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專家解惑丨如何構(gòu)建低碳時(shí)代污水處理新格局？
來(lái)源：科柏盛環(huán)保 發(fā)布時(shí)間：2021-03-16
上世紀(jì)末起，受氣候變化、全球性能源危機(jī)與資源匱乏影響，迫使人們不得不尋求可持續(xù)發(fā)展之路。進(jìn)入二十一世紀(jì)二十年代之際，在后疫情時(shí)代，低碳發(fā)展課題被迅速放大。2020年12月12日，我國(guó)在氣候雄心峰會(huì)上承諾到2030年，中國(guó)單位國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值二氧化碳排放將比2005年下降65%以上，實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰”，努力爭(zhēng)取2060年前實(shí)現(xiàn)“碳中和”。于是，一時(shí)間“碳達(dá)峰”、“碳中和”驟然走熱，低碳發(fā)展、低碳社會(huì)昭然而為這個(gè)時(shí)代的主旋律和熱點(diǎn)。
我國(guó)自污染防治攻堅(jiān)戰(zhàn)以來(lái)，污水處理建設(shè)迅猛發(fā)展，遍地開花且投資力度逐年加大，到2020年，全國(guó)城市污水處理率達(dá)到95%(“十三五”規(guī)劃目標(biāo))，農(nóng)村污水處理率達(dá)到25.5%(2021年全國(guó)生態(tài)環(huán)境保護(hù)大會(huì)透露)。逐漸完備的、龐大的污水處理行業(yè)在低碳時(shí)代的挑戰(zhàn)在哪里?機(jī)遇幾何?這已是這個(gè)行業(yè)進(jìn)入2021年的一個(gè)重大課題。
污水處理被認(rèn)為是一個(gè)高耗能行業(yè)，傳統(tǒng)污水處理實(shí)際上是停留時(shí)間、處理空間、投入能源、物耗資源四個(gè)維度上的調(diào)整與組合，甚至可以說(shuō)高標(biāo)準(zhǔn)的出水水質(zhì)，是以能耗、物耗的形式實(shí)施的污染形態(tài)轉(zhuǎn)移來(lái)實(shí)現(xiàn)的，有人認(rèn)為：碧水的同時(shí)未必是藍(lán)天，耗能導(dǎo)致的水污染物轉(zhuǎn)為CO2、CH4、N2O、NH3、H2S等溫室氣體，特別是對(duì)污水處理標(biāo)準(zhǔn)一再提高，能耗越來(lái)越高，這樣的轉(zhuǎn)換也越來(lái)突出(目前針對(duì)污水廠的提標(biāo)升級(jí)方案目前主要包括：針對(duì)現(xiàn)有工藝的優(yōu)化;增加投藥，如增加化學(xué)除磷和外加碳源;增加后續(xù)物化處理單元如高效沉淀和砂濾池、增加生化單元如后置反硝化濾池及膜工藝，但優(yōu)質(zhì)的出水帶來(lái)的是更多的能耗和物耗)。聯(lián)合國(guó)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(guó)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(wàn)噸溫室氣體。
我國(guó)污水處理行業(yè)在許多地方存在其建設(shè)先天不足，其發(fā)展后天失調(diào)。以快速地大幅提高污水處理率，補(bǔ)環(huán)境基礎(chǔ)設(shè)施短板為責(zé)任導(dǎo)向的污水處理建設(shè)模式，面臨了規(guī)劃的盲目性、技術(shù)的混雜性、管網(wǎng)的滯后性諸多問(wèn)題，以污染物總量減排、流域水環(huán)境質(zhì)量達(dá)標(biāo)為目標(biāo)導(dǎo)向的污水處理運(yùn)行模式，又面臨著水質(zhì)提標(biāo)、進(jìn)水濃度偏低、污水溢流、污泥無(wú)出路等問(wèn)題。目前，如何消化這些先天不足與后天失調(diào)，符合各類環(huán)保督察要求，已讓各地污水處理廠殫精竭力，在這樣的基礎(chǔ)上，在這樣的時(shí)間節(jié)點(diǎn)上，我們又迎來(lái)了低碳旋風(fēng)，進(jìn)入了低碳綠色發(fā)展時(shí)代。無(wú)論是站位或跟風(fēng)綠色低碳發(fā)展的外力，還是節(jié)能降耗提升企業(yè)核心競(jìng)爭(zhēng)力的內(nèi)需，污水處理行業(yè)的新格局調(diào)整已不可回避。
什么是污水處理新格局?在攻占山頭之后，我們回到原來(lái)的問(wèn)題，我們處理的對(duì)象是什么?污水是一個(gè)污染物，我們就轉(zhuǎn)化它，讓它達(dá)標(biāo)。污水是一個(gè)范疇，我們就將其放入水平衡系統(tǒng)，讓水環(huán)境與水生態(tài)、水資源協(xié)調(diào)。污水是一個(gè)載體，我們就需要將污水處理廠逐漸演變?yōu)椤盃I(yíng)養(yǎng)物Nutrient工廠”、“能源Energy工廠”、“再生水Water廠”(即，荷蘭提出的污水處理NEWs概念)。這三個(gè)過(guò)程，我們可以將其分別視為污水處理的1.0、2.0、3.0版本(為比較表述，非定義)，我們剛完成了1.0，正在2.0中探索時(shí)，就要面向或升入3.0，這就是我們面臨的污水處理新格局。
從全球可持續(xù)性發(fā)展的角度而言，污水處理的目標(biāo)不僅僅是緩解水污染問(wèn)題，而應(yīng)該是多目標(biāo)綜合考慮，可持續(xù)地利用或回收能源和資源，以此立足，方可實(shí)現(xiàn)環(huán)境社會(huì)的可持續(xù)性與污水處理企業(yè)的可持續(xù)性。污水處理既是重要的公共事業(yè)，又是一個(gè)被政策驅(qū)動(dòng)的行業(yè)，誰(shuí)提早開啟低碳變革，誰(shuí)將贏得更大的主動(dòng)權(quán)和更廣闊的發(fā)展空間。
幸福的模樣?
污水處理3.0的幸福模樣：內(nèi)外兼修，討好了社會(huì)的面子，做足了企業(yè)的里子。
城市污水處理技術(shù)的研究與應(yīng)用經(jīng)歷了100 多年的發(fā)展歷程，逐漸形成了一級(jí)處理、二級(jí)處理和深度處理等處理模式，發(fā)展了多種物理、物化和生物等處理技術(shù)。物化+生物的二級(jí)處理是城市污水處理廠通行的處理模式，而生物處理技術(shù)是國(guó)內(nèi)外普遍采用的城市污水處理方法。
在活性污泥法誕生100年后，人們開始重新總結(jié)與回顧污水處理技術(shù)的發(fā)展方向歷程，從節(jié)能降耗角度審視污水處理過(guò)程的高能耗，從物質(zhì)的角度審視污水處理的高“碳足跡”，這是至今以常規(guī)活性污泥工藝為主流的污水處理技術(shù)缺欠，于是，一些耦合資源和能源回收的概念路線不斷涌現(xiàn)。目前*范圍內(nèi)，對(duì)“污水”的認(rèn)知已經(jīng)從“廢物處理”對(duì)象轉(zhuǎn)向“資源及能源回收”的載體，基于資源回收、能源開發(fā)與利用與碳平衡理念的未來(lái)污水處理廠在一些發(fā)達(dá)*、*范圍內(nèi)*的環(huán)境公司已經(jīng)開始實(shí)踐。奧地利斯特拉斯(Strass)污水處理廠以主流傳統(tǒng)工藝(AB法)與側(cè)流現(xiàn)代工藝(厭氧氨氧化)相結(jié)合方式實(shí)現(xiàn)剩余污泥產(chǎn)量*大化，早在2005年通過(guò)厭氧消化產(chǎn)甲烷并熱電聯(lián)產(chǎn)實(shí)現(xiàn)了能源自給率，達(dá)到碳中和運(yùn)行目標(biāo)。目前，該廠利用剩余污泥與廠外廚余垃圾厭氧共消化，使得能源自給率高達(dá)200%，不僅實(shí)現(xiàn)能源自給自足，而且還有一半所產(chǎn)生的能量可以向廠外供應(yīng)，已成為名副其實(shí)的“能源工廠”。作為美國(guó)碳中和運(yùn)行的榜樣，Sheboygan污水處理廠通過(guò)開源與節(jié)流并舉的技術(shù)措施不僅向美國(guó)而且也向*展示了其污水處理能耗基本可以實(shí)現(xiàn)自給自足。2013年，該廠已實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)電量與耗電量比值達(dá)90%~115%、產(chǎn)熱量與耗熱量比值達(dá)85%~90%的佳績(jī)，基本實(shí)現(xiàn)了碳中和運(yùn)行目標(biāo)。2020年4月動(dòng)工的江蘇宜興城市水資源概念廠正在探索中國(guó)的污水處理新概念，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，基于碳中和的新型環(huán)境基礎(chǔ)設(shè)施。
在此基礎(chǔ)上，許多*制定了應(yīng)對(duì)氣候變化的污水廠能耗自給或碳中和技術(shù)路線。美國(guó)水環(huán)境研究基金(WERF)提出 “Carbon-free Water”，更是制定出至2030年所有污水處理廠均要實(shí)現(xiàn)碳中和運(yùn)行的目標(biāo)。荷蘭制定了2030年NEWs技術(shù)路線圖。新加坡提出了從Brownfield(棕色水廠)到Greenfield(綠色水廠)的時(shí)間表與路線圖。日本有關(guān)部門發(fā)布“Sewerage Vision 2100”，指出到本世紀(jì)末將完全實(shí)現(xiàn)污水處理能源自給自足。中國(guó)提出的2030年碳達(dá)峰，2060年碳中和，這對(duì)于污水處理行業(yè)也是一個(gè)時(shí)間表。
華麗的轉(zhuǎn)身?
對(duì)于2030碳達(dá)峰和2060年碳中和的*目標(biāo)，污水處理行業(yè)如何認(rèn)識(shí)?
誤區(qū)一：2030年碳達(dá)峰，現(xiàn)在污水處理碳排放仍有空間。
2030年碳達(dá)峰是針對(duì)*宏觀經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展戰(zhàn)略而言的，材料、能源等經(jīng)濟(jì)、社會(huì)的基礎(chǔ)需求在未來(lái)十年仍是剛需在此基礎(chǔ)上以控制碳排放強(qiáng)度為主，控制碳排放總量為輔。就污水處理企業(yè)而言，在污水處理規(guī)模與設(shè)計(jì)規(guī)模確定的基礎(chǔ)上，應(yīng)確定現(xiàn)有GHG排放情況為基準(zhǔn)的峰值控制原則，任何的技術(shù)改造、升級(jí)都應(yīng)以此為基準(zhǔn)，實(shí)施碳減排，直至*終的碳中和。就污水處理系統(tǒng)而言，筆者認(rèn)為，碳達(dá)峰的意義應(yīng)該是兩個(gè)方面的：一是“應(yīng)收盡收，應(yīng)處盡處”將污水收集率與處理率達(dá)到城市或區(qū)域的*大化;二是完善收集系統(tǒng)，不斷提高污水收集質(zhì)量，不滲不漏，其污水處理廠的進(jìn)水濃度“達(dá)峰”。
誤區(qū)二：污水處理過(guò)程能源的“自給自足”加“中水回用“— “凈—零”就是碳中和。
能耗自給是狹義的碳中和，不是真正意義上的碳中和。污水處理系統(tǒng)碳中和，應(yīng)與其建設(shè)和運(yùn)營(yíng)過(guò)程中材料與設(shè)備的加工、污水處理中能耗與物耗、污泥處置中運(yùn)輸與利用等全生命周期排放等因素都有關(guān)，不是指狹義的能量平衡或自給。能量只是碳排放的一個(gè)方面而已，污水處理的碳排放平衡一定要考慮甲烷、氮氧化物等GHG的溢出。
誤區(qū)三：碳中和及碳達(dá)峰是理念重視問(wèn)題，不是技術(shù)問(wèn)題
雖然1997年《京都議定書》列出了有助于減少溫室氣體排放的政策或做法。然而，迄今為止，我們對(duì)全球變暖所涉因素的理解非常有限。這是一個(gè)非常復(fù)雜的領(lǐng)域，必須考慮到各種溫室氣體來(lái)源以及自然波動(dòng)。雖然國(guó)際上普遍不認(rèn)為城市廢水處理中的碳排放不被認(rèn)為是造成全球變暖的溫室氣體的一部分。這種碳代表*近固定C的分解，被認(rèn)為是生物或快速碳循環(huán)的一部分，然而污水處理過(guò)程中的CH4或N2O和污泥處理需要在計(jì)算中加以考慮。然而，如何根據(jù)不同的條件確定不同處理工藝的GHG和LCA取值，至今仍然存在較大的爭(zhēng)議。污水處理廠污染物去除協(xié)同控制溫室氣體核算的標(biāo)準(zhǔn)體系沒(méi)有形成，例如，對(duì)于污泥填埋、堆肥、焚燒等工藝，不同*甚至得出結(jié)果大相徑庭的不同結(jié)果，此外，有機(jī)質(zhì)協(xié)同消化、協(xié)同焚燒等工藝測(cè)算值由于地域性和工藝差別很大，導(dǎo)致難以確定污水、污泥處理工藝的指導(dǎo)性原則。
誤區(qū)四：碳中和是政策導(dǎo)向，不是經(jīng)濟(jì)導(dǎo)向
環(huán)境問(wèn)題既是*大政，也應(yīng)該以技術(shù)經(jīng)濟(jì)為基礎(chǔ)和導(dǎo)向腳踏實(shí)地的推進(jìn)。治大國(guó)如烹小鮮，依靠口號(hào)和“彎道超車“的投機(jī)意識(shí)，難免會(huì)像之前的光伏、碳交易市場(chǎng)一樣，看著熱鬧，冷暖自知。鑒于碳中和度量和檢查難度很大，靠層層任務(wù)分解和監(jiān)督檢查很難解決問(wèn)題。
污水處理廠(WWTPs)實(shí)現(xiàn)碳中和華麗轉(zhuǎn)身的三個(gè)維度：
能量維度。許多研究與工程試驗(yàn)已被用于探知從污水中回收能源，以滿足污水處理運(yùn)行現(xiàn)場(chǎng)能量自給自足的可行性。一方面支出*小化，使用清潔能源并在污水處理進(jìn)行中摸索低能耗方案;二方面收入*大化，污水中所蘊(yùn)含的如此巨大的能量，捕獲污水中所蘊(yùn)含的有機(jī)化學(xué)能、熱能就地轉(zhuǎn)換為電能，歐美等*一些實(shí)施碳中和運(yùn)行目標(biāo)的污水處理廠也大都以剩余污泥厭氧消化轉(zhuǎn)化能源為主要手段。理論上可以實(shí)現(xiàn)能耗的完全自給甚至可以變成能量輸出廠，有充分的理論與實(shí)踐依據(jù)表明，未來(lái)污水處理廠不是能源的消耗者而應(yīng)該成為能源供應(yīng)方。這些舉措支持了減少污水處理廠全生命周期溫室氣體GHG排放的相關(guān)目標(biāo)。
資源回收維度。從污水中回收資源具有寬廣的范圍，污水處理*大的資源回收是中水回用與再生水利用，如新加坡的NEWATER項(xiàng)目，再生水用途一般為非飲用目的，如用作工業(yè)冷卻、園林綠化灌溉、景觀用水等，當(dāng)然亦有補(bǔ)充地下水，作為間接飲用水用途，根據(jù)國(guó)內(nèi)通過(guò)評(píng)價(jià)大連某污水廠生命周期環(huán)境過(guò)程的研究，表明當(dāng)出水回用率達(dá)到 70%時(shí)，回用水通過(guò)抵消自來(lái)水生產(chǎn)獲得的環(huán)境效益可以抵消新增深度處理設(shè)施帶來(lái)的環(huán)境影響，從而對(duì)原有二級(jí)處理工藝 LCA 環(huán)境影響進(jìn)行減量。
另一個(gè)在歐美廣受重視，而被我們忽視的污水資源回收問(wèn)題是對(duì)磷這一不可再生資源回收。盡管目前有關(guān)污水處理磷回收的研究很多，就目前的鳥糞石工藝從污泥中回收磷與磷礦開發(fā)利用之間進(jìn)行經(jīng)濟(jì)效益比較是不合理的，也許正是這個(gè)原因，目前沒(méi)有將磷回收納入污水處理廠LCA 評(píng)價(jià)體系之中，它在污水處理環(huán)境綜合影響方面的減量作用也未能體現(xiàn)。當(dāng)然，從資源的角度優(yōu)化原料投入環(huán)節(jié)也十分重要，污水處理本質(zhì)是通過(guò)生化反應(yīng)來(lái)去除水中污染物，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(guò)程中消耗能源，在投加過(guò)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。
碳平衡維度。污水處理碳中和運(yùn)行中，剩余污泥是重要的能源化、資源化載體物質(zhì)，需要從污水系統(tǒng)碳平衡的維度，以增量方式去獲得，需要改變污泥減量化的現(xiàn)行觀念，以碳中和運(yùn)行為目標(biāo)的污泥增量近年來(lái)已在國(guó)際上悄然興起。為此，以城市碳平衡系統(tǒng)來(lái)考慮，通過(guò)COD內(nèi)源截留與外源挖潛方式*大限度地去實(shí)現(xiàn)“污泥增量”。“污泥增量”的兩個(gè)途徑：一是內(nèi)源途徑，提高污水處理廠進(jìn)水COD負(fù)荷，通過(guò)完備、完善的管網(wǎng)系統(tǒng)收集污水，*大限度避免污水碳源流失，減少甚至無(wú)需補(bǔ)充反硝化的外加碳源，實(shí)現(xiàn)處理過(guò)程中的碳平衡。二是外源途徑，在生活污水收集時(shí)，在保障系統(tǒng)安全的條件下，可考慮食品、屠宰等高碳類生產(chǎn)廢水接入;在后端的污泥厭氧消化時(shí)，可混入餐廚垃圾、果蔬垃圾、園林殘枝等有機(jī)廢物實(shí)施后端厭氧共消化技術(shù)。
康莊的大道?
這是康莊大道，還是一次漫長(zhǎng)的告別?
面對(duì)低碳時(shí)代污水處理向著資源、能源回收與碳中和轉(zhuǎn)變的國(guó)際大趨勢(shì)，先天不足與后天失調(diào)的我國(guó)污水處理事業(yè)顯然又走到了一個(gè)新的十字路口。這就面臨著新理念下的管理、技術(shù)、運(yùn)行走向問(wèn)題。
當(dāng)今中國(guó)經(jīng)濟(jì)有一個(gè)顯著特征，風(fēng)口經(jīng)濟(jì)。
污水處理3.0不是推倒重來(lái)，而是循序漸進(jìn)。對(duì)于已運(yùn)行污水處理廠，當(dāng)務(wù)之急是先要讓既有污水處理設(shè)施運(yùn)行達(dá)到它們?cè)O(shè)計(jì)之初的既定目標(biāo)，打好基礎(chǔ)、練好內(nèi)功、不斷改善。對(duì)于這些仍在規(guī)劃中的污水處理廠建設(shè)，應(yīng)在既有污水處理廠業(yè)已取得實(shí)際效果并積累了大量運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)的前提下，可因地制宜地考慮實(shí)施資源/能源回收工藝，有條件的可一步到位實(shí)施污水處理碳中和工藝并運(yùn)行。
如何對(duì)接碳中和的污水處理3.0?上帝的歸上帝，凱撒的歸凱撒。政府與企業(yè)都要就污水處理碳中和做好各自相應(yīng)的工作，確定邊界并協(xié)同推進(jìn)。目前可以起步的工作：
重新定義基于流域系統(tǒng)的水環(huán)境目標(biāo)：
應(yīng)該進(jìn)一步反思此前基于污染源控制的水環(huán)境保護(hù)策略，近年來(lái)，各地政府一而再，再而三地把目標(biāo)盯在污水處理廠，希望用不斷提高的污水處理標(biāo)準(zhǔn)來(lái)實(shí)現(xiàn)水環(huán)境目標(biāo)，甚至一些地方在環(huán)評(píng)中將污水處理標(biāo)準(zhǔn)定在地表水三類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。已有的LCA研究表明，越高的污水排放標(biāo)準(zhǔn)，具有越大的生態(tài)環(huán)境負(fù)效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)碳中和的目標(biāo)越難。流域水環(huán)境保護(hù)目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)需要就流域系統(tǒng)考慮，既要做污染負(fù)荷的減量，又要做生態(tài)容量的增量。污水排放標(biāo)準(zhǔn)的制定與修訂要考慮碳源轉(zhuǎn)向能源化、資源化途徑后對(duì)后續(xù)脫氮工藝的影響，高排放標(biāo)準(zhǔn)與碳中和運(yùn)行的實(shí)現(xiàn)目標(biāo)矛盾，“魚和熊掌不可兼得”，不實(shí)事求是地定義污水處理標(biāo)準(zhǔn)，中國(guó)污水處理實(shí)現(xiàn)碳中和很難。應(yīng)該把投資和管控重點(diǎn)放到通過(guò)海綿城市實(shí)現(xiàn)源頭減污，通過(guò)CSO進(jìn)行初雨調(diào)蓄，通過(guò)管網(wǎng)改造、雨污分流實(shí)現(xiàn)應(yīng)收盡收等歷史遺留問(wèn)題的解決上。
提高污水進(jìn)水有機(jī)負(fù)荷。對(duì)于我國(guó)污水處理碳中和而言，要做好的一個(gè)重要基礎(chǔ)工作就管網(wǎng)系統(tǒng)完善，通過(guò)甲烷(CH4)熱電聯(lián)產(chǎn)(CHP)可以獲得一定量有機(jī)物能源，這是污水處理碳中和的一個(gè)重點(diǎn)，污泥厭氧消化獲取的有機(jī)能量與進(jìn)水有機(jī)物負(fù)荷有關(guān)，但我國(guó)市政污水碳源普遍低下，能量衡算表明，進(jìn)水COD為400mg/L，在完成脫氮除磷碳源使用后產(chǎn)生的剩余污泥，經(jīng)厭氧消化+熱電聯(lián)產(chǎn)*多也只能產(chǎn)生0.20kW·h/m3電當(dāng)量。若污水處理能耗為0.40kW·h/m3，這意味著距碳中和目標(biāo)還有50%能量赤字，只有當(dāng)進(jìn)水COD為800mg/L時(shí)方能勉強(qiáng)滿足0.40kW·h/m3碳中和需要。目前，我國(guó)大多數(shù)污水處理廠進(jìn)水COD為200—300mg/L，須進(jìn)一步完善管網(wǎng)建設(shè)，改造升級(jí)管網(wǎng)運(yùn)營(yíng)管理模式，加強(qiáng)漏損點(diǎn)勘測(cè)、整治和潛在漏損風(fēng)險(xiǎn)的預(yù)防，提高進(jìn)水COD濃度，提供有效碳源，作為污水碳中和的基礎(chǔ)工作。
改變污水廠的考核標(biāo)準(zhǔn)和模式：
正如張悅司長(zhǎng)多次強(qiáng)調(diào)，我國(guó)的水污染問(wèn)題在水里，根子在岸上。造成我國(guó)水環(huán)境污染的主要原因之一在于雨污混接，雨季溢流。鑒于我國(guó)污水廠進(jìn)水濃度普遍偏低，如果進(jìn)一步提升不僅將涉及現(xiàn)行化糞池設(shè)計(jì)規(guī)范的修改，還需要對(duì)管網(wǎng)、CSO等設(shè)施進(jìn)行大量的投資，遠(yuǎn)水難解近渴的情況下，建議適時(shí)修訂《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》，將城鎮(zhèn)污水處理廠出水考核合格率與“削減污染物總量“相結(jié)合，鼓勵(lì)污水廠以生態(tài)環(huán)境優(yōu)先，充分利用其污染物設(shè)計(jì)負(fù)荷余量，處理雨季的溢流污水。對(duì)超負(fù)荷運(yùn)行的污水廠設(shè)置合格率考核，而非現(xiàn)行的超標(biāo)處罰原則。在污水付費(fèi)體制上，探索按照污染物削減總量付費(fèi)的模式，并將全過(guò)程碳減排納入考核指標(biāo)。
精細(xì)化污水處理管理，充分挖掘和利用污水熱能：
因地制宜積極采取各種措施對(duì)污水處理廠進(jìn)行精細(xì)化管理，實(shí)現(xiàn)能耗、物耗節(jié)流，這也是綠色低碳發(fā)展的重要組成部分。一方面是不斷優(yōu)化運(yùn)行參數(shù)，優(yōu)化設(shè)備、設(shè)施運(yùn)行狀態(tài)，同時(shí)建立基于DO反饋的精確曝氣控制(雖然不同處理工藝能耗不同，但曝氣系統(tǒng)總體能耗占比*大，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)。)，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)。另一方面，在保證出水水質(zhì)達(dá)標(biāo)的前題下，政府管理部門應(yīng)該充許運(yùn)行企業(yè)自主調(diào)整運(yùn)行流程、運(yùn)行參數(shù)，不要一味生硬地按照環(huán)評(píng)的工藝流程和運(yùn)行過(guò)程參數(shù)來(lái)督察與考核，避免污水處理系統(tǒng)不必要的能耗與物耗浪費(fèi)。
鼓勵(lì)污水廠充分利用太陽(yáng)能、水源熱泵等技術(shù)，減少電能的消耗，實(shí)現(xiàn)能源自給。研究表明，水源熱泵能有效地將污水中的熱能轉(zhuǎn)化為污水處理廠和鄰近建筑物的熱能,當(dāng)1m3的出水冷卻1℃時(shí),可提供0.26kWh/m3℃的凈電當(dāng)量。
分層次開展LCA評(píng)價(jià)：
目前，針對(duì)污水處理系統(tǒng)的評(píng)價(jià)是以住房建設(shè)部門、環(huán)境保護(hù)部門對(duì)污水處理工作考核為核心的評(píng)估，重點(diǎn)僅在污水處理過(guò)程中的環(huán)境績(jī)效、運(yùn)行規(guī)范等污水處理的單因素評(píng)價(jià)。但隨著對(duì)污水處理與社會(huì)可持續(xù)性的考量，需就污水處理進(jìn)行多角度、全方位的綜合考慮，對(duì)污水處理系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展性進(jìn)行更加全面的評(píng)價(jià)是污水處理行業(yè)評(píng)價(jià)的升級(jí)�；� LCA 的綜合評(píng)價(jià)方法，是一種國(guó)際上普遍認(rèn)同的、用于評(píng)價(jià)產(chǎn)品或服務(wù)相關(guān)的環(huán)境因素及其整個(gè)生命周期環(huán)境影響的工具。生命周期評(píng)價(jià)通過(guò)綜合污水處理系統(tǒng)中的物耗、能耗、污染物排放等因素，將結(jié)果統(tǒng)一量化為資源消耗、環(huán)境變化、毒性等影響指標(biāo)，也可進(jìn)行加權(quán)得到綜合指標(biāo)。由于生命周期評(píng)價(jià)考慮的是污水處理系統(tǒng)的整個(gè)生命周期，不僅僅局限于某個(gè)階段，故能夠全面的評(píng)價(jià)該系統(tǒng)的總環(huán)境影響、社會(huì)可持續(xù)性、企業(yè)可持續(xù)性，有利于實(shí)現(xiàn)污水處理的系統(tǒng)管理。在污水處理系統(tǒng)開展LCA評(píng)價(jià)，我國(guó)已有許多研究與案例，面對(duì)低碳時(shí)代要求，需進(jìn)行相應(yīng)的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)、基準(zhǔn)、方法規(guī)范，由學(xué)術(shù)范疇走向行政管理與行業(yè)自審制度設(shè)置。就污水處理系統(tǒng)而言，需分層次、以不同的邊界開展LCA評(píng)價(jià)：一是污水處理廠(WWTPs)邊界，在污水處理企業(yè)建立評(píng)價(jià)清單，確定評(píng)價(jià)指數(shù)，定期開展LCA評(píng)價(jià)，以此評(píng)價(jià)作為政府、利益相關(guān)方對(duì)污水處理行業(yè)考核的依據(jù)，環(huán)境績(jī)效考核不僅是污水達(dá)標(biāo)情況，還需考核溫室氣體GHG排放;二是擴(kuò)大污水處理 LCA 分析的系統(tǒng)邊界，不再僅僅局限于污水處理廠，而是包括了整個(gè)城市水/廢水系統(tǒng)，即從污水處理規(guī)劃、建設(shè)，污水收集、管網(wǎng)、處理、回用、排放等全過(guò)程建立LCA評(píng)價(jià)體系，作為上級(jí)政府與部門對(duì)下級(jí)城市政府污水處理系統(tǒng)考核與評(píng)價(jià)的依據(jù)。LCA 評(píng)價(jià)可以更加客觀揭示污水處理的“大氣-水-土地”相互聯(lián)動(dòng)的生態(tài)事實(shí)，綜合考慮污水廠生產(chǎn)過(guò)程中二氧化碳、一氧化二氮、甲烷等溫室氣體的排放核算，將傳統(tǒng)污水處理為“污染轉(zhuǎn)嫁”過(guò)程的問(wèn)題定量展現(xiàn)，避免一味靠“提標(biāo)”，為僅達(dá)到單一改善水環(huán)境的目而轉(zhuǎn)移生態(tài)環(huán)境問(wèn)題，從而選擇綜合方案來(lái)實(shí)現(xiàn)*小化總生態(tài)環(huán)境影響，如在磷回收決策上，是否進(jìn)行磷回收?是單獨(dú)從濕污泥中以鳥糞石工藝回收，還是讓污泥焚燒，從焚燒的干灰中回收?都應(yīng)放在LCA的層面，尋找*優(yōu)決策。
建立污水處理GHG清單：
對(duì)于污水處理碳中和工作，有一項(xiàng)基礎(chǔ)的工作就是建立污水處理企業(yè)GHG清單。就污水和污泥處理(包括運(yùn)輸過(guò)程)過(guò)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(包括建設(shè)過(guò)程)在其生產(chǎn)過(guò)程中所造成的間接環(huán)境排放建立污水處理企業(yè)GHG清單，初始清單作為碳中和的初始情景或基線。2006 年 IPCC 發(fā)布了《2006 *溫室氣體清單指南》，可按照其中的方法學(xué)，就GHG排放清單的項(xiàng)目與因子基于活動(dòng)數(shù)據(jù)和排放系數(shù)來(lái)進(jìn)行計(jì)算，因此也稱為排放系數(shù)法。如果是依據(jù)*統(tǒng)計(jì)資料制定排放清單的話，則采用“自上而下”的方法;如以技術(shù)流程為基礎(chǔ)，需對(duì)污水處理GHG排放的工藝特征、規(guī)模特征和區(qū)域特點(diǎn)進(jìn)行細(xì)化評(píng)估，需區(qū)別“生源碳“與”化石碳“核算，可“自下而上”核算評(píng)估。
探索污泥共消化：
污泥共消化發(fā)揮了基質(zhì)間的協(xié)同作用，提高了底物的降解速率和降解程度，使能源轉(zhuǎn)化效率顯著提高。如果有條件可將廚余垃圾、綠化草木殘?bào)w、果蔬垃圾等有機(jī)廢棄物與剩余污泥一并共消化，這不僅是污水處理碳中和的途徑，而且也為綜合處置城市市政有機(jī)固體廢棄物開辟一條可持續(xù)發(fā)展之路。建議盡快建立污水處理廠污染物去除協(xié)同控制溫室氣體核算的標(biāo)準(zhǔn)體系。
政策引導(dǎo)，鼓勵(lì)資源型、能源型污水廠的建設(shè)：
由于低碳污水廠技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)大、投資成本高，建議從*層面制定污水處理廠碳減排補(bǔ)償和能源工廠補(bǔ)貼機(jī)制，通過(guò)政策加經(jīng)濟(jì)的手段，引導(dǎo)和推動(dòng)更多有創(chuàng)新性的企業(yè)加入到碳中和污水廠的建設(shè)和運(yùn)營(yíng)中來(lái);
改變污水成本定價(jià)監(jiān)審辦法和增值稅管理辦法，將節(jié)能降耗增加的成本納入監(jiān)審成本，由此產(chǎn)生的利潤(rùn)全額獎(jiǎng)勵(lì)給污水廠;
同時(shí)，進(jìn)一步降低污水回用的門檻，通過(guò)水資源配給機(jī)制和回用水收費(fèi)機(jī)制彌補(bǔ)水資源的不足;
加大碳交易機(jī)構(gòu)的建設(shè)和標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)，鼓勵(lì)通過(guò)GHG減排交易實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)投入的回報(bào)機(jī)制。
通過(guò)綠色信貸、綠色債券、綠色股票指數(shù)和相關(guān)產(chǎn)品、綠色發(fā)展基金、綠色保險(xiǎn)、碳金融等金融工具和相關(guān)政策支持綠色污水廠轉(zhuǎn)型。
綜上所述，污水處理行業(yè)實(shí)現(xiàn)碳中和是一項(xiàng)長(zhǎng)期的系統(tǒng)性工程。就系統(tǒng)而言，需要政府相關(guān)部門和企業(yè)全面升級(jí)管理運(yùn)營(yíng)思想與模式，需要從多維度與多層次進(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)城市物質(zhì)流認(rèn)知的革命。
這將是一個(gè)漫長(zhǎng)和曲折的過(guò)程。但讓人欣慰的是，集結(jié)號(hào)已經(jīng)吹起，我們有理由相信，政策驅(qū)動(dòng)的制度優(yōu)勢(shì)將再現(xiàn)神績(jī)，中國(guó)污水處理行業(yè)將很快為碳中和戰(zhàn)略做出積極貢獻(xiàn)。
我國(guó)自污染防治攻堅(jiān)戰(zhàn)以來(lái)，污水處理建設(shè)迅猛發(fā)展，遍地開花且投資力度逐年加大，到2020年，全國(guó)城市污水處理率達(dá)到95%(“十三五”規(guī)劃目標(biāo))，農(nóng)村污水處理率達(dá)到25.5%(2021年全國(guó)生態(tài)環(huán)境保護(hù)大會(huì)透露)。逐漸完備的、龐大的污水處理行業(yè)在低碳時(shí)代的挑戰(zhàn)在哪里?機(jī)遇幾何?這已是這個(gè)行業(yè)進(jìn)入2021年的一個(gè)重大課題。
污水處理被認(rèn)為是一個(gè)高耗能行業(yè)，傳統(tǒng)污水處理實(shí)際上是停留時(shí)間、處理空間、投入能源、物耗資源四個(gè)維度上的調(diào)整與組合，甚至可以說(shuō)高標(biāo)準(zhǔn)的出水水質(zhì)，是以能耗、物耗的形式實(shí)施的污染形態(tài)轉(zhuǎn)移來(lái)實(shí)現(xiàn)的，有人認(rèn)為：碧水的同時(shí)未必是藍(lán)天，耗能導(dǎo)致的水污染物轉(zhuǎn)為CO2、CH4、N2O、NH3、H2S等溫室氣體，特別是對(duì)污水處理標(biāo)準(zhǔn)一再提高，能耗越來(lái)越高，這樣的轉(zhuǎn)換也越來(lái)突出(目前針對(duì)污水廠的提標(biāo)升級(jí)方案目前主要包括：針對(duì)現(xiàn)有工藝的優(yōu)化;增加投藥，如增加化學(xué)除磷和外加碳源;增加后續(xù)物化處理單元如高效沉淀和砂濾池、增加生化單元如后置反硝化濾池及膜工藝，但優(yōu)質(zhì)的出水帶來(lái)的是更多的能耗和物耗)。聯(lián)合國(guó)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(guó)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(wàn)噸溫室氣體。
我國(guó)污水處理行業(yè)在許多地方存在其建設(shè)先天不足，其發(fā)展后天失調(diào)。以快速地大幅提高污水處理率，補(bǔ)環(huán)境基礎(chǔ)設(shè)施短板為責(zé)任導(dǎo)向的污水處理建設(shè)模式，面臨了規(guī)劃的盲目性、技術(shù)的混雜性、管網(wǎng)的滯后性諸多問(wèn)題，以污染物總量減排、流域水環(huán)境質(zhì)量達(dá)標(biāo)為目標(biāo)導(dǎo)向的污水處理運(yùn)行模式，又面臨著水質(zhì)提標(biāo)、進(jìn)水濃度偏低、污水溢流、污泥無(wú)出路等問(wèn)題。目前，如何消化這些先天不足與后天失調(diào)，符合各類環(huán)保督察要求，已讓各地污水處理廠殫精竭力，在這樣的基礎(chǔ)上，在這樣的時(shí)間節(jié)點(diǎn)上，我們又迎來(lái)了低碳旋風(fēng)，進(jìn)入了低碳綠色發(fā)展時(shí)代。無(wú)論是站位或跟風(fēng)綠色低碳發(fā)展的外力，還是節(jié)能降耗提升企業(yè)核心競(jìng)爭(zhēng)力的內(nèi)需，污水處理行業(yè)的新格局調(diào)整已不可回避。
什么是污水處理新格局?在攻占山頭之后，我們回到原來(lái)的問(wèn)題，我們處理的對(duì)象是什么?污水是一個(gè)污染物，我們就轉(zhuǎn)化它，讓它達(dá)標(biāo)。污水是一個(gè)范疇，我們就將其放入水平衡系統(tǒng)，讓水環(huán)境與水生態(tài)、水資源協(xié)調(diào)。污水是一個(gè)載體，我們就需要將污水處理廠逐漸演變?yōu)椤盃I(yíng)養(yǎng)物Nutrient工廠”、“能源Energy工廠”、“再生水Water廠”(即，荷蘭提出的污水處理NEWs概念)。這三個(gè)過(guò)程，我們可以將其分別視為污水處理的1.0、2.0、3.0版本(為比較表述，非定義)，我們剛完成了1.0，正在2.0中探索時(shí)，就要面向或升入3.0，這就是我們面臨的污水處理新格局。
從全球可持續(xù)性發(fā)展的角度而言，污水處理的目標(biāo)不僅僅是緩解水污染問(wèn)題，而應(yīng)該是多目標(biāo)綜合考慮，可持續(xù)地利用或回收能源和資源，以此立足，方可實(shí)現(xiàn)環(huán)境社會(huì)的可持續(xù)性與污水處理企業(yè)的可持續(xù)性。污水處理既是重要的公共事業(yè)，又是一個(gè)被政策驅(qū)動(dòng)的行業(yè)，誰(shuí)提早開啟低碳變革，誰(shuí)將贏得更大的主動(dòng)權(quán)和更廣闊的發(fā)展空間。
幸福的模樣?
污水處理3.0的幸福模樣：內(nèi)外兼修，討好了社會(huì)的面子，做足了企業(yè)的里子。
城市污水處理技術(shù)的研究與應(yīng)用經(jīng)歷了100 多年的發(fā)展歷程，逐漸形成了一級(jí)處理、二級(jí)處理和深度處理等處理模式，發(fā)展了多種物理、物化和生物等處理技術(shù)。物化+生物的二級(jí)處理是城市污水處理廠通行的處理模式，而生物處理技術(shù)是國(guó)內(nèi)外普遍采用的城市污水處理方法。
在活性污泥法誕生100年后，人們開始重新總結(jié)與回顧污水處理技術(shù)的發(fā)展方向歷程，從節(jié)能降耗角度審視污水處理過(guò)程的高能耗，從物質(zhì)的角度審視污水處理的高“碳足跡”，這是至今以常規(guī)活性污泥工藝為主流的污水處理技術(shù)缺欠，于是，一些耦合資源和能源回收的概念路線不斷涌現(xiàn)。目前*范圍內(nèi)，對(duì)“污水”的認(rèn)知已經(jīng)從“廢物處理”對(duì)象轉(zhuǎn)向“資源及能源回收”的載體，基于資源回收、能源開發(fā)與利用與碳平衡理念的未來(lái)污水處理廠在一些發(fā)達(dá)*、*范圍內(nèi)*的環(huán)境公司已經(jīng)開始實(shí)踐。奧地利斯特拉斯(Strass)污水處理廠以主流傳統(tǒng)工藝(AB法)與側(cè)流現(xiàn)代工藝(厭氧氨氧化)相結(jié)合方式實(shí)現(xiàn)剩余污泥產(chǎn)量*大化，早在2005年通過(guò)厭氧消化產(chǎn)甲烷并熱電聯(lián)產(chǎn)實(shí)現(xiàn)了能源自給率，達(dá)到碳中和運(yùn)行目標(biāo)。目前，該廠利用剩余污泥與廠外廚余垃圾厭氧共消化，使得能源自給率高達(dá)200%，不僅實(shí)現(xiàn)能源自給自足，而且還有一半所產(chǎn)生的能量可以向廠外供應(yīng)，已成為名副其實(shí)的“能源工廠”。作為美國(guó)碳中和運(yùn)行的榜樣，Sheboygan污水處理廠通過(guò)開源與節(jié)流并舉的技術(shù)措施不僅向美國(guó)而且也向*展示了其污水處理能耗基本可以實(shí)現(xiàn)自給自足。2013年，該廠已實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)電量與耗電量比值達(dá)90%~115%、產(chǎn)熱量與耗熱量比值達(dá)85%~90%的佳績(jī)，基本實(shí)現(xiàn)了碳中和運(yùn)行目標(biāo)。2020年4月動(dòng)工的江蘇宜興城市水資源概念廠正在探索中國(guó)的污水處理新概念，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，基于碳中和的新型環(huán)境基礎(chǔ)設(shè)施。
在此基礎(chǔ)上，許多*制定了應(yīng)對(duì)氣候變化的污水廠能耗自給或碳中和技術(shù)路線。美國(guó)水環(huán)境研究基金(WERF)提出 “Carbon-free Water”，更是制定出至2030年所有污水處理廠均要實(shí)現(xiàn)碳中和運(yùn)行的目標(biāo)。荷蘭制定了2030年NEWs技術(shù)路線圖。新加坡提出了從Brownfield(棕色水廠)到Greenfield(綠色水廠)的時(shí)間表與路線圖。日本有關(guān)部門發(fā)布“Sewerage Vision 2100”，指出到本世紀(jì)末將完全實(shí)現(xiàn)污水處理能源自給自足。中國(guó)提出的2030年碳達(dá)峰，2060年碳中和，這對(duì)于污水處理行業(yè)也是一個(gè)時(shí)間表。
華麗的轉(zhuǎn)身?
對(duì)于2030碳達(dá)峰和2060年碳中和的*目標(biāo)，污水處理行業(yè)如何認(rèn)識(shí)?
誤區(qū)一：2030年碳達(dá)峰，現(xiàn)在污水處理碳排放仍有空間。
2030年碳達(dá)峰是針對(duì)*宏觀經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展戰(zhàn)略而言的，材料、能源等經(jīng)濟(jì)、社會(huì)的基礎(chǔ)需求在未來(lái)十年仍是剛需在此基礎(chǔ)上以控制碳排放強(qiáng)度為主，控制碳排放總量為輔。就污水處理企業(yè)而言，在污水處理規(guī)模與設(shè)計(jì)規(guī)模確定的基礎(chǔ)上，應(yīng)確定現(xiàn)有GHG排放情況為基準(zhǔn)的峰值控制原則，任何的技術(shù)改造、升級(jí)都應(yīng)以此為基準(zhǔn)，實(shí)施碳減排，直至*終的碳中和。就污水處理系統(tǒng)而言，筆者認(rèn)為，碳達(dá)峰的意義應(yīng)該是兩個(gè)方面的：一是“應(yīng)收盡收，應(yīng)處盡處”將污水收集率與處理率達(dá)到城市或區(qū)域的*大化;二是完善收集系統(tǒng)，不斷提高污水收集質(zhì)量，不滲不漏，其污水處理廠的進(jìn)水濃度“達(dá)峰”。
誤區(qū)二：污水處理過(guò)程能源的“自給自足”加“中水回用“— “凈—零”就是碳中和。
能耗自給是狹義的碳中和，不是真正意義上的碳中和。污水處理系統(tǒng)碳中和，應(yīng)與其建設(shè)和運(yùn)營(yíng)過(guò)程中材料與設(shè)備的加工、污水處理中能耗與物耗、污泥處置中運(yùn)輸與利用等全生命周期排放等因素都有關(guān)，不是指狹義的能量平衡或自給。能量只是碳排放的一個(gè)方面而已，污水處理的碳排放平衡一定要考慮甲烷、氮氧化物等GHG的溢出。
誤區(qū)三：碳中和及碳達(dá)峰是理念重視問(wèn)題，不是技術(shù)問(wèn)題
雖然1997年《京都議定書》列出了有助于減少溫室氣體排放的政策或做法。然而，迄今為止，我們對(duì)全球變暖所涉因素的理解非常有限。這是一個(gè)非常復(fù)雜的領(lǐng)域，必須考慮到各種溫室氣體來(lái)源以及自然波動(dòng)。雖然國(guó)際上普遍不認(rèn)為城市廢水處理中的碳排放不被認(rèn)為是造成全球變暖的溫室氣體的一部分。這種碳代表*近固定C的分解，被認(rèn)為是生物或快速碳循環(huán)的一部分，然而污水處理過(guò)程中的CH4或N2O和污泥處理需要在計(jì)算中加以考慮。然而，如何根據(jù)不同的條件確定不同處理工藝的GHG和LCA取值，至今仍然存在較大的爭(zhēng)議。污水處理廠污染物去除協(xié)同控制溫室氣體核算的標(biāo)準(zhǔn)體系沒(méi)有形成，例如，對(duì)于污泥填埋、堆肥、焚燒等工藝，不同*甚至得出結(jié)果大相徑庭的不同結(jié)果，此外，有機(jī)質(zhì)協(xié)同消化、協(xié)同焚燒等工藝測(cè)算值由于地域性和工藝差別很大，導(dǎo)致難以確定污水、污泥處理工藝的指導(dǎo)性原則。
誤區(qū)四：碳中和是政策導(dǎo)向，不是經(jīng)濟(jì)導(dǎo)向
環(huán)境問(wèn)題既是*大政，也應(yīng)該以技術(shù)經(jīng)濟(jì)為基礎(chǔ)和導(dǎo)向腳踏實(shí)地的推進(jìn)。治大國(guó)如烹小鮮，依靠口號(hào)和“彎道超車“的投機(jī)意識(shí)，難免會(huì)像之前的光伏、碳交易市場(chǎng)一樣，看著熱鬧，冷暖自知。鑒于碳中和度量和檢查難度很大，靠層層任務(wù)分解和監(jiān)督檢查很難解決問(wèn)題。
污水處理廠(WWTPs)實(shí)現(xiàn)碳中和華麗轉(zhuǎn)身的三個(gè)維度：
能量維度。許多研究與工程試驗(yàn)已被用于探知從污水中回收能源，以滿足污水處理運(yùn)行現(xiàn)場(chǎng)能量自給自足的可行性。一方面支出*小化，使用清潔能源并在污水處理進(jìn)行中摸索低能耗方案;二方面收入*大化，污水中所蘊(yùn)含的如此巨大的能量，捕獲污水中所蘊(yùn)含的有機(jī)化學(xué)能、熱能就地轉(zhuǎn)換為電能，歐美等*一些實(shí)施碳中和運(yùn)行目標(biāo)的污水處理廠也大都以剩余污泥厭氧消化轉(zhuǎn)化能源為主要手段。理論上可以實(shí)現(xiàn)能耗的完全自給甚至可以變成能量輸出廠，有充分的理論與實(shí)踐依據(jù)表明，未來(lái)污水處理廠不是能源的消耗者而應(yīng)該成為能源供應(yīng)方。這些舉措支持了減少污水處理廠全生命周期溫室氣體GHG排放的相關(guān)目標(biāo)。
資源回收維度。從污水中回收資源具有寬廣的范圍，污水處理*大的資源回收是中水回用與再生水利用，如新加坡的NEWATER項(xiàng)目，再生水用途一般為非飲用目的，如用作工業(yè)冷卻、園林綠化灌溉、景觀用水等，當(dāng)然亦有補(bǔ)充地下水，作為間接飲用水用途，根據(jù)國(guó)內(nèi)通過(guò)評(píng)價(jià)大連某污水廠生命周期環(huán)境過(guò)程的研究，表明當(dāng)出水回用率達(dá)到 70%時(shí)，回用水通過(guò)抵消自來(lái)水生產(chǎn)獲得的環(huán)境效益可以抵消新增深度處理設(shè)施帶來(lái)的環(huán)境影響，從而對(duì)原有二級(jí)處理工藝 LCA 環(huán)境影響進(jìn)行減量。
另一個(gè)在歐美廣受重視，而被我們忽視的污水資源回收問(wèn)題是對(duì)磷這一不可再生資源回收。盡管目前有關(guān)污水處理磷回收的研究很多，就目前的鳥糞石工藝從污泥中回收磷與磷礦開發(fā)利用之間進(jìn)行經(jīng)濟(jì)效益比較是不合理的，也許正是這個(gè)原因，目前沒(méi)有將磷回收納入污水處理廠LCA 評(píng)價(jià)體系之中，它在污水處理環(huán)境綜合影響方面的減量作用也未能體現(xiàn)。當(dāng)然，從資源的角度優(yōu)化原料投入環(huán)節(jié)也十分重要，污水處理本質(zhì)是通過(guò)生化反應(yīng)來(lái)去除水中污染物，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(guò)程中消耗能源，在投加過(guò)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。
碳平衡維度。污水處理碳中和運(yùn)行中，剩余污泥是重要的能源化、資源化載體物質(zhì)，需要從污水系統(tǒng)碳平衡的維度，以增量方式去獲得，需要改變污泥減量化的現(xiàn)行觀念，以碳中和運(yùn)行為目標(biāo)的污泥增量近年來(lái)已在國(guó)際上悄然興起。為此，以城市碳平衡系統(tǒng)來(lái)考慮，通過(guò)COD內(nèi)源截留與外源挖潛方式*大限度地去實(shí)現(xiàn)“污泥增量”。“污泥增量”的兩個(gè)途徑：一是內(nèi)源途徑，提高污水處理廠進(jìn)水COD負(fù)荷，通過(guò)完備、完善的管網(wǎng)系統(tǒng)收集污水，*大限度避免污水碳源流失，減少甚至無(wú)需補(bǔ)充反硝化的外加碳源，實(shí)現(xiàn)處理過(guò)程中的碳平衡。二是外源途徑，在生活污水收集時(shí)，在保障系統(tǒng)安全的條件下，可考慮食品、屠宰等高碳類生產(chǎn)廢水接入;在后端的污泥厭氧消化時(shí)，可混入餐廚垃圾、果蔬垃圾、園林殘枝等有機(jī)廢物實(shí)施后端厭氧共消化技術(shù)。
康莊的大道?
這是康莊大道，還是一次漫長(zhǎng)的告別?
面對(duì)低碳時(shí)代污水處理向著資源、能源回收與碳中和轉(zhuǎn)變的國(guó)際大趨勢(shì)，先天不足與后天失調(diào)的我國(guó)污水處理事業(yè)顯然又走到了一個(gè)新的十字路口。這就面臨著新理念下的管理、技術(shù)、運(yùn)行走向問(wèn)題。
當(dāng)今中國(guó)經(jīng)濟(jì)有一個(gè)顯著特征，風(fēng)口經(jīng)濟(jì)。
污水處理3.0不是推倒重來(lái)，而是循序漸進(jìn)。對(duì)于已運(yùn)行污水處理廠，當(dāng)務(wù)之急是先要讓既有污水處理設(shè)施運(yùn)行達(dá)到它們?cè)O(shè)計(jì)之初的既定目標(biāo)，打好基礎(chǔ)、練好內(nèi)功、不斷改善。對(duì)于這些仍在規(guī)劃中的污水處理廠建設(shè)，應(yīng)在既有污水處理廠業(yè)已取得實(shí)際效果并積累了大量運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)的前提下，可因地制宜地考慮實(shí)施資源/能源回收工藝，有條件的可一步到位實(shí)施污水處理碳中和工藝并運(yùn)行。
如何對(duì)接碳中和的污水處理3.0?上帝的歸上帝，凱撒的歸凱撒。政府與企業(yè)都要就污水處理碳中和做好各自相應(yīng)的工作，確定邊界并協(xié)同推進(jìn)。目前可以起步的工作：
重新定義基于流域系統(tǒng)的水環(huán)境目標(biāo)：
應(yīng)該進(jìn)一步反思此前基于污染源控制的水環(huán)境保護(hù)策略，近年來(lái)，各地政府一而再，再而三地把目標(biāo)盯在污水處理廠，希望用不斷提高的污水處理標(biāo)準(zhǔn)來(lái)實(shí)現(xiàn)水環(huán)境目標(biāo)，甚至一些地方在環(huán)評(píng)中將污水處理標(biāo)準(zhǔn)定在地表水三類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。已有的LCA研究表明，越高的污水排放標(biāo)準(zhǔn)，具有越大的生態(tài)環(huán)境負(fù)效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)碳中和的目標(biāo)越難。流域水環(huán)境保護(hù)目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)需要就流域系統(tǒng)考慮，既要做污染負(fù)荷的減量，又要做生態(tài)容量的增量。污水排放標(biāo)準(zhǔn)的制定與修訂要考慮碳源轉(zhuǎn)向能源化、資源化途徑后對(duì)后續(xù)脫氮工藝的影響，高排放標(biāo)準(zhǔn)與碳中和運(yùn)行的實(shí)現(xiàn)目標(biāo)矛盾，“魚和熊掌不可兼得”，不實(shí)事求是地定義污水處理標(biāo)準(zhǔn)，中國(guó)污水處理實(shí)現(xiàn)碳中和很難。應(yīng)該把投資和管控重點(diǎn)放到通過(guò)海綿城市實(shí)現(xiàn)源頭減污，通過(guò)CSO進(jìn)行初雨調(diào)蓄，通過(guò)管網(wǎng)改造、雨污分流實(shí)現(xiàn)應(yīng)收盡收等歷史遺留問(wèn)題的解決上。
提高污水進(jìn)水有機(jī)負(fù)荷。對(duì)于我國(guó)污水處理碳中和而言，要做好的一個(gè)重要基礎(chǔ)工作就管網(wǎng)系統(tǒng)完善，通過(guò)甲烷(CH4)熱電聯(lián)產(chǎn)(CHP)可以獲得一定量有機(jī)物能源，這是污水處理碳中和的一個(gè)重點(diǎn)，污泥厭氧消化獲取的有機(jī)能量與進(jìn)水有機(jī)物負(fù)荷有關(guān)，但我國(guó)市政污水碳源普遍低下，能量衡算表明，進(jìn)水COD為400mg/L，在完成脫氮除磷碳源使用后產(chǎn)生的剩余污泥，經(jīng)厭氧消化+熱電聯(lián)產(chǎn)*多也只能產(chǎn)生0.20kW·h/m3電當(dāng)量。若污水處理能耗為0.40kW·h/m3，這意味著距碳中和目標(biāo)還有50%能量赤字，只有當(dāng)進(jìn)水COD為800mg/L時(shí)方能勉強(qiáng)滿足0.40kW·h/m3碳中和需要。目前，我國(guó)大多數(shù)污水處理廠進(jìn)水COD為200—300mg/L，須進(jìn)一步完善管網(wǎng)建設(shè)，改造升級(jí)管網(wǎng)運(yùn)營(yíng)管理模式，加強(qiáng)漏損點(diǎn)勘測(cè)、整治和潛在漏損風(fēng)險(xiǎn)的預(yù)防，提高進(jìn)水COD濃度，提供有效碳源，作為污水碳中和的基礎(chǔ)工作。
改變污水廠的考核標(biāo)準(zhǔn)和模式：
正如張悅司長(zhǎng)多次強(qiáng)調(diào)，我國(guó)的水污染問(wèn)題在水里，根子在岸上。造成我國(guó)水環(huán)境污染的主要原因之一在于雨污混接，雨季溢流。鑒于我國(guó)污水廠進(jìn)水濃度普遍偏低，如果進(jìn)一步提升不僅將涉及現(xiàn)行化糞池設(shè)計(jì)規(guī)范的修改，還需要對(duì)管網(wǎng)、CSO等設(shè)施進(jìn)行大量的投資，遠(yuǎn)水難解近渴的情況下，建議適時(shí)修訂《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》，將城鎮(zhèn)污水處理廠出水考核合格率與“削減污染物總量“相結(jié)合，鼓勵(lì)污水廠以生態(tài)環(huán)境優(yōu)先，充分利用其污染物設(shè)計(jì)負(fù)荷余量，處理雨季的溢流污水。對(duì)超負(fù)荷運(yùn)行的污水廠設(shè)置合格率考核，而非現(xiàn)行的超標(biāo)處罰原則。在污水付費(fèi)體制上，探索按照污染物削減總量付費(fèi)的模式，并將全過(guò)程碳減排納入考核指標(biāo)。
精細(xì)化污水處理管理，充分挖掘和利用污水熱能：
因地制宜積極采取各種措施對(duì)污水處理廠進(jìn)行精細(xì)化管理，實(shí)現(xiàn)能耗、物耗節(jié)流，這也是綠色低碳發(fā)展的重要組成部分。一方面是不斷優(yōu)化運(yùn)行參數(shù)，優(yōu)化設(shè)備、設(shè)施運(yùn)行狀態(tài)，同時(shí)建立基于DO反饋的精確曝氣控制(雖然不同處理工藝能耗不同，但曝氣系統(tǒng)總體能耗占比*大，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)。)，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)。另一方面，在保證出水水質(zhì)達(dá)標(biāo)的前題下，政府管理部門應(yīng)該充許運(yùn)行企業(yè)自主調(diào)整運(yùn)行流程、運(yùn)行參數(shù)，不要一味生硬地按照環(huán)評(píng)的工藝流程和運(yùn)行過(guò)程參數(shù)來(lái)督察與考核，避免污水處理系統(tǒng)不必要的能耗與物耗浪費(fèi)。
鼓勵(lì)污水廠充分利用太陽(yáng)能、水源熱泵等技術(shù)，減少電能的消耗，實(shí)現(xiàn)能源自給。研究表明，水源熱泵能有效地將污水中的熱能轉(zhuǎn)化為污水處理廠和鄰近建筑物的熱能,當(dāng)1m3的出水冷卻1℃時(shí),可提供0.26kWh/m3℃的凈電當(dāng)量。
分層次開展LCA評(píng)價(jià)：
目前，針對(duì)污水處理系統(tǒng)的評(píng)價(jià)是以住房建設(shè)部門、環(huán)境保護(hù)部門對(duì)污水處理工作考核為核心的評(píng)估，重點(diǎn)僅在污水處理過(guò)程中的環(huán)境績(jī)效、運(yùn)行規(guī)范等污水處理的單因素評(píng)價(jià)。但隨著對(duì)污水處理與社會(huì)可持續(xù)性的考量，需就污水處理進(jìn)行多角度、全方位的綜合考慮，對(duì)污水處理系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展性進(jìn)行更加全面的評(píng)價(jià)是污水處理行業(yè)評(píng)價(jià)的升級(jí)�；� LCA 的綜合評(píng)價(jià)方法，是一種國(guó)際上普遍認(rèn)同的、用于評(píng)價(jià)產(chǎn)品或服務(wù)相關(guān)的環(huán)境因素及其整個(gè)生命周期環(huán)境影響的工具。生命周期評(píng)價(jià)通過(guò)綜合污水處理系統(tǒng)中的物耗、能耗、污染物排放等因素，將結(jié)果統(tǒng)一量化為資源消耗、環(huán)境變化、毒性等影響指標(biāo)，也可進(jìn)行加權(quán)得到綜合指標(biāo)。由于生命周期評(píng)價(jià)考慮的是污水處理系統(tǒng)的整個(gè)生命周期，不僅僅局限于某個(gè)階段，故能夠全面的評(píng)價(jià)該系統(tǒng)的總環(huán)境影響、社會(huì)可持續(xù)性、企業(yè)可持續(xù)性，有利于實(shí)現(xiàn)污水處理的系統(tǒng)管理。在污水處理系統(tǒng)開展LCA評(píng)價(jià)，我國(guó)已有許多研究與案例，面對(duì)低碳時(shí)代要求，需進(jìn)行相應(yīng)的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)、基準(zhǔn)、方法規(guī)范，由學(xué)術(shù)范疇走向行政管理與行業(yè)自審制度設(shè)置。就污水處理系統(tǒng)而言，需分層次、以不同的邊界開展LCA評(píng)價(jià)：一是污水處理廠(WWTPs)邊界，在污水處理企業(yè)建立評(píng)價(jià)清單，確定評(píng)價(jià)指數(shù)，定期開展LCA評(píng)價(jià)，以此評(píng)價(jià)作為政府、利益相關(guān)方對(duì)污水處理行業(yè)考核的依據(jù)，環(huán)境績(jī)效考核不僅是污水達(dá)標(biāo)情況，還需考核溫室氣體GHG排放;二是擴(kuò)大污水處理 LCA 分析的系統(tǒng)邊界，不再僅僅局限于污水處理廠，而是包括了整個(gè)城市水/廢水系統(tǒng)，即從污水處理規(guī)劃、建設(shè)，污水收集、管網(wǎng)、處理、回用、排放等全過(guò)程建立LCA評(píng)價(jià)體系，作為上級(jí)政府與部門對(duì)下級(jí)城市政府污水處理系統(tǒng)考核與評(píng)價(jià)的依據(jù)。LCA 評(píng)價(jià)可以更加客觀揭示污水處理的“大氣-水-土地”相互聯(lián)動(dòng)的生態(tài)事實(shí)，綜合考慮污水廠生產(chǎn)過(guò)程中二氧化碳、一氧化二氮、甲烷等溫室氣體的排放核算，將傳統(tǒng)污水處理為“污染轉(zhuǎn)嫁”過(guò)程的問(wèn)題定量展現(xiàn)，避免一味靠“提標(biāo)”，為僅達(dá)到單一改善水環(huán)境的目而轉(zhuǎn)移生態(tài)環(huán)境問(wèn)題，從而選擇綜合方案來(lái)實(shí)現(xiàn)*小化總生態(tài)環(huán)境影響，如在磷回收決策上，是否進(jìn)行磷回收?是單獨(dú)從濕污泥中以鳥糞石工藝回收，還是讓污泥焚燒，從焚燒的干灰中回收?都應(yīng)放在LCA的層面，尋找*優(yōu)決策。
建立污水處理GHG清單：
對(duì)于污水處理碳中和工作，有一項(xiàng)基礎(chǔ)的工作就是建立污水處理企業(yè)GHG清單。就污水和污泥處理(包括運(yùn)輸過(guò)程)過(guò)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(包括建設(shè)過(guò)程)在其生產(chǎn)過(guò)程中所造成的間接環(huán)境排放建立污水處理企業(yè)GHG清單，初始清單作為碳中和的初始情景或基線。2006 年 IPCC 發(fā)布了《2006 *溫室氣體清單指南》，可按照其中的方法學(xué)，就GHG排放清單的項(xiàng)目與因子基于活動(dòng)數(shù)據(jù)和排放系數(shù)來(lái)進(jìn)行計(jì)算，因此也稱為排放系數(shù)法。如果是依據(jù)*統(tǒng)計(jì)資料制定排放清單的話，則采用“自上而下”的方法;如以技術(shù)流程為基礎(chǔ)，需對(duì)污水處理GHG排放的工藝特征、規(guī)模特征和區(qū)域特點(diǎn)進(jìn)行細(xì)化評(píng)估，需區(qū)別“生源碳“與”化石碳“核算，可“自下而上”核算評(píng)估。
探索污泥共消化：
污泥共消化發(fā)揮了基質(zhì)間的協(xié)同作用，提高了底物的降解速率和降解程度，使能源轉(zhuǎn)化效率顯著提高。如果有條件可將廚余垃圾、綠化草木殘?bào)w、果蔬垃圾等有機(jī)廢棄物與剩余污泥一并共消化，這不僅是污水處理碳中和的途徑，而且也為綜合處置城市市政有機(jī)固體廢棄物開辟一條可持續(xù)發(fā)展之路。建議盡快建立污水處理廠污染物去除協(xié)同控制溫室氣體核算的標(biāo)準(zhǔn)體系。
政策引導(dǎo)，鼓勵(lì)資源型、能源型污水廠的建設(shè)：
由于低碳污水廠技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)大、投資成本高，建議從*層面制定污水處理廠碳減排補(bǔ)償和能源工廠補(bǔ)貼機(jī)制，通過(guò)政策加經(jīng)濟(jì)的手段，引導(dǎo)和推動(dòng)更多有創(chuàng)新性的企業(yè)加入到碳中和污水廠的建設(shè)和運(yùn)營(yíng)中來(lái);
改變污水成本定價(jià)監(jiān)審辦法和增值稅管理辦法，將節(jié)能降耗增加的成本納入監(jiān)審成本，由此產(chǎn)生的利潤(rùn)全額獎(jiǎng)勵(lì)給污水廠;
同時(shí)，進(jìn)一步降低污水回用的門檻，通過(guò)水資源配給機(jī)制和回用水收費(fèi)機(jī)制彌補(bǔ)水資源的不足;
加大碳交易機(jī)構(gòu)的建設(shè)和標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)，鼓勵(lì)通過(guò)GHG減排交易實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)投入的回報(bào)機(jī)制。
通過(guò)綠色信貸、綠色債券、綠色股票指數(shù)和相關(guān)產(chǎn)品、綠色發(fā)展基金、綠色保險(xiǎn)、碳金融等金融工具和相關(guān)政策支持綠色污水廠轉(zhuǎn)型。
綜上所述，污水處理行業(yè)實(shí)現(xiàn)碳中和是一項(xiàng)長(zhǎng)期的系統(tǒng)性工程。就系統(tǒng)而言，需要政府相關(guān)部門和企業(yè)全面升級(jí)管理運(yùn)營(yíng)思想與模式，需要從多維度與多層次進(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)城市物質(zhì)流認(rèn)知的革命。
這將是一個(gè)漫長(zhǎng)和曲折的過(guò)程。但讓人欣慰的是，集結(jié)號(hào)已經(jīng)吹起，我們有理由相信，政策驅(qū)動(dòng)的制度優(yōu)勢(shì)將再現(xiàn)神績(jī)，中國(guó)污水處理行業(yè)將很快為碳中和戰(zhàn)略做出積極貢獻(xiàn)。
