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。
文章链接：环保在线 https://www.hbzhan.com/news/detail/140669.html