(yè)技術升級。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,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。格蘭富集團數(shù)據(jù)顯示,水泵消耗的能源占所有與水相關設施能耗的10%。

 

從能量轉化的角度來說,傳統(tǒng)污水處理模式本質是以能耗換水質。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,世界上已有多個國家發(fā)布污水廠碳中和技術路線圖,美國提出2030年所有污水處理廠都要實現(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,污水處理行業(yè)短期內(nèi)尚不具備承擔大規(guī)模減排任務的客觀條件。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,作為政策驅動的行業(yè),企業(yè)若能提早開啟低碳變革,必將贏得更大的主動權和更廣闊的發(fā)展空間。

 

如何實現(xiàn)綠色低碳發(fā)展?

 

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

 

優(yōu)化工藝回收有機物能量

 

首先,通過開源實現(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,回收有機物能量,利用沼氣熱聯(lián)發(fā)電,可實現(xiàn)碳中和。

 

奧地利strass污水處理廠持續(xù)優(yōu)化改進工藝,早在2005年即實現(xiàn)產(chǎn)能大于能耗(108%能源自給率),現(xiàn)已達到200%能源自給率,超標準實現(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)生的甲烷進行熱電聯(lián)產(chǎn),同時采取節(jié)能措施,實現(xiàn)電量與耗電量比值達90%~115%,已逼近碳中和目標。

 

在污泥處置領域,國內(nèi)小紅門、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,同時也為實現(xiàn)碳中和提供有力支撐。

 

當然,污水處理工藝優(yōu)化是一個長期的過程。奧地利strass污水處理廠曾經(jīng)用十多年時間持續(xù)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進水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踐

 

在深入研究了解國外先進污水處理廠理念、工藝、技術和工程實踐的同時,中國學術界和產(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“建設面向未來的中國污水處理概念廠”的構想。2018年,河南水利投資集團和中持水務公司以概念廠早期版本為藍本,建設了河南商丘睢縣第三污水處理廠。

 

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行協(xié)同高干厭氧消化,采用danas干式厭氧發(fā)酵技術,顯著提高有機質處理效率,實現(xiàn)物質的良性循環(huán)和資源化運營。產(chǎn)生的沼氣用于發(fā)電,可滿足廠區(qū)20-30%的能耗。同時,降低污泥處理難度,污泥處理后產(chǎn)生的有機肥已用于廠區(qū)農(nóng)作物實驗性種植。該項目得到廣泛認可,也讓當?shù)鼐用窈驼猩砀惺艿絼?chuàng)新發(fā)展、綠色發(fā)展的魅力。

 

如果說睢縣項目是1.0版的概念廠,那么2020年4月動工的江蘇宜興城市水資源概念廠則是2.0版。該項目是第一個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)境基礎設施。該項目于今年年中建成,如能持續(xù)穩(wěn)定運營,將為中國污水處理行業(yè)綠色低碳發(fā)展和產(chǎn)業(yè)升級帶來深遠影響。

 

改造升級曝氣系統(tǒng)

 

其次,因地制宜積極采取各種措施實現(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(tǒng)總體能耗占比最大是事實。因此,污水處理廠節(jié)能降耗關鍵點在升級改造曝氣系統(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過程,同時精準控制鼓風機的運行過程。既要防止過度曝氣,也要防止曝氣不足。這對硬件設備和控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性和精準度等提出很高要求。

 

 

據(jù)國內(nèi)一家多年從事曝氣系統(tǒng)節(jié)能降耗技術研究的企業(yè)介紹,要想實現(xiàn)曝氣系統(tǒng)精準控制,不僅對技術有要求,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??偟膩碚f,改造升級曝氣系統(tǒng)需要系統(tǒng)角度綜合考量各個要素,是一項復雜的系統(tǒng)性工程。

 

國內(nèi)有案例表明,通過對鼓風機進行節(jié)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來說,每年至少能節(jié)省幾十萬甚至上百萬的電費。同時削減單位總氮達10.8%,削減單位氨氮達13.1%。

 

優(yōu)化原料投入環(huán)節(jié)

 

污水處理工藝多樣,但本質是通過生化反應來去除水中污染物。因此,在處理環(huán)節(jié)需要投加碳源和多種化學藥劑。這些原材料在生產(chǎn)和運輸過程中消耗能源,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)進行配置升級,由常用的變頻計量泵升級為數(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),對加藥設備進行智能化精準化控制。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,運用ai技術對污水水量、水質等參數(shù)和加藥系統(tǒng)運行數(shù)據(jù)等進行大數(shù)據(jù)分析,形成最優(yōu)算法模型,從而實現(xiàn)加藥系統(tǒng)精細化控制,也能有效降低藥品消耗以及設備運行能耗。

 

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)鋪設和較長距離的輸送,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)運營管理模式,重點工作包括漏損點勘測、定位、維修和潛在漏損風險的預防。實現(xiàn)排水管網(wǎng)運行狀態(tài)實時監(jiān)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,實現(xiàn)污水100%收集,同時進行雨污分流改造,大幅提高污水處理廠進水碳氮比。如此就能解決碳源不足問題,有效提高污水處理廠有機質-甲烷轉化率,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總能耗的35%。因此,對排水泵站進行升級改造,或采用智能化運營模式,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改造老舊排水泵站,或者新建項目直接采用數(shù)字泵等新型設備設施,以此降低泵站能耗。

 

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

 

總結

 

總的來說,污水處理行業(yè)實現(xiàn)碳中和是一項長期的系統(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”全流程進行系統(tǒng)性規(guī)劃。在這個過程中,需要政府相關部門和企業(yè)全面升級管理運營模式,從管理驅動升級為數(shù)據(jù)驅動,構建全新的數(shù)字化管理新模式,實現(xiàn)整個運營模式的智慧化升級。

 

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、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-線-面-體”不同層次進行頂層規(guī)劃、系統(tǒng)設計和統(tǒng)籌安排。這不單是整個行業(yè)技術和理念的更新,而且是整個社會思想和認知的革命。

 

這將是一個漫長和曲折的過程。讓人欣喜的是,污水處理概念廠的提出和實踐已邁出關鍵性第一步,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。

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