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王洪臣:排水与污水处理行业应找准碳减排着力点

时间:2021-10-18     【转载】   来自:水网

“经济+环保+低碳”是新价值体系三大标尺。以前我们衡量价值的标尺是经济因素,之后是环保,习总书记提出“绿水青山就是金山银山”将经济和环保进行了完美统一,而“双碳”目标的提出,让我们有了第三把标尺。在“双碳”战略指导下,环保行业作为其中重要的力量主体,也在积极地探索新的发展思路及应对策略。

9月16日,2021(第十三届)上海水业热点论坛上,中国人民大学环境学院教授、博士生导师,中国人民大学低碳水环境技术研究中心主任王洪臣分析提出了城镇排水与污水处理行业响应国家“碳达峰、碳中和”战略的三大碳减排着力点:对是否应取消化粪池明确态度、对氧化亚氮的控制加大研究力度、对节能降耗重要性的认识提升高度。

王洪臣认为,排水与污水处理行业要慎提“碳中和”,当前首要的是明确在国家“碳达峰、碳中和”战略大背景下碳减排工作的着力点,要谋定而后动。

他说,“碳达峰、碳中和”是全社会尺度上的战略目标,能源生产与利用是主战场。排水与污水处理是服务于社会发展的一个基础行业,何时达峰取决于社会总体发展状况以及水污染控制目标,没有碳达峰何来碳中和?所谓碳中和,是碳排放和碳吸收相互抵消,没有吸收只有排放的行业谈何中和?即使碳中和,也要看核算边界,没有必要为了本行业碳中和把核算边界外溢到其他行业。

另一方面,“碳达峰、碳中和”既然是全社会的目标,那就是全社会人人有责,每个行业更应该作出贡献。综合利用污水处理场地空间光伏发电、利用出水排放落差水力发电、利用污水中的低位能源制热制冷、利用发酵污泥做有机肥减少化肥用量,凡此种种,都是应予鼓励的减排措施,都是对全社会“碳达峰、碳中和”的贡献,但这些措施均属因地制宜之策,效益各不相同,不应是全行业的减碳着力点,不能因为这样一些短期见效项目而忽视了长期持续减排的努力。那么,排水与污水处理行业减排的着力点是什么?

接下来,王洪臣首先梳理了全球碳态势,之后,他通过梳理排水与污水处理行业碳排放状况,分析提出了三大碳减排着力点。

排水与污水处理是重要的碳排放行业

2019年,全球碳排放量接近600亿吨,CO2、CH4、N2O三大温室气体占到碳排放总量的97.9%,分别占比为74.4%、17.3%和6.2%。这些气体的排放主要涉及四个大行业门类:能源利用(烧煤、燃油、发电等)、农林畜牧、工业生产、废物处置,分别占比为73.2%、18.4%、5.2%、3.2%。占比3.2%的废物处置包括垃圾处理、工业废水处理和生活污水处理,生活污水处理也就是排水与污水处理。CO2主要来自于能源利用,CH4、N2O则来自于其余三大门类的直接排放,排水与污水处理行业也是重要的排放源。

排水与污水处理中的厌氧过程会产生CH4,氮素转化过程会产生N2O,除了这些原位直接排放,污水收集和处理过程的能耗和物耗对应的异位间接排放也属于排水与污水处理的碳排放。污水处理过程中有机物分解产生的CO2属于生源碳,原则上不纳入碳核算。当然,也有研究认为,污水中也包括一部分源于化石的合成有机物,这部分有机物分解应纳入,但实际检测存在困难。

综合各方面数据,污水处理全覆盖的国家,排水与污水处理行业碳排放约占全社会总碳排放量的1%左右。排水与污水处理行业碳排放量虽然占比小,但依靠改变技术路线、改变运行模式,辅以适当的低碳改造,即可减少碳排放,相比其他行业,减碳效益更大。

另外,污水处理主要是有机物好氧分解,未经处理的污水直排导致黑臭,则是个厌氧过程,会产生更多的碳排放。目前,全球污水处理率仅为20%,还有80%的污水在直排水体。我国统计出的污水处理率虽然较高,但污水集中收集率普遍较低,许多城市不足50%,城市和农村存在大量黑臭水体。因此,应该认识到,污水处理本身就是个碳减排过程,是个既减污又降碳的过程,沿着低碳技术路线加快设施建设,提高污水集中收集处理率,实现低碳污水处理,是行业对“碳达峰、碳中和”战略的最大贡献。

2019年,欧盟国家排水与污水处理原位直接碳排放量(CH4、N2O )占全社会总排放量的0.5%,加上能耗和物耗产生的异位间接排放,占比约为1%。其中,CH4排放量占0.3%,比1990年排放量降低了56%,主要措施是将小散厌氧处理设施改造为集中好氧处理设施、加强污泥厌氧消化沼气的收集及利用;N2O排放量占0.2%,比1990年排放量降低了16%,主要措施由于德国和法国提高了污水脱氮水平,两国分别降低了65%和47%。

2019年,美国排水与污水处理原位直接碳排放量(CH4、N2O )占全社会总排放量的0.69%,加上能耗和物耗产生的异位间接排放,占比超过1%。其中,CH4排放量占全社会CH4总排放量的2.8%,占全社会温室气体总排放量的0.28%。

CH4排放量占0.3%,比1990年排放量降低了56%,主要措施是将小散厌氧处理设施改造为集中好氧处理设施、加强污泥厌氧消化沼气的收集及利用;N2O排放量占0.2%,比1990年排放量降低了16%,主要措施由于德国和法国提高了污水脱氮水平,两国分别降低了65%和47%。

2019年,美国排水与污水处理原位直接碳排放量(CH4、N2O )占全社会总排放量的0.69%,加上能耗和物耗产生的异位间接排放,占比超过1%。其中,CH4排放量为1030万吨CO2当量,占全社会CH4 总排放量的2.8%,占全社会温室气体总排放量的0.28%,化粪池、集中处理厌氧系统、集中处理好氧系统、集中处理出水、厌氧消化池,分散污水治理的化粪池是最大排放源。N2O排放量为2050万吨CO2当量,占全社会N2O 总排放量的5.8%,占全社会温室气体总排放量的0.41%。集中处理好氧系统及其出水是主要排放源。

对比欧美排水与污水处理原位直接碳排放的变化,欧洲自1990年以来持续下降,而美国CH4只是略有下降,N2O反而略有上升。欧洲减少厌氧过程、加强沼气收集、提高脱氮水平是持续下降的原因。美国加强沼气收集对降低CH4排放起到了一定作用,但分散污水系统存在2000多万个化粪池是巨大CH4排放源,CH4排放量难以明显下降。除了切萨皮克湾和墨西哥湾等敏感流域,美国许多城市污水脱氮水平并不高,例如,洛杉矶处理日能力为170万立方米的Hyperion特大型污水处理厂就没有脱氮设施。脱氮水平没提高,污水氮负荷在增大,这是N2O排放量增加的原因。进一步比较全社会碳排放,可发现,欧洲CO2、CH4、N2O三大温室气体都在持续降低,CH4、N2O降低更快,过去的30年,欧盟的碳减排量达到20亿吨。美国只是CO2排放量降低,也就是能源领域开展了减排,CH4、N2O排放量基本没有变化,总碳排放量下降缓慢。欧洲经验表明,CO2、CH4、N2O三大气体同步降低排放,也就是能源和非能源领域同步减排,才能实现较快减排,非能源领域减排可能更加明显。 

排水与污水处理减碳的三大着力点

排水与污水处理有许多直接和间接碳排放源,但基于以上分析,化粪池等厌氧过程排放CH4、生物脱氮过程排放N2O、污水收集和处理过程的能耗和物耗间接排放CO2是三大重点排放源,且三部分排放量总体相当。因此,我们提出排水与污水处理行业减碳如下三大着力点:

第一,对是否取消化粪池要有明确的态度。约有15%到25%有机污染物在化粪池中被厌氧分解,是巨大的CH4排放源。新建居民区的排水系统还要不要建化粪池?已经建了的要不要拆除?行业已经讨论了许多年,迄今依然没有一个明确的态度。福建省多年前就发文取消化粪池,但未坚持到底;上海也曾研究取消,后来没了下文;同为苏南地区两个相邻的城市,一个明确建,另一个明确不建;山东某沿海城市还成立了一个化粪池管理处,专司化粪池建设与管理,而同为山东沿海城市的青岛,全市没有一个化粪池。城市排水系统设置化粪池,既产生碳排放,又导致污水处理厂碳氮比失调,外加碳源则又产生间接排放。另外,农村改厕户户建设化粪池,每户两三个人的黑水排入一个超大化粪池,实质上成了个大停留时间的厌氧反应器,导致大量CH4的逸散性排放,而出水很稀还导致后续处理设施无法运行。需要反思,取消化粪池会有后果吗?会造成下水道堵塞吗?如果堵塞有没有维护手段补救?西方国家的城市排水系统普遍不建或拆除了化粪池,青岛市没有一个化粪池,他们的排水系统照常运行。

为了碳减排,是时候研究取消化粪池了。

第二,研究污水处理过程N2O的释放、检测及控制要加大力度。目前,N2O在污水处理过程的释放机制及其影响因素还不清楚。研究发现,反硝化过程存在N2O释放,碳源种类和水平对释放量有显著影响;硝化过程也存在N2O释放,DO水平对释放量有影响;亚硝酸盐与羟胺发生化学反应可能直接生成N2O排放。由于N2O释放机制不清晰,检测及在线监测手段不成熟,相应的评估方法、控制对策也必然是空白,尤其是如何实现控制N2O和提高脱氮率之间的平衡,并进而达到协同,都亟需研究。

为了碳减排,需要增大经费投入、加大研究力度,理清释放机制、研究开发出检测及控制的装置与技术,控制N2O释放。

第三,对污水处理节能降耗重要性的认识要提升高度。“节能降耗”已经强调了几十年,不单是污水处理行业,各行各业都在强调。以前,强调节能降耗是为了降低成本,而现在,污水处理行业为了确保出水稳定达标,免受处罚,不惜过量投入电耗、药耗。在新形势下,应该认识到,多耗电就是多排碳,多耗药也是多排碳,节能降耗就是碳减排,是排水与污水处理行业最重要的减排手段。

如何在确保达标的前提下实现节能降耗?这就需要真正的精细化运营。精细化运营包括采用高效机电设备、加强负载管理、建立需求响应机制以及工艺优化调控等诸多方面,这里重点讲三个关键环节。

一是要强化预处理。目前的格栅和沉砂等预处理单元只能去除粗渣和粗砂,不足渣砂总量的50%,大量细渣细砂进入后续处理单元,除了造成淤积、堵塞、磨损、破损等问题,还使生物系统的MLVSS/MLSS越来越低,既浪费池容又增加能耗,大大降低全系统的综合效能。强化预处理,将所有渣砂在源头彻底分离去除,一本万利,是精细化运营的基础工作,否则,所谓的精细化运营就无从谈起。

二是要加强氧科学管理。污水处理主要是好氧处理,科学供氧是重中之重。氧供少了,有机污染物和氨氮等耗氧类指标会超标,氧供多了,既浪费能耗,也会导致总氮和总磷等非耗氧类指标超标,否则就需要额外投加有机碳源或无机药剂,增加物料消耗。如何实现氧科学管理?关键是实现生物耗氧量和实际供氧量的平衡,这就需要在线实时地把生物耗氧速率(SOUR)和实际供氧速率(SOTR)测出来,没有这两个参数的实时数据,就谈不上氧的科学管理。

三是要加强药剂科学管理。由于原污水碳氮比不高、脱氮除磷要求又高,许多污水处理厂依靠大量投加外碳源或化学除磷药剂维持脱氮除磷,且普遍过量投加。过量投加的药剂浪费了成本,增大了碳排放,也可能增加能耗。加强药剂科学管理,首先要针对水质搞清实际需求,其次是在充分挖掘利用污水中内碳源的基础上确定外加药剂量。碳源种类、加药点以及投加量与水质和工况密切关联,理清这些关系才能真正实现科学管理,避免过量投加。

为了碳减排,需要对污水处理节能降耗重要性认识提升到一个新高度。

最后,为了碳减排,需要节能降耗,需要真正的精细化运营。精细化运营需要安装必要的检测装置或装备,对管路或构筑物进行必要的改造,这就是“低碳改造”。期望在轰轰烈烈完成了“提标改造”之际,行业能尽早展开污水处理“低碳改造”,助力国家“碳达峰、碳中和”战略目标的实现。

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