发布机构: 发布日期: 2022-09-21 09:51:01

程芳琴、成怀刚、潘子鹤:“碳中和”背景下污水行业发展路径的思考

自2020年9月,习近平总书记在第七十五届联合国大会一般性辩论上宣布:“中国将提高国家自主贡献力度,采取更加有力的政策和措施,二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值,努力争取2060年前实现碳中和”以来,各行各业对“碳中和”的讨论持续高涨、热度不减。但随着人们对“碳中和”概念的不断理解和清晰,就如何实现行业“碳中和”也打上了大大的问号,特别是对于污水处理厂来说,其碳排放量大约占全球碳排放量2%左右,尽管国外已经存在完全实现“能量平衡”或“碳中和”运行的污水处理厂实际案例,但国内依然存在对污水处理厂能否实现“碳中和”的担忧和质疑。基于此本文以“碳中和”背景下污水处理厂的发展路径为出发点,浅谈一些个人的观点,以期厘清污水处理厂可用的“家底”,为其实现“碳中和”提供一些思路。

1、污水处理碳排放来源

污水处理要抵销的碳排放首先是能耗,即用电。从能量转化的角度来说,传统污水处理模式本质是以能耗换水质。我们使用大量电能以去除污水中的污染物,间接会产生大量二氧化碳排放。据统计,我国2014年污水处理厂电耗占全国总电耗的0.26%,算上工业废水处理和污泥处理,所占比例将超过2%。美国有16000多座污水处理厂,耗电量占全社会总耗电量的1%。在丹麦,水和废水的处理流程消耗了25%~40%的市政电力。其次是污水处理需要消耗大量燃料和药剂,间接排放大量二氧化碳,处理过程本身也会直接排放温室气体。且在污水处理技术中常用的好氧处理段需要曝气,此过程活性污泥吸收氧气并释放二氧化碳。基于此,为了减少碳排放,从开源和节流两个方面来实现行业的绿色低碳发展是升级的必然目标。

2、污水处理的发展路径

2.1 优化工艺能量来源

通过开源实现能量自给,是从根本上解决绿色低碳发展问题。据测算,污水中所含能量达污水处理本身所消耗能量的9-10倍之多。通过优化污水处理工艺,如果污水厂使用的电能不是来自于燃煤发电(2020年仍占我国总发电量的60.8%),而是水电、风电、光伏、核能等清洁能源,或者进水有机物能量回收,余温余热能量回收,自产再生能源(光伏发电),碳中和就基本实现了。

2.2 各类污水处理技术与碳中和

(1)生活污水处理与碳中和

要实现碳中和,我们个人的工作和生活也要逐步低碳化。通过调研,湖南的污水厂升级到日处理规模30万吨后覆盖50万人口当量,中国的理论设计值是人均每天0.45-0.5 m³污水。而荷兰的阿姆斯特丹西污水厂处理人口当量约100万人。荷兰北部的Garmerwolde污水厂日处理规模7万吨,覆盖人口当量37.5万,人均每天0.186 m³水。因此,通过合理的规划和学习,我国居民的人均污水产出量有望得到更合理的控制。从产生源头控制污水的产量,结合生活污水处理厂回收与产能可见,碳中和下的水环境治理是一个多层面整体规划、综合考量、系统性解决问题的过程。

(2)工业污水处理与碳中和

近年来,我国政府相继出台多项政策用于指导水污染防治,特别是2015年4月“水十条”发布以来,行业相关政策密集出台为工业废水处理行业提供了良好的外部政策环境。截至目前,我国已出台10多项工业废水处理行业相关标准、30多项水污染物排放国家环境标准、20多项水污染物排放地方环境标准用于规范行业发展。数据显示,2017年全国废水排放量约771亿吨,其中工业废水排放量约为181.6亿吨,占比23.55%。

工业废水的一个特点是水质和水量因生产工艺和生产方式的不同而差别很大。如电力、矿山等部门的废水主要含无机污染物,而造纸和食品等工业部门的废水,有机物含量很高。冶金、造纸、石油化工、电力等工业用水量大,废水量也大,如有的炼钢厂炼1吨钢出废水200~250吨。很多工业生产环节要用到酸碱,因此废水往往具有一定的酸碱度,例如氧气顶吹转炉炼钢时,可以产生pH为13的强碱性废水。二氧化碳作为酸性气体,可以被碱性的工业废水吸收,产生中和产物。例如,法国Nancy大学利用氨碱厂的残余卤水吸收15%的CO2碳化为方解石,控制Ca(OH)2,CaOHCl和CSH(CaO –SiO2 – H2O)碳化为方解石,防止进一步相转变,同时使制碱过程中碳排放降低了10%。碱性工业废水吸收二氧化碳可以作为工业的碱性废水处理的一个新思路。

3、污水处理行业实现碳中和是一项系统性工程

从国内外实践经验来看,实现碳中和甚至能量盈余均非某个单点的突破,甚至不是依靠前沿性的工艺技术,而是要全流程进行系统优化。像丹麦的Marselisborg污水厂和Ejby Mølle污水厂,无不是通过一系列升级改造,从工艺和设备选择等各方面挖掘潜能,提高能量回收效率,降低能耗,很难说是哪个单项的技术突破所带来的成果。如Marselisborg污水厂引进侧流厌氧氨氧化后年电耗降低50000 kWh,只相当于其总盈余1.65 GWh的一个零头尾数。为了实现污水厂的能量自给,Aarhus水务努力了10年,从2006年开始对旗下的14座污水厂进行合并,至2016年宣布其管理的Marselisborg污水厂实现能量自给并盈余53%。目前Aarhus水务仍在探索,他们在管理的另一个厂--Egaa污水厂测试碳捕获、主流厌氧氨氧化和ORC废气能量回收等工艺。让人想起一个公司的Slogan:为环境,无止境。这也说明,碳中和不是不可跨越的鸿沟,而是需要我们改变以往粗放型考虑问题的方式,系统设计,深入细节,一定会有很好的成果。

因此,实现碳中和要跳出污水处理行业,站在生态文明建设、城乡融合发展、污水资源化、能量自给、环境友好等更多层面综合考量。这可能不单是整个行业技术和理念的更新,也是整个社会思想和认知的革命。碳中和理论上可行,又有这么多成功的实践经验。我们有理由相信,中国污水处理行业将很快为碳中和战略做出积极贡献。


供稿人:程芳琴 山西大学资源与环境工程研究所 教授

成怀刚 山西大学资源与环境工程研究所 教授

潘子鹤 山西大学资源与环境工程研究所 副教授


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