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                水務行業如何實現雙碳目標?錨定新技術方得破解之道

                水務行業如何實現雙碳目標?錨定新技術方得破解之道

                發布日期:2022-08-25 作者:汪茵整理 點擊:

                在雙碳戰略提出後,如何實現碳達峰、碳中和目標成為各行各業思考的重要議題之一,水務行業也不例外。在“2022(第二十屆)水業戰略論壇”上,清華大學環境學院教授、國家環境保護技術管理與評估工程技術中心主任王凱軍分享了我國汙水處理行業碳中和發展技術展望。

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                王凱軍


                2030年,水務行業能否實現碳達峰?

                王凱軍表示,水務行業要想在2030年實現碳達峰目標,要從行業政策、汙水處理行業難題以及主要社會矛盾三個方面來分析。

                首先來看行業政策。王凱軍表示,2021年是“十四五”開局之年,目前,《關於加快推進城鎮環境基礎設施建設的指導意見》、《城鎮生活汙水處理設施補短板強弱項實施方案》、《關於推進汙水資源化利用的指導意見》等關於“十四五”所有的政策幾乎都已亮相。可以看出在雙碳戰略背景下,水務行業缺乏與之配套的針對性政策。然而,縱觀我國汙水處理行業發展歷史上,政策驅動力十分重要,不同階段頂層政策的出臺為行業發展提供了切實動力。


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                1、在汙水處理行業的起步階段:早期政府貸款門檻較高,限制了行業發展速度。我國發行了第一次國債,刺激了產業的發展。

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                3、汙水處理行業的高速發展期:“十一五”時期提出COD約束性指標,“十二五”時期提出COD和氨氮約束性指標,這些指標被列入了政府考核目標中,促進了汙水處理行業實質性發展;

                4、汙水處理行業的繁榮階段:2015年提出“水十條”,2018年發布《城市黑臭水體治理攻堅戰實施方案》。在這一時期,水務行業面臨雙重考核,重壓之下,水務行業爆發了巨大的發展潛力。

                5、未來,汙水處理行業將迎來穩定發展階段,在這一階段汙水處理率接近100%。

                由此可見,要想實現真正的發展需要明確政策驅動,但回顧補短板強弱項、汙水資源化等政策,難以看到非常切實的驅動力,這是行業必須認清的現實。

                分析完頂層政策,再來看我國水處理行業面臨的現實難題。以雨水溢流汙染帶來的面源汙染為例,其很大程度上影響了我國河流斷面水質達標率,我國河流斷面水質在汛期達標率明顯低於非汛期。以北京市通州北運河為例,降雨導致的的面源汙染影響較為嚴重,北運河汛期達標率明顯低於非汛期。

                針對這一問題,王凱軍表示,一方面,正在積極推進與有關部門洽商制定城市面源汙染物排放標準。另一方面, 2022年2月,生態環境部發布《關於開展汛期汙染強度分析推動解決突出水環境問題的通知》,王凱軍認為《通知》中提出的“汛期強度考核排名”會對面源汙染治理有比較大的推動力。因為從經驗來看,除了政策要求外,以考核結果進行排名這個方法在過去發揮了很大的作用。

                2019年起,生態環境部通報全國地表水、環境空氣質量,排名結果與區域領導職責掛鉤,排名靠後地區的相關責任人甚至被免職,可以說“榜單差生效應”極大地督促了地方政府的環境治理力度。因此,生態環境部發布了汛期汙染強度排名榜單,以榜單為抓手,希望發揮排名的倒逼作用,客觀反映地方政府水汙染防治工作成效和努力程度,並保障公眾環境知情權、參與權、監督權,加快推進水生態環境保護,落實地方水汙染防治責任。

                由此可見,我國水處理行業發展過程中,仍存在一些制度、法規等方面的不足。

                現階段,我國社會主要矛盾已經轉化為人民日益增長的美好生活需要和不平衡不充分的發展之間的矛盾。人民日益增長的美好生活需要中就包括了對美好環境的追求。

                王凱軍舉例談到,2016年水務局對某河道冬泳標語是“遊泳請到正規場所”,2021年水務局標語變成“科學文明遊泳,共創和諧親水環境”,這也從側面說明了水環境的改善和政府管理職能的進步。今年,頤和園外的河道上也出現了遊艇、舢板等設施,雖然水務局的態度是不違法但不提倡,但這樣的情況越來越多,很多人在下遊河段戲水。

                這一變化正符合生態環境部水司司長張波提出“有河有水、有水有魚、人水和諧”。其中,“人水和諧”是強調水生態,思考水與社會的關系,反映了現階段的人民群眾的主要追求。

                理想很美好,但現實問題仍要面對。截至目前,我國在汙水處理領域的投資缺口仍然較大,水業的發展剛剛處於起步期。

                綜合上述情況,王凱軍判斷,中國水務行業要在2030年實現碳達峰,仍存在一定困難。


                水務行業如何實現 “碳中和”?

                今年初,國內成功舉辦冬奧會,並對外稱這是第一次“零碳冬奧”。王凱軍分析,雖然冬奧會在場館方面為實現零碳付出了各種努力,但實際上,在冬奧會場館中真正做到綠色低碳東西是非常有限的,場館本身采用的可以實現零碳的技術和手段其實很少,主要還是通過外界技術手段達到零碳目的。

                丁仲禮院士提出,要實現碳中和,要經歷四步減排路徑:第一步“控碳”,到2030年,二氧化碳排放總量控制在100億噸之內;第二步“減碳”,到2040年,爭取排放總量控制在85億噸之內。基本完成交通和建築領域低碳化改造,工業領域全面推廣用煤/石油/天然氣+氫+電取代煤炭的工藝過程,推廣無碳新工藝;第三步“低碳”,到2050年,碳排放控制在60億噸。建築和交通領域達到近無碳化,工業基本完成低碳化改造;第四步“中碳”,到2060年,碳排放總量控制在25—30億噸。火電控制在10億噸,除交通和建築領域外,工業領域也全面實現低碳化。

                要完成這四個階段的目標,水務行業具體該如何做呢?

                王凱軍介紹,當前在水務行業中,有兩個助力實現低碳目標的主流觀點:一,汙水處理行業采用綠色電力,可直接“躺平”;二,與其他行業一樣,考慮工業綠色轉型,解決攻克轉型中的關鍵技術,並考慮清潔能源替代、資源循環利用等因素。第二種途徑需要行業為此做更多工作,付出更多努力。

                王凱軍表示,他個人不太贊成“奧運場館模式”,也不太贊成全部采用綠色電力,自然躺平的模式。從國家角度來說,雙碳戰略是重大決策,還被納入了生態文明建設的整體框架,在這一框架下,雙碳戰略被賦予了更深刻的內涵。他認為在雙碳戰略下,以什麽途徑實現碳中和是關鍵性的問題。在這一過程中,企業要主動面對經濟結構轉型升級的迫切需求而轉型,要順應技術進步趨勢,推動技術能效提升。還要樹立企業低碳、可持續發展的形象,迎接新的市場機遇,升級企業盈利模式,將碳交易變現為碳資產。


                汙水處理碳中和技術發展方向

                王凱軍介紹,水務行業有兩大與雙碳戰略相關的熱門技術。一個是厭氧氨氧化技術,Marc Strous在《Science》發文稱,汙水處理廠如果使用主流厭氧氨氧化技術,可產生44.4%的能量,實現能源自給,就完全可以成為 “碳中和”汙水廠;另一大技術是好氧顆粒汙泥工藝,可以減少70%的占地和30%的能耗。

                這兩大技術都是汙水處理領域中起到革命性作用的工藝,但是否能引領21世紀汙水處理行業的發展呢?

                厭氧氨氧化工藝

                王凱軍表示,在主流厭氧氨氧化工藝發明之後,DEMON ? hydro-cyclones、Paques ANAMMOX ? process、ANITA?Mox/AnoxKaldnes? MBBR等工藝都開始大規模中試或生產性的試驗,但在這個過程中,產生了一些問題。

                目前Z有希望的DEMON ? hydro-cyclones工藝無法定量描述和控制anammox在主流脫氮中去除率。王凱軍曾參觀Dokhaven地下汙水處理廠改造項目,該項目A段出水采用厭氧氨氧化顆粒汙泥,在運行過程中,隨著時間,懸浮物和COD波動,厭氧氨氧化顆粒汙泥出現了解體現象。王凱軍團隊曾兩次邀請該廠管理者來中國一起進行中試,但也遇到了類似問題,這是在現有技術框架下不太容易解決的問題。

                在雙泥齡主流高效復合脫氮技術問世後,王凱軍等也在國家項目下進行了中試,取得了比較好的效果,並且在首創環保集團2萬噸/d的汙水處理廠和雄安容東片區4萬噸/d的再生水廠都采用了雙泥齡主流高效復合脫氮技術。但在運營過程中,出現了兩個問題:一是MBBR的攪拌和吹掃的能耗大大地抵消了厭氧氨氧化節約的能源,二是外回流(100%)和內回流(200%)稀釋造成的低濃度,增加了厭氧氨氧化對亞硝化的控制難度。這一技術工藝仍然具有優勢,但如果無法節能,就不符合“雙碳戰略”的大背景,產生一系列問題。

                好氧顆粒汙泥工藝

                好氧顆粒汙泥工藝具有許多優勢,Z突出的優勢是可節約70%的占地面積,因為土地資源具有不可再生屬性,是可持續發展中的重要內容;好氧顆粒汙泥工藝的反應器形式是序批式,不需要回流,可高效節能30%以上;此外,好氧顆粒汙泥工藝出水水質良好,其出水TN可低於4mg/L,TP僅為0.3 mg/L,是非常有希望的工藝。

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                北控工業環保龍遊項目三期采用好氧顆粒汙泥技術,占地面積僅為一期、二期的三分之一左右

                雖然有以上優勢,但好氧顆粒汙泥工藝仍存在一定的局限性,好氧顆粒汙泥工藝只是有限的節能,與碳中和目標仍存在加大差距,因此,(連續流)好氧顆粒汙泥在碳減排上的優勢有限。

                分析以上兩大工藝的優缺點之後,王凱軍總結,厭氧氨氧化工藝和好氧顆粒汙泥工藝這兩個20世紀以來重大的技術進步在實現碳中和的道路上能提供的支撐較為有限。


                實現碳中和需錨定新技術工藝

                王凱軍認為,汙水處理行業在碳中和目標下的技術發展方向需考慮以下四點:

                1、資源化:行業需要重視資源的循環利用,特別是N、P等營養物的回收。目前所有汙水處理工藝都沒有對N進行回收,N和P的回收與可持續發展相關,必然是下一步的重點。

                2、碳中和:要降低能耗和物耗,實現減汙降碳。將雙碳目標納入生態文明框架進行考量,就應當重視這一點。

                3、智慧化:汙水處理技術要增強在信息化管理、自動化控制、數字化模擬、智能化系統等方面的實力。

                4、生態文明:做到和諧共生、良性循環,全面發展、持續繁榮。

                然而就雙碳目標而言,當前的工藝技術都難以真正實現碳中和目標。

                為破解碳中和難題,比利時根特大學的Willy很早就提出資源全回收的“零排放”方向,他的上遊濃縮概念提出了多種物化濃縮技術,如氣浮、動態快速砂濾、膜技術、生物吸附(A-B工藝)等,假設在汙水進廠時將其濃縮起來,改變汙水處理的方向,與一些工藝相結合形成再生水;濃縮液經過厭氧消化形成沼氣等能源,產生的二氧化碳可以利用於農場;富氮的汙水、汙泥碳化形成生物碳,產生物質資源。

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                王凱軍分析,這一思路確實為碳中和目標的實現提供了新的途徑,並會讓汙水處理工藝格局發生顛覆:1、假設汙水廠進水濃縮率能>90%,就徹底改變了能量流和物質流方向,將改變汙水處理工藝格局;2、改變能量流和物質流的方向後,出水只剩下非常少量的氨、氮,COD被去除了,不再是問題。在這一情況下,就需要重新思考、打造低濃度氨氮資源回收技術;3、厭氧產能超過需求。針對產生的濃縮液,要大力開發回收碳源、資源的技術;

                從定量角度來說,膜濃縮工藝可去除90%的COD,並且比傳統活性汙泥工藝回收的能源高出3倍左右,做到能源自給,實現碳中和。

                沿著膜濃縮工藝這一路徑,可以將汙水廠變為水源工廠、能源工廠、肥料工廠。

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                王凱軍在發言Z後總結道,沿著過去的技術路線很難實現碳中和目標,要瞄準新的技術路徑方有機會實現碳中和。另外,在技術路徑的探索過程中切忌“躺平”,否則將被他人超越,面臨淘汰!


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