人大环境学院王洪臣：污水处理行业如何实现碳减排？

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全球变暖导致的自然灾害频发和生态系统退化是当今人类可持续发展面临的最大挑战。在全球变暖的严峻形势下，国际社会积极采取对策。2016年4月22日，170多个国家在纽约签署了新的全球气候协议《巴黎协议》，承诺将全球气温上升控制在2℃以内。2016年9月3日，中国加入巴黎协议，与其他国家一起积极应对全球气候变化，并承诺到2020年将单位国内生产总值的二氧化碳排放量比2005年减少40-45%，到2030年减少60-65%。

中国人民大学环境学院副院长王洪臣

根据主要发达国家的统计，污水处理行业的碳排放量占全社会总排放量的1-2%，位居碳排放行业前十位，是一个不容忽视的减排领域。根据美国环保局2016年温室气体排放清单统计，2014年美国污水处理行业n2o和ch4的碳排放当量分别占全社会相应碳排放当量的1.2%和2.0%。根据欧盟统计局(eurostat)2014年的欧洲统计报告，由污水处理和固体废物处理组成的废物处理行业是第五大碳排放行业，占全社会碳排放总量的3.3%。

发达国家污水处理行业的碳减排

1.美国

美国对污水处理厂的出水质量有严格的要求，在运行和管理上有一套九步能源管理系统方案，并非常重视高效设备的使用，大大提高了美国污水处理厂的能效，总体能耗降低了10%左右，每年节约用电100多亿千瓦时，即每年节约近75亿美元。具体来说，美国的环境保护局主要通过使用高效的机电设备，配合控制策略和管理手段来实现。环境保护局还提出了一些技术来提高污水处理厂的能源效率，主要涉及高能耗装置，如泵、曝气和搅拌。这些新设备的应用可以为污水处理厂的运行节省大量的投资成本和能源消耗。美国环保署预测，污水处理厂的电力消耗将在未来15年增加20%。

2 .加拿大

加拿大污水处理厂强调全厂控制，这对我国污水处理厂的大规模监管具有很强的指导作用。目前，应用广泛的ccp综合治理技术严格分为两个阶段、四个步骤，重点是污水处理厂设备的自我评估、性能缺陷和存在问题的识别、处理性能的改善和提高，涵盖预处理、一级处理、二级处理和优化技术以及一些具体单元操作流程的建议，并在运行优化和调试过程中重视监控设备的使用。该技术已广泛应用于北美污水处理厂的运行优化，并逐渐成为一个技术体系。

3.欧盟

欧盟强调在污水处理中应用先进的控制技术，并主张在各方之间进行广泛的研究和交流。鉴于污水处理的精确控制，欧盟开展了国家间科技合作，为升级或建设新的污水处理厂提供技术支持。污水处理厂利用精确的数学模型控制化学混凝，可以根据进水水质和水量准确投加化学药剂，达到节约絮凝剂用量、提高自动化控制水平、改善出水水质和降低污泥管理成本的目的。欧洲污水处理厂的成功案例表明，智能加药控制系统可以成功地优化加药剂量，每年可节约18%的化学品，减少33%的污泥产量。在稳定出水水质的前提下，大大降低了碳排放和购买化学品及污泥处理的成本。

4.日本

日本应该采取一系列综合措施来减少污水处理中的碳排放。首先，应用高效设备，如在曝气中使用微孔曝气器，可减少曝气能耗20%；污泥处理采用涡轮增压流化床焚烧炉，可减少n2o排放量85%，co2排放量4%。其次，能源的回收和新能源的利用，如污泥厌氧消化的回收、太阳能的利用、污泥生物质能的利用等；此外，日本强调加强与学术机构和其他企业的合作，开发新的管理方法和处理技术，实现污水处理的低碳运行。

中国污水处理行业碳排放现状

“十一五”和“十二五”期间，我国城市污水处理设施经过快速建设，已形成大规模处理能力。污水处理过程造成了大量的碳排放。据估计，从2003年到2009年，中国污水处理过程中直接排放的温室气体量逐年增加，从2003年的5300万吨二氧化碳当量增加到2009年的7500万吨二氧化碳当量，年均增长5.95%。2015年，中国污水处理行业总用电量达到140亿千瓦时，单位用电量为0.275千瓦时/立方米。

随着各地标准升级的实施，我国污水处理的能耗将进一步增加。面对巨大的能源和材料消耗，污水处理领域的碳减排迫在眉睫。从国外污水处理行业的发展现状来看，“高能耗、高物耗的高质量出水”以及由此产生的“减排污染物、增加温室气体”的局面不利于我国污水处理行业的健康发展，低碳污水处理应该是未来的发展方向。

对全国3830家污水处理厂的数据进行了整理和统计，并对华北、华东、华南、东北和西北的26家污水处理厂进行了实地调查。根据典型工艺运行数据分析和各地区代表性污水处理厂的实际监测，根据ipcc方法和相关方法研究，2015年中国污水处理排放的ch4和n2o的直接碳排放量为2512.2万吨co2当量，电力消耗的间接碳排放量为1401.6万吨co2当量，絮凝剂消耗的间接碳排放量为70.9万吨co2当量。综上所述，2015年中国污水处理行业的碳排放为3984.7万吨二氧化碳当量，单位水量的碳排放当量(碳排放强度)为0.78千克/立方米。

中国污水处理行业如何减少碳排放。

污水处理厂是减少水中污染物最重要的环节，但它也在这个过程中产生大量的碳排放。在国际上，节能减排已经成为城市污水处理系统的发展方向，发展的核心是将成熟的节能技术和高效的机电设备集成在系统上，提高现有的运行管理水平。例如，美国重视高效机电设备的应用，加拿大重视全厂的优化运行，欧盟强调化学加药的科学控制，日本通过新的曝气设备和新的污泥处理系统降低系统能耗和n2o排放。

根据国际经验，利用高效设备对水厂运行过程进行优化和控制，可降低电耗20-50%，那么水厂效率的提高可节约电耗28-70亿千瓦时，相当于减少二氧化碳排放量279-698万吨/年，产生效益约22.4-56亿元。

目前，我国污水处理厂在运行过程中，不仅存在不合理的运行监管和管理不当造成的能源浪费，还存在各处理单元设备效率低下导致的碳排放超标。中国污水处理厂的低碳运行需要注意两个方面:一是基于整个生命周期的碳排放较低，主要针对污水处理过程中使用的结构、产品或服务；二是终端消耗的碳排放量较低，因此在运行过程中要注意处理能耗、药物消耗和节能减排。

1.提高污水处理的综合能效

首先，采用高效机电设备，直接从新建设施中购买高效设备，并逐步将现有设施更新为高效设备。污水处理机电设备主要包括三大类:液压传动、搅拌混合和鼓风曝气。效率提高5-10%通常可以通过使用高效电机来实现。

二是加强负荷管理，在满足工艺要求的前提下尽量减少负荷，同时设备配置与实际负荷相匹配，避免“大马拉小车”。主要包括以下几个方面:(1)污水提升和污泥回流装置的液压传动设备大部分时间处于低效工况，需要进行改造。②污泥混合搅拌设备的设计搅拌功率一般过大，处于过度搅拌状态。准确把握搅拌器与介质之间的力和能量传递关系，可以准确测量出实际工作条件下所需搅拌器的尺寸，有效避免功耗的浪费。③优化螺旋桨和曝气系统之间的位置和距离，可以使系统的能量损失最小化。④曝气系统的耗电量约占污水处理总耗电量的50-70%，这是加强负荷管理的重点。

第三，建立需求响应机制，根据实际工况动态调整设备的运行状态。目前，污水行业出现了感应调速和直线调速的水力输送搅拌设备，可以有效优化水力输送搅拌系统的整体运行，实现节能降耗。在特定的工作条件下，内置智能控制系统的液压输送设备和搅拌器比传统设备甚至可以节约50%以上的能耗。

2.大力回收能源

污水含有大量能量，理论上是污水处理所需能量的数倍。污水经过处理后，其大部分能量被转移到污泥中，因此开发和回收污泥中的能量具有很大的潜力。污泥能量主要集中在厌氧方向，包括三条技术途径:厌氧发酵产乙醇、厌氧发酵产氢气和厌氧消化产甲烷。

传统厌氧消化技术的能量转化率为30-40%，而先进厌氧消化技术的能量转化率可提高到50-60%。先进的厌氧消化技术包括高温厌氧消化、温度分级厌氧消化(tpad)、酸气两相厌氧消化和延迟厌氧消化。

传统的厌氧消化技术可以使污水处理厂实现20-30%的能源自给，而预处理、高级厌氧消化、涡轮发动机或燃料电池与热电联产(chp)的耦合使用有望使污水处理实现30-50%的能源自给，大大减少间接碳排放，并减少甲烷产生和逃逸造成的直接排放。

3.探索可持续的新流程

(1)针对有机物去除过程

基于有机污染物去除的新型可持续废水处理技术主要是厌氧处理技术，能耗低，可回收能源。高浓度有机废水的厌氧处理技术已经成熟，但城市废水的有机浓度较低，厌氧处理存在投资大、占地大等障碍。目前，城市污水厌氧处理的研究热点是厌氧膜生物反应器(anmbr)。与传统厌氧工艺相比，它可以大大减少占地面积，但技术成熟程度与生产应用仍有差距。

(2)低能耗、低药耗的脱氮工艺

低能耗、低碳源消耗的脱氮工艺主要包括基于短程脱氮原理的sharon工艺和基于厌氧氨氧化的annamox/demon工艺。与传统的aao工艺相比，沙龙工艺可节约25%的能源消耗和40%的碳源消耗，而annamox工艺可节约60%的能源消耗和90%的碳源消耗。目前，sharon和annamox在处理高浓度氨氮废水方面比较成熟。annamox工艺虽然在典型城市污水处理方面取得了进展，但离实际应用还很远。

(3)碳氮两步法

未来革命性的可持续污水处理技术是碳氮两级法:首先分离污水中的有机物，分离出的污泥经厌氧消化产生ch4，或者污水直接进行厌氧处理，分离出的含氨氮污水经主流厌氧氨氧化脱氮。据理论估算，采用上述碳氮两级法，处理一个人口当量的污染物将产生24瓦时的能量，使污水处理厂真正成为一个“能源工厂”，污泥产量仅为活性污泥法的四分之一。