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专家解惑丨如何构建低碳时代污水处理新格局?

来源:EBET易博真人 环保     发布时间:2021-03-16

       上世纪末起,受气候变化、全球性能源危机与资源匮乏影响,迫使人们不得不寻求可持续发展之路。进入二十一世纪二十年代之际,在后疫情时代,低碳发展课题被迅速放大。2020年12月12日,我国在气候雄心峰会上承诺到2030年,中国单位国内生产总值二氧化碳排放将比2005年下降65%以上,实现“碳达峰”,努力争取2060年前实现“碳中和”。于是,一时间“碳达峰”、“碳中和”骤然走热,低碳发展、低碳社会昭然而为这个时代的主旋律和热点。
 
  我国自污染防治攻坚战以来,污水处理建设迅猛发展,遍地开花且投资力度逐年加大,到2020年,全国城市污水处理率达到95%(“十三五”规划目标),农村污水处理率达到25.5%(2021年全国生态环境保护大会透露)。逐渐完备的、庞大的污水处理行业在低碳时代的挑战在哪里?机遇几何?这已是这个行业进入2021年的一个重大课题。
 
  污水处理被认为是一个高耗能行业,传统污水处理实际上是停留时间、处理空间、投入能源、物耗资源四个维度上的调整与组合,甚至可以说高标准的出水水质,是以能耗、物耗的形式实施的污染形态转移来实现的,有人认为:碧水的同时未必是蓝天,耗能导致的水污染物转为CO2、CH4、N2O、NH3、H2S等温室气体,特别是对污水处理标准一再提高,能耗越来越高,这样的转换也越来突出(目前针对污水厂的提标升级方案目前主要包括:针对现有工艺的优化;增加投药,如增加化学除磷和外加碳源;增加后续物化处理单元如高效沉淀和砂滤池、增加生化单元如后置反硝化滤池及膜工艺,但优质的出水带来的是更多的能耗和物耗)。联合国数据显示,全球污水处理等水处理行业碳排放量大约占全球碳排放量2%左右。美国2017年能源消耗量中约2% 用于饮用水和污水处理系统,产生约4100万吨温室气体。
 
  我国污水处理行业在许多地方存在其建设先天不足,其发展后天失调。以快速地大幅提高污水处理率,补环境基础设施短板为责任导向的污水处理建设模式,面临了规划的盲目性、技术的混杂性、管网的滞后性诸多问题,以污染物总量减排、流域水环境质量达标为目标导向的污水处理运行模式,又面临着水质提标、进水浓度偏低、污水溢流、污泥无出路等问题。目前,如何消化这些先天不足与后天失调,符合各类环保督察要求,已让各地污水处理厂殚精竭力,在这样的基础上,在这样的时间节点上,我们又迎来了低碳旋风,进入了低碳绿色发展时代。无论是站位或跟风绿色低碳发展的外力,还是节能降耗提升企业核心竞争力的内需,污水处理行业的新格局调整已不可回避。
 
  什么是污水处理新格局?在攻占山头之后,我们回到原来的问题,我们处理的对象是什么?污水是一个污染物,我们就转化它,让它达标。污水是一个范畴,我们就将其放入水平衡系统,让水环境与水生态、水资源协调。污水是一个载体,我们就需要将污水处理厂逐渐演变为“营养物Nutrient工厂”、“能源Energy工厂”、“再生水Water厂”(即,荷兰提出的污水处理NEWs概念)。这三个过程,我们可以将其分别视为污水处理的1.0、2.0、3.0版本(为比较表述,非定义),我们刚完成了1.0,正在2.0中探索时,就要面向或升入3.0,这就是我们面临的污水处理新格局。
 
  从全球可持续性发展的角度而言,污水处理的目标不仅仅是缓解水污染问题,而应该是多目标综合考虑,可持续地利用或回收能源和资源,以此立足,方可实现环境社会的可持续性与污水处理企业的可持续性。污水处理既是重要的公共事业,又是一个被政策驱动的行业,谁提早开启低碳变革,谁将赢得更大的主动权和更广阔的发展空间。
 
  幸福的模样?
 
  污水处理3.0的幸福模样:内外兼修,讨好了社会的面子,做足了企业的里子。
 
  城市污水处理技术的研究与应用经历了100 多年的发展历程,逐渐形成了一级处理、二级处理和深度处理等处理模式,发展了多种物理、物化和生物等处理技术。物化+生物的二级处理是城市污水处理厂通行的处理模式,而生物处理技术是国内外普遍采用的城市污水处理方法。
 
  在活性污泥法诞生100年后,人们开始重新总结与回顾污水处理技术的发展方向历程,从节能降耗角度审视污水处理过程的高能耗,从物质的角度审视污水处理的高“碳足迹”,这是至今以常规活性污泥工艺为主流的污水处理技术缺欠,于是,一些耦合资源和能源回收的概念路线不断涌现。目前世界范围内,对“污水”的认知已经从“废物处理”对象转向“资源及能源回收”的载体,基于资源回收、能源开发与利用与碳平衡理念的未来污水处理厂在一些发达国家、世界范围内领先的环境公司已经开始实践。奥地利斯特拉斯(Strass)污水处理厂以主流传统工艺(AB法)与侧流现代工艺(厌氧氨氧化)相结合方式实现剩余污泥产量最大化,早在2005年通过厌氧消化产甲烷并热电联产实现了能源自给率,达到碳中和运行目标。目前,该厂利用剩余污泥与厂外厨余垃圾厌氧共消化,使得能源自给率高达200%,不仅实现能源自给自足,而且还有一半所产生的能量可以向厂外供应,已成为名副其实的“能源工厂”。作为美国碳中和运行的榜样,Sheboygan污水处理厂通过开源与节流并举的技术措施不仅向美国而且也向世界展示了其污水处理能耗基本可以实现自给自足。2013年,该厂已实现了产电量与耗电量比值达90%~115%、产热量与耗热量比值达85%~90%的佳绩,基本实现了碳中和运行目标。2020年4月动工的江苏宜兴城市水资源概念厂正在探索中国的污水处理新概念,除了污染物削减基本功能,还具有城市能源工厂、水源工厂、肥料工厂等新功能,基于碳中和的新型环境基础设施。
 
  在此基础上,许多国家制定了应对气候变化的污水厂能耗自给或碳中和技术路线。美国水环境研究基金(WERF)提出 “Carbon-free Water”,更是制定出至2030年所有污水处理厂均要实现碳中和运行的目标。荷兰制定了2030年NEWs技术路线图。新加坡提出了从Brownfield(棕色水厂)到Greenfield(绿色水厂)的时间表与路线图。日本有关部门发布“Sewerage Vision 2100”,指出到本世纪末将完全实现污水处理能源自给自足。中国提出的2030年碳达峰,2060年碳中和,这对于污水处理行业也是一个时间表。
 
  华丽的转身?
 
  对于2030碳达峰和2060年碳中和的国家目标,污水处理行业如何认识?
 
  误区一:2030年碳达峰,现在污水处理碳排放仍有空间。
 
  2030年碳达峰是针对国家宏观经济社会发展战略而言的,材料、能源等经济、社会的基础需求在未来十年仍是刚需在此基础上以控制碳排放强度为主,控制碳排放总量为辅。就污水处理企业而言,在污水处理规模与设计规模确定的基础上,应确定现有GHG排放情况为基准的峰值控制原则,任何的技术改造、升级都应以此为基准,实施碳减排,直至最终的碳中和。就污水处理系统而言,笔者认为,碳达峰的意义应该是两个方面的:一是“应收尽收,应处尽处”将污水收集率与处理率达到城市或区域的最大化;二是完善收集系统,不断提高污水收集质量,不渗不漏,其污水处理厂的进水浓度“达峰”。
 
  误区二:污水处理过程能源的“自给自足”加“中水回用“— “净—零”就是碳中和。
 
  能耗自给是狭义的碳中和,不是真正意义上的碳中和。污水处理系统碳中和,应与其建设和运营过程中材料与设备的加工、污水处理中能耗与物耗、污泥处置中运输与利用等全生命周期排放等因素都有关,不是指狭义的能量平衡或自给。能量只是碳排放的一个方面而已,污水处理的碳排放平衡一定要考虑甲烷、氮氧化物等GHG的溢出。
 
  误区三:碳中和及碳达峰是理念重视问题,不是技术问题
 
  虽然1997年《京都议定书》列出了有助于减少温室气体排放的政策或做法。然而,迄今为止,我们对全球变暖所涉因素的理解非常有限。这是一个非常复杂的领域,必须考虑到各种温室气体来源以及自然波动。虽然国际上普遍不认为城市废水处理中的碳排放不被认为是造成全球变暖的温室气体的一部分。这种碳代表最近固定C的分解,被认为是生物或快速碳循环的一部分,然而污水处理过程中的CH4或N2O和污泥处理需要在计算中加以考虑。然而,如何根据不同的条件确定不同处理工艺的GHG和LCA取值,至今仍然存在较大的争议。污水处理厂污染物去除协同控制温室气体核算的标准体系没有形成,例如,对于污泥填埋、堆肥、焚烧等工艺,不同国家甚至得出结果大相径庭的不同结果,此外,有机质协同消化、协同焚烧等工艺测算值由于地域性和工艺差别很大,导致难以确定污水、污泥处理工艺的指导性原则。
 
  误区四:碳中和是政策导向,不是经济导向
 
  环境问题既是国家大政,也应该以技术经济为基础和导向脚踏实地的推进。治大国如烹小鲜,依靠口号和“弯道超车“的投机意识,难免会像之前的光伏、碳交易市场一样,看着热闹,冷暖自知。鉴于碳中和度量和检查难度很大,靠层层任务分解和监督检查很难解决问题。
 
  污水处理厂(WWTPs)实现碳中和华丽转身的三个维度:
 
  能量维度。许多研究与工程试验已被用于探知从污水中回收能源,以满足污水处理运行现场能量自给自足的可行性。一方面支出最小化,使用清洁能源并在污水处理进行中摸索低能耗方案;二方面收入最大化,污水中所蕴含的如此巨大的能量,捕获污水中所蕴含的有机化学能、热能就地转换为电能,欧美等国家一些实施碳中和运行目标的污水处理厂也大都以剩余污泥厌氧消化转化能源为主要手段。理论上可以实现能耗的完全自给甚至可以变成能量输出厂,有充分的理论与实践依据表明,未来污水处理厂不是能源的消耗者而应该成为能源供应方。这些举措支持了减少污水处理厂全生命周期温室气体GHG排放的相关目标。
 
  资源回收维度。从污水中回收资源具有宽广的范围,污水处理最大的资源回收是中水回用与再生水利用,如新加坡的NEWATER项目,再生水用途一般为非饮用目的,如用作工业冷却、园林绿化灌溉、景观用水等,当然亦有补充地下水,作为间接饮用水用途,根据国内通过评价大连某污水厂生命周期环境过程的研究,表明当出水回用率达到 70%时,回用水通过抵消自来水生产获得的环境效益可以抵消新增深度处理设施带来的环境影响,从而对原有二级处理工艺 LCA 环境影响进行减量。
 
  另一个在欧美广受重视,而被我们忽视的污水资源回收问题是对磷这一不可再生资源回收。尽管目前有关污水处理磷回收的研究很多,就目前的鸟粪石工艺从污泥中回收磷与磷矿开发利用之间进行经济效益比较是不合理的,也许正是这个原因,目前没有将磷回收纳入污水处理厂LCA 评价体系之中,它在污水处理环境综合影响方面的减量作用也未能体现。当然,从资源的角度优化原料投入环节也十分重要,污水处理本质是通过生化反应来去除水中污染物,在处理环节需要投加碳源和多种化学药剂,这些原材料在生产和运输过程中消耗能源,在投加过程中也消耗一定能源,因此,优化投料环节,有助于节能降耗减少碳排放。
 
  碳平衡维度。污水处理碳中和运行中,剩余污泥是重要的能源化、资源化载体物质,需要从污水系统碳平衡的维度,以增量方式去获得,需要改变污泥减量化的现行观念,以碳中和运行为目标的污泥增量近年来已在国际上悄然兴起。为此,以城市碳平衡系统来考虑,通过COD内源截留与外源挖潜方式最大限度地去实现“污泥增量”。“污泥增量”的两个途径:一是内源途径,提高污水处理厂进水COD负荷,通过完备、完善的管网系统收集污水,最大限度避免污水碳源流失,减少甚至无需补充反硝化的外加碳源,实现处理过程中的碳平衡。二是外源途径,在生活污水收集时,在保障系统安全的条件下,可考虑食品、屠宰等高碳类生产废水接入;在后端的污泥厌氧消化时,可混入餐厨垃圾、果蔬垃圾、园林残枝等有机废物实施后端厌氧共消化技术。
 
  康庄的大道?
 
  这是康庄大道,还是一次漫长的告别?
 
  面对低碳时代污水处理向着资源、能源回收与碳中和转变的国际大趋势,先天不足与后天失调的我国污水处理事业显然又走到了一个新的十字路口。这就面临着新理念下的管理、技术、运行走向问题。
 
  当今中国经济有一个显著特征,风口经济。
 
  污水处理3.0不是推倒重来,而是循序渐进。对于已运行污水处理厂,当务之急是先要让既有污水处理设施运行达到它们设计之初的既定目标,打好基础、练好内功、不断改善。对于这些仍在规划中的污水处理厂建设,应在既有污水处理厂业已取得实际效果并积累了大量运行经验的前提下,可因地制宜地考虑实施资源/能源回收工艺,有条件的可一步到位实施污水处理碳中和工艺并运行。
 
  如何对接碳中和的污水处理3.0?上帝的归上帝,凯撒的归凯撒。政府与企业都要就污水处理碳中和做好各自相应的工作,确定边界并协同推进。目前可以起步的工作:
 
  重新定义基于流域系统的水环境目标:
 
  应该进一步反思此前基于污染源控制的水环境保护策略,近年来,各地政府一而再,再而三地把目标盯在污水处理厂,希望用不断提高的污水处理标准来实现水环境目标,甚至一些地方在环评中将污水处理标准定在地表水三类水质标准。已有的LCA研究表明,越高的污水排放标准,具有越大的生态环境负效应,实现碳中和的目标越难。流域水环境保护目标的实现需要就流域系统考虑,既要做污染负荷的减量,又要做生态容量的增量。污水排放标准的制定与修订要考虑碳源转向能源化、资源化途径后对后续脱氮工艺的影响,高排放标准与碳中和运行的实现目标矛盾,“鱼和熊掌不可兼得”,不实事求是地定义污水处理标准,中国污水处理实现碳中和很难。应该把投资和管控重点放到通过海绵城市实现源头减污,通过CSO进行初雨调蓄,通过管网改造、雨污分流实现应收尽收等历史遗留问题的解决上。
 
  提高污水进水有机负荷。对于我国污水处理碳中和而言,要做好的一个重要基础工作就管网系统完善,通过甲烷(CH4)热电联产(CHP)可以获得一定量有机物能源,这是污水处理碳中和的一个重点,污泥厌氧消化获取的有机能量与进水有机物负荷有关,但我国市政污水碳源普遍低下,能量衡算表明,进水COD为400mg/L,在完成脱氮除磷碳源使用后产生的剩余污泥,经厌氧消化+热电联产最多也只能产生0.20kW·h/m3电当量。若污水处理能耗为0.40kW·h/m3,这意味着距碳中和目标还有50%能量赤字,只有当进水COD为800mg/L时方能勉强满足0.40kW·h/m3碳中和需要。目前,我国大多数污水处理厂进水COD为200—300mg/L,须进一步完善管网建设,改造升级管网运营管理模式,加强漏损点勘测、整治和潜在漏损风险的预防,提高进水COD浓度,提供有效碳源,作为污水碳中和的基础工作。
 
  改变污水厂的考核标准和模式:
 
  正如张悦司长多次强调,我国的水污染问题在水里,根子在岸上。造成我国水环境污染的主要原因之一在于雨污混接,雨季溢流。鉴于我国污水厂进水浓度普遍偏低,如果进一步提升不仅将涉及现行化粪池设计规范的修改,还需要对管网、CSO等设施进行大量的投资,远水难解近渴的情况下,建议适时修订《城镇污水处理厂污染物排放标准》,将城镇污水处理厂出水考核合格率与“削减污染物总量“相结合,鼓励污水厂以生态环境优先,充分利用其污染物设计负荷余量,处理雨季的溢流污水。对超负荷运行的污水厂设置合格率考核,而非现行的超标处罚原则。在污水付费体制上,探索按照污染物削减总量付费的模式,并将全过程碳减排纳入考核指标。
 
  精细化污水处理管理,充分挖掘和利用污水热能:
 
  因地制宜积极采取各种措施对污水处理厂进行精细化管理,实现能耗、物耗节流,这也是绿色低碳发展的重要组成部分。一方面是不断优化运行参数,优化设备、设施运行状态,同时建立基于DO反馈的精确曝气控制(虽然不同处理工艺能耗不同,但曝气系统总体能耗占比最大,因此,污水处理厂节能降耗关键点在升级改造曝气系统。),在保证出水达标的前提下,按需提供微生物所需的溶解氧,达到供需平衡,避免曝气能耗的浪费。另一方面,在保证出水水质达标的前题下,政府管理部门应该充许运行企业自主调整运行流程、运行参数,不要一味生硬地按照环评的工艺流程和运行过程参数来督察与考核,避免污水处理系统不必要的能耗与物耗浪费。
 
  鼓励污水厂充分利用太阳能、水源热泵等技术,减少电能的消耗,实现能源自给。研究表明,水源热泵能有效地将污水中的热能转化为污水处理厂和邻近建筑物的热能,当1m3的出水冷却1℃时,可提供0.26kWh/m3℃的净电当量。
 
  分层次开展LCA评价:
 
  目前,针对污水处理系统的评价是以住房建设部门、环境保护部门对污水处理工作考核为核心的评估,重点仅在污水处理过程中的环境绩效、运行规范等污水处理的单因素评价。但随着对污水处理与社会可持续性的考量,需就污水处理进行多角度、全方位的综合考虑,对污水处理系统的可持续发展性进行更加全面的评价是污水处理行业评价的升级。基于 LCA 的综合评价方法,是一种国际上普遍认同的、用于评价产品或服务相关的环境因素及其整个生命周期环境影响的工具。生命周期评价通过综合污水处理系统中的物耗、能耗、污染物排放等因素,将结果统一量化为资源消耗、环境变化、毒性等影响指标,也可进行加权得到综合指标。由于生命周期评价考虑的是污水处理系统的整个生命周期,不仅仅局限于某个阶段,故能够全面的评价该系统的总环境影响、社会可持续性、企业可持续性,有利于实现污水处理的系统管理。在污水处理系统开展LCA评价,我国已有许多研究与案例,面对低碳时代要求,需进行相应的评价标准、基准、方法规范,由学术范畴走向行政管理与行业自审制度设置。就污水处理系统而言,需分层次、以不同的边界开展LCA评价:一是污水处理厂(WWTPs)边界,在污水处理企业建立评价清单,确定评价指数,定期开展LCA评价,以此评价作为政府、利益相关方对污水处理行业考核的依据,环境绩效考核不仅是污水达标情况,还需考核温室气体GHG排放;二是扩大污水处理 LCA 分析的系统边界,不再仅仅局限于污水处理厂,而是包括了整个城市水/废水系统,即从污水处理规划、建设,污水收集、管网、处理、回用、排放等全过程建立LCA评价体系,作为上级政府与部门对下级城市政府污水处理系统考核与评价的依据。LCA 评价可以更加客观揭示污水处理的“大气-水-土地”相互联动的生态事实,综合考虑污水厂生产过程中二氧化碳、一氧化二氮、甲烷等温室气体的排放核算,将传统污水处理为“污染转嫁”过程的问题定量展现,避免一味靠“提标”,为仅达到单一改善水环境的目而转移生态环境问题,从而选择综合方案来实现最小化总生态环境影响,如在磷回收决策上,是否进行磷回收?是单独从湿污泥中以鸟粪石工艺回收,还是让污泥焚烧,从焚烧的干灰中回收?都应放在LCA的层面,寻找最优决策。
 
  建立污水处理GHG清单:
 
  对于污水处理碳中和工作,有一项基础的工作就是建立污水处理企业GHG清单。就污水和污泥处理(包括运输过程)过程中的直接排放,如出水中的污染物,CO2,CH4,NOx,SO2 等;以及投入的能源和物料(包括建设过程)在其生产过程中所造成的间接环境排放建立污水处理企业GHG清单,初始清单作为碳中和的初始情景或基线。2006 年 IPCC 发布了《2006 国家温室气体清单指南》,可按照其中的方法学,就GHG排放清单的项目与因子基于活动数据和排放系数来进行计算,因此也称为排放系数法。如果是依据国家统计资料制定排放清单的话,则采用“自上而下”的方法;如以技术流程为基础,需对污水处理GHG排放的工艺特征、规模特征和区域特点进行细化评估,需区别“生源碳“与”化石碳“核算,可“自下而上”核算评估。
 
  探索污泥共消化:
 
  污泥共消化发挥了基质间的协同作用,提高了底物的降解速率和降解程度,使能源转化效率显著提高。如果有条件可将厨余垃圾、绿化草木残体、果蔬垃圾等有机废弃物与剩余污泥一并共消化,这不仅是污水处理碳中和的途径,而且也为综合处置城市市政有机固体废弃物开辟一条可持续发展之路。建议尽快建立污水处理厂污染物去除协同控制温室气体核算的标准体系。
 
  政策引导,鼓励资源型、能源型污水厂的建设:
 
  由于低碳污水厂技术风险大、投资成本高,建议从国家层面制定污水处理厂碳减排补偿和能源工厂补贴机制,通过政策加经济的手段,引导和推动更多有创新性的企业加入到碳中和污水厂的建设和运营中来;
 
  改变污水成本定价监审办法和增值税管理办法,将节能降耗增加的成本纳入监审成本,由此产生的利润全额奖励给污水厂;
 
  同时,进一步降低污水回用的门槛,通过水资源配给机制和回用水收费机制弥补水资源的不足;
 
  加大碳交易机构的建设和标准建设,鼓励通过GHG减排交易实现产业投入的回报机制。
 
  通过绿色信贷、绿色债券、绿色股票指数和相关产品、绿色发展基金、绿色保险、碳金融等金融工具和相关政策支持绿色污水厂转型。
 
  综上所述,污水处理行业实现碳中和是一项长期的系统性工程。就系统而言,需要政府相关部门和企业全面升级管理运营思想与模式,需要从多维度与多层次进行顶层规划、系统设计和统筹安排。这不单是整个行业技术和理念的更新,而且是整个城市物质流认知的革命。
 
  这将是一个漫长和曲折的过程。但让人欣慰的是,集结号已经吹起,我们有理由相信,政策驱动的制度优势将再现神绩,中国污水处理行业将很快为碳中和战略做出积极贡献。
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