推進市政污水處理行業(yè)低碳轉(zhuǎn)型，助力碳達峰、碳中和
來源：中國環(huán)保產(chǎn)業(yè)協(xié)會
導(dǎo)讀：市政污水處理行業(yè)在探索能源節(jié)約、產(chǎn)熱制冷、光伏發(fā)電方面取得初步成效，低碳發(fā)展的綜合潛力大。為了推進行業(yè)低碳轉(zhuǎn)型，需摸清全國市政污水處理行業(yè)低碳發(fā)展的底數(shù)和潛力，制定轉(zhuǎn)型目標(biāo)、階段任務(wù)和考核機制，建立健全低碳標(biāo)準體系。
市政污水處理行業(yè)在探索能源節(jié)約、產(chǎn)熱制冷、光伏發(fā)電方面取得初步成效，低碳發(fā)展的綜合潛力大。為了推進行業(yè)低碳轉(zhuǎn)型，需摸清全國市政污水處理行業(yè)低碳發(fā)展的底數(shù)和潛力，制定轉(zhuǎn)型目標(biāo)、階段任務(wù)和考核機制，建立健全低碳標(biāo)準體系，基于碳減排貢獻和能源轉(zhuǎn)化效果建立污水處理價格調(diào)整和運營補貼機制，設(shè)立行業(yè)低碳發(fā)展國家科技專項。為利用污水能源，需從規(guī)劃層面促進區(qū)域聯(lián)動。為利用沼氣和污泥熱能，需重視廠網(wǎng)系統(tǒng)化治理，提高進水有機物濃度，支持污泥的跨區(qū)域及與其他有機質(zhì)的協(xié)同處置，將污泥處置成本納入污水處理價格。為促進運營節(jié)能，需制定低碳標(biāo)準和達標(biāo)促進措施，合理確定排水標(biāo)準和污泥處置標(biāo)準，防止難降解有機物進入市政污水。為發(fā)展光伏發(fā)電，需補足標(biāo)準并制定績效獎勵政策。
市政污水處理行業(yè)是我國的耗能大戶，以2020年為例，全行業(yè)耗電約184億度。為了助力碳達峰、碳中和，有必要總結(jié)一些先行先試企業(yè)的經(jīng)驗，以現(xiàn)實問題為導(dǎo)向，深入挖掘該行業(yè)全面低碳轉(zhuǎn)型的綜合潛力。
1 我國市政污水處理行業(yè)低碳發(fā)展的探索與初步成效
近年來，一些市政污水處理廠在經(jīng)濟可行的條件下先行先試，探索污水能源利用、污泥熱能利用、企業(yè)運營節(jié)能和光伏發(fā)電，取得了初步成效。
1.1 污水熱能的利用情況
我國對于污水源熱泵的探究起步較晚，在1985年才將熱泵技術(shù)定為重點推廣課題，通過近些年的研究與發(fā)展，國內(nèi)已建成多個污水源熱泵系統(tǒng)并投入使用。污水源熱泵充分利用污水水溫恒定的特點，能夠從污水中高效提取熱量，制冷及制熱系數(shù)可達3.5～4.4，可在穩(wěn)定供暖制冷的同時，降低用電量，實現(xiàn)污水熱能的開發(fā)利用。一些典型案例如下：
1)北控水務(wù)海港區(qū)西部污水處理廠處理規(guī)模為12萬噸/天，利用污水處理后的中水作為水源熱泵熱源，為廠區(qū)辦公樓和生產(chǎn)生活區(qū)域提供采暖和制冷保障。水源熱泵兩臺，每臺制熱功率為436.8千瓦，制冷功率為394.9千瓦，綜合性能系數(shù)為5.74。每年的制熱輸出量為3.27億千瓦時，制冷輸出量為0.29億千瓦時。
2)首創(chuàng)恒基大連大開污水處理廠通過建造熱泵站對污水熱能加以利用，制熱功率為98千瓦，制冷功率為76千瓦，每年的制熱輸出量為854億千瓦時，制冷輸出量為427億千瓦時，全覆蓋大開污水處理廠、大連恒基再生水廠、恒基環(huán)保學(xué)校的供暖需求和制冷需求。
3)天津創(chuàng)業(yè)環(huán)保大連春柳河污水處理廠一期項目的供暖采用水源熱泵機組，冬季采暖供水溫度達到50℃，回水溫度達45℃；污水用量為100立方米/小時,總熱負荷為298千瓦；選用制熱量為413.2千瓦、制熱功率為86.3千瓦的熱泵，每年制熱輸出量為1.07億千瓦時(每年供暖期150天)。目前已投入使用，供熱總建筑面積約4000平方米，滿足廠區(qū)內(nèi)辦公及生產(chǎn)用房采暖要求。
4)北京排水集團積極推廣水源熱泵的開發(fā)與利用，在北京高碑店再生水廠、小紅門再生水廠、槐房再生水廠、清河再生水廠、清河第二再生水廠、酒仙橋再生水廠、定福莊再生水廠、高安屯再生水廠、北小河再生水廠、盧溝橋再生水廠、吳家村再生水廠等11座再生水廠，均應(yīng)用了水源熱泵。2016～2020年，上述水廠累計供熱量為530萬吉焦，累計節(jié)約天然氣約1.6億立方米，年供熱量為106萬吉焦，年節(jié)約天然氣3180萬立方米，為集團內(nèi)外共計160萬平米項目提供供暖及制冷服務(wù)。
1.2 沼氣和污泥的熱能利用情況
1.2.1 污泥沼氣的利用情況
污泥厭氧消化過程的碳排放量相對較低，且具備實現(xiàn)負碳排放的可能。污泥厭氧消化耦合沼氣熱電聯(lián)產(chǎn)項目，可以實現(xiàn)熱、電兩種能源的回收利用，提高能源利用效率。目前我國污泥熱電聯(lián)產(chǎn)已應(yīng)用在多個項目上，并取得了明顯的碳減排效果。
由于我國污水處理廠進水濃度相對較低、污泥含沙量大等原因，目前厭氧消化工藝在整個污泥處理處置市場中占比僅為15%左右。隨著碳減排政策的逐步推進，污泥厭氧消化后的沼氣可轉(zhuǎn)化為熱能，實現(xiàn)能源自給后可對外輸出，因此此類項目將得到市場重視。一些典型案例如下：
1)上海城投的白龍港污水處理廠采用中溫厭氧消化系統(tǒng)，處理規(guī)模為204噸總干污泥量/天，沼氣產(chǎn)量約為40 000立方米/天，沼氣轉(zhuǎn)化為熱能用于厭氧消化系統(tǒng)熱能供應(yīng)，厭氧消化熱能自給率達100%。多余的沼氣還可用于部分污泥干化對熱能的需求。
2)北控水務(wù)的北戴河新區(qū)污泥處理廠項目的日處理規(guī)模為300噸(80%含水率)，處理工藝采用分級/分相厭氧消化工藝，產(chǎn)生的沼氣經(jīng)提純后，一部分可用于預(yù)處理單元的原泥預(yù)熱，另一部分可用作車用燃氣。3)北京排水集團小紅門再生水廠采用污泥高級厭氧消化工藝，年產(chǎn)沼氣1300萬～1500萬立方米，可替代電能3000萬～3300萬度。
此外，北京排水集團還在北京中心城區(qū)建設(shè)了高碑店等五座污泥處理中心，通過逐步完善沼氣發(fā)電耦合熱電聯(lián)產(chǎn)技術(shù)，預(yù)計2021～2022年這五座污水處理中心可實現(xiàn)沼氣全利用目標(biāo)，預(yù)計可替代污水污泥處理全過程18%～20%的電能，每年預(yù)計可減少二氧化碳排放約8萬噸。
1.2.2 污泥焚燒的熱能利用情況
污泥焚燒熱能利用，即采用專用焚燒爐進行污泥獨立焚燒，污泥在焚燒過程中產(chǎn)生的煙氣熱量在尾部煙道中通過空氣預(yù)熱器和省煤器分別加熱燃燒所需空氣以及干化所需的導(dǎo)熱油，以達到熱能利用的目的，同時污泥焚燒的余熱還可進行發(fā)電。目前污泥自持焚燒在我國已有較為成熟的應(yīng)用案例：1)常州錫聯(lián)環(huán)保的夾山污泥焚燒項目，采用流化床對干基熱值1700～2200卡/克的污泥進行焚燒，污泥焚燒產(chǎn)生的約850℃的高溫?zé)煔庠谖膊繜煹乐型ㄟ^空氣預(yù)熱器和省煤器分別加熱燃燒所需空氣以及干化所需的導(dǎo)熱油。目前已將導(dǎo)熱油熱能的額外回收列入計劃，預(yù)計每小時熱回收量將超過1000千瓦。2)上海國惠辛集污泥焚燒發(fā)電廠項目，日處理含水率為80%的污泥1300噸。利用污泥焚燒余熱進行發(fā)電和供汽，年發(fā)電量8640萬度，除自用外，還可上網(wǎng)供電。項目自建成投產(chǎn)以來已處理污泥57萬噸，相當(dāng)于標(biāo)準煤19萬噸，減少因燃煤產(chǎn)生的二氧化碳排放49萬噸。
1.3 企業(yè)運營的節(jié)能情況
污水處理企業(yè)的運營節(jié)能一般通過精細化智能管控和新技術(shù)的應(yīng)用來實現(xiàn)。
1.3.1 污水處理廠運營精細化智能管控的節(jié)能情況
精細化智能管控，即通過采用先進的管理思維和技術(shù)手段，提供一套應(yīng)用于污水處理廠的集智能化控制、物聯(lián)網(wǎng)接入采集、一體化中央監(jiān)控、移動化管控平臺、大數(shù)據(jù)分析和科學(xué)化決策于一體的自動化、智能化、智慧化污水處理廠整體解決方案，在實現(xiàn)污水處理廠少人或無人化生產(chǎn)運營管理的同時，達到節(jié)能降耗的目的，特別是實現(xiàn)對電耗和藥耗的控制。
精細化智能管控目前在我國處于發(fā)展階段，大部分企業(yè)正通過“試點帶動局部”再到“全面布局”的方式在集團內(nèi)部開展精細化智能管控的推廣，目前已初見成效，典型案例如下：
1)北京排水集團重點對鼓風(fēng)曝氣系統(tǒng)及藥劑投加系統(tǒng)展開精準控制，曝氣能耗降低了10%，藥劑投配率降低了30%～50%。通過精準控制系統(tǒng)的運行，全集團每年可降低電力消耗1500萬～2000萬度，減排二氧化碳9000～12 000噸。
2)北控水務(wù)構(gòu)建了基于大數(shù)據(jù)的水廠信息數(shù)據(jù)中心，建設(shè)了水廠生產(chǎn)運營系統(tǒng)，建立了集約化的管控體系，建立了分析決策支持系統(tǒng)，建立了規(guī)范的業(yè)務(wù)流程，建設(shè)了運營移動互聯(lián)APP應(yīng)用系統(tǒng)，建成了基于云計算、大數(shù)據(jù)的智慧水務(wù)系統(tǒng)。通過智慧水務(wù)的運行，2020年北控水務(wù)原材料費用下降5339萬元，原材料噸水成本下降25.8%，年節(jié)約碳源15 000噸，年節(jié)約除磷劑20 000噸，并大幅減少了二氧化排放量和剩余污泥量。
3)首創(chuàng)股份聚焦于重點能耗設(shè)備的運行效率管控，通過多項舉措的落地和能力建設(shè)的深入，實現(xiàn)電耗、藥耗的精細化管控和合理節(jié)約。合肥十五里河污水處理廠通過能效管控平臺的輔助，噸水電耗同比降幅達10%以上。長治污水處理廠通過生物建模技術(shù)的輔助，最終實現(xiàn)碳源藥耗降低50%以上。成都陡溝河污水處理廠通過應(yīng)用智能曝氣控制系統(tǒng)，曝氣系統(tǒng)的節(jié)能率達12.5%，全年可節(jié)約用電約15萬度。臨沂青龍河凈水廠通過實施智能藥劑投加系統(tǒng)，噸水碳源投加量降幅達13%，噸水除磷劑投加量降幅達27%。
4)上海城投的白龍港污水處理廠在精細化智能管控方面也做了相應(yīng)布局，在污水生物處理中實施精確曝氣措施，在保證出水達標(biāo)的前提下，按需提供微生物所需的溶解氧，避免曝氣能耗的浪費；在污水除磷處理中，通過智能計算和調(diào)控，實現(xiàn)按需調(diào)整加藥率并精準加藥，在滿足出水達標(biāo)的前提下，避免了藥劑的過量投入。
5)中環(huán)水務(wù)的貴陽六廣門再生水廠處理量為12萬噸/天，工藝智能優(yōu)化系統(tǒng)采用模糊邏輯和閉環(huán)自動控制原理，系統(tǒng)可實現(xiàn)精確曝氣、精確加藥、精確回流、進水異常處置等，實現(xiàn)生化處理系統(tǒng)運行效果的優(yōu)化控制，節(jié)省設(shè)備的用電量。
1.3.2 污水處理廠新技術(shù)應(yīng)用后的節(jié)能情況
1.3.2.1 好氧顆粒污泥技術(shù)
該技術(shù)屬于最具發(fā)展?jié)摿�、可替代傳統(tǒng)技術(shù)的戰(zhàn)略性前沿生物處理技術(shù)之一。與全球范圍廣泛使用的傳統(tǒng)絮狀活性污泥法相比，好氧顆粒污泥技術(shù)的微生物富集量是傳統(tǒng)技術(shù)的2～3倍，其生化反應(yīng)效率高，出水水質(zhì)好，占地面積比傳統(tǒng)工藝節(jié)省20%以上，藥耗、能耗都有明顯的降低。國內(nèi)頭部企業(yè)已通過自主研發(fā)攻克了該技術(shù)的工程應(yīng)用瓶頸，突破了國外的技術(shù)封鎖。北京排水集團2019年建成并運行好氧顆粒污泥方莊城市污水示范項目(1800立方米/天)，正在建設(shè)大規(guī)模的吳家村好氧顆粒污泥城市污水處理項目(80 000立方米/天)，預(yù)計項目建成后因降低耗電量可較傳統(tǒng)活性污泥技術(shù)減少碳排放882噸/年，其中2021年7月將實現(xiàn)一期(20 000立方米/天)調(diào)試運行(見表1)。首創(chuàng)股份河南省南陽淅川縣馬鐙污水處理廠應(yīng)用自主研發(fā)的CREATE好氧顆粒污泥技術(shù)進行提標(biāo)擴容，深入挖掘處理潛力，原位擴容3倍以上，降低能耗、藥耗20%以上，降低人工成本30%，同時出水水質(zhì)更穩(wěn)定。
1.3.2.2 同步硝化反硝化技術(shù)
北控水務(wù)徐州睢寧污水處理廠日處理城市污水4萬噸，生化處理采用A2O工藝，長期進水碳氮比偏低(COD/TN為4：1)，為確保出水總氮穩(wěn)定達標(biāo)，日常運行中需補充大量碳源，大大增加了污水處理成本。自2018年起，污水處理廠逐步嘗試采用同步硝化反硝化工藝，經(jīng)過運行驗證，優(yōu)化后的系統(tǒng)運行穩(wěn)定：出水COD、氨氮等保持原有處理效果；總氮得到明顯控制，出水總氮穩(wěn)定下降1.5～3.5毫克/升；碳源添加量下降15毫克/升；日處理能力提高2000～4000噸。
1.3.2.3 厭氧氨氧化技術(shù)
該技術(shù)是當(dāng)今前沿的污水生物脫氮技術(shù)，其利用亞硝態(tài)氮與氨氮反應(yīng)直接生成氮氣，與傳統(tǒng)污水處理工藝相比，可節(jié)省占地、投資和運行費20%以上，節(jié)約能耗30%以上，節(jié)約藥劑90%以上，全過程碳排放減少50%以上，為未來實現(xiàn)城市污水處理廠能源自給和能源供給提供支撐。北京排水集團自主研發(fā)了系統(tǒng)性厭氧氨氧化技術(shù)體系，已在北京五個污泥處理中心建成大規(guī)模的厭氧氨氧化污泥消化液脫氮工程，總處理規(guī)模15 900立方米/天，每年因降低耗電量可減少碳排放1.05萬噸(見表2)。
1.3.2.4 其他探索性工藝
具體包括：1)免滅菌合成聚羥基脂肪酸酯技術(shù)。免滅菌合成聚羥基脂肪酸酯(PHAs，俗稱可降解生物塑料)技術(shù)，即利用污泥消化液制備可降解生物塑料。北京排水集團已建成污泥合成PHAs中試系統(tǒng)(250升/天)，利用1噸污泥(80%含水率)可生產(chǎn)8千克PHAs，開辟了市政污泥資源化利用新途徑，從而替代石油基塑料。2)厭氧序批式消化工藝。此工藝可深挖污泥生物質(zhì)能回收潛力，提高可再生能源產(chǎn)率，北京排水集團已在研究開發(fā)厭氧序批式消化工藝(ASBR)、微電壓驅(qū)動高速厭氧消化工藝等，預(yù)計將提升產(chǎn)氣率10%～15%，節(jié)省厭氧消化池池容50%以上，通過微電壓強化可提升產(chǎn)甲烷速率50%以上，停留時間可縮短25%以上。3)超磁分離+低碳雙泥齡復(fù)合脫氮工藝。首創(chuàng)股份東壩污水處理廠應(yīng)用“3R WATER未來污水處理技術(shù)”的污水處理廠，涵蓋資源轉(zhuǎn)化、能源回收、低碳和諧三要素，核心工藝采用超磁分離+低碳雙泥齡復(fù)合脫氮工藝，有效提高了污水處理廠的能源自給率，實現(xiàn)了高品質(zhì)碳源、高純磷資源及污水熱能的回收和再利用。
1.4 廠內(nèi)太陽能面板鋪設(shè)與發(fā)電情況
污水處理作為高耗能行業(yè)，光伏發(fā)電系統(tǒng)在污水處理廠的應(yīng)用對緩解污水處理廠高耗能問題具有重要意義。目前，我國污水處理廠與光伏發(fā)電項目的結(jié)合尚處于發(fā)展階段，部分企業(yè)已在探索利用污水處理廠的初沉池、曝氣池、膜池、清水池等構(gòu)筑物上方空間安裝光伏發(fā)電設(shè)備，以實現(xiàn)削峰填谷、清潔發(fā)電。一些典型案例如下：
1)截至“十三五”末，北京排水集團已在小紅門、清河、酒仙橋三座再生水廠運行分布式光伏發(fā)電項目，總裝機容量達到18.7兆瓦，年均發(fā)電量2400萬度，可降低二氧化碳排放約1.45萬噸。“十四五”期間，北京排水集團將進一步擴大再生水廠及管網(wǎng)泵站分布式光伏發(fā)電設(shè)施建設(shè)，預(yù)計新建總裝機容量17兆瓦，年發(fā)電量達1800萬度，每年可降低二氧化碳排放約1.1萬噸。
2)中環(huán)水務(wù)已在多個污水處理廠運行分布式光伏發(fā)電項目，并對降低二氧化碳的排放做出了明顯貢獻。蚌埠第二污水處理廠的光伏發(fā)電量占水廠總用電量的10%。肥城市康龍污水處理廠二期，處理規(guī)模為4萬噸/天，光伏發(fā)電量占水廠總用電量的15%。淇縣城南污水處理廠，處理規(guī)模為3萬噸/天，光伏發(fā)電量占水廠總用電量的29%。淇縣城南新建污水處理廠，處理規(guī)模為3萬噸/天，光伏發(fā)電量占水廠總用電量的7%。淇縣城北污水處理廠，處理規(guī)模為3萬噸/天，光伏發(fā)電量占水廠總用電量的28%。
3)金風(fēng)環(huán)保的陽谷國環(huán)水廠項目裝機容量峰值為1336.28千瓦，光伏首年峰值小時數(shù)為1340.46小時，25年年均發(fā)電量為133.7萬度；項目廠區(qū)年用電量約800萬度，通過遠程能源監(jiān)管平臺對用電行為的監(jiān)察，降低用電量5%。截至目前，水廠的綠電使用率已達16.2%，節(jié)能達15.8%。
4)創(chuàng)業(yè)環(huán)保春柳河污水處理廠利用生物池及車間房屋頂設(shè)置光伏發(fā)電系統(tǒng)，設(shè)計光伏系統(tǒng)的總面積為4130平方米，光伏系統(tǒng)總裝機容量峰值為1.177兆瓦，年發(fā)電量約為66萬度。目前，光伏發(fā)電項系統(tǒng)已投入使用，日均發(fā)電量2923度，約占日總用電量的16%。
5)首創(chuàng)集團對污水處理廠的分布式光伏發(fā)電項目亦有所布局。合肥市的十五里河污水處理廠、小倉房污水處理廠和陶沖污水處理廠廠內(nèi)建設(shè)了分布式光伏發(fā)電項目，利用污水處理廠建筑物的頂面和廠區(qū)空地面積鋪設(shè)太陽能光伏板，項目總投資3840萬元，總裝機容量約9.7兆瓦，其中小倉房污水處理廠約3.9兆瓦、陶沖污水處理廠約2.1兆瓦、十五里河污水處理廠約3.7兆瓦。
6)北控水務(wù)目前已有超過42家污水處理廠采用光伏發(fā)電，總裝機容量超過32.19兆瓦。以江蘇宜興污水處理廠分布式光伏發(fā)電項目為例，江蘇宜興污水處理廠分布式光伏發(fā)電項目位于宜興市，覆蓋宜興市城市污水處理廠、宜興市新建污水處理廠、宜興市官林污水處理廠、宜興市南漕污水處理廠、宜興市徐舍污水處理廠、宜興市西渚污水處理廠、宜興市張渚污水處理廠和宜興市和橋污水處理廠8個污水處理廠，利用廠區(qū)內(nèi)污水池、沉淀池、絮凝池上方空間，辦公樓屋面，新建廠區(qū)道路光伏通廊和光伏車棚建設(shè)光伏電站，總安裝容量約8.1兆瓦，采用0.4千伏電壓等級并網(wǎng)、“自發(fā)自用，余電上網(wǎng)”模式，于2017年年底完成并網(wǎng)。
7)上海城投的白龍港污水處理廠計劃在生反處理池上方加裝光伏板，實施光伏發(fā)電，設(shè)計光伏裝機容量峰值為108兆瓦，設(shè)計年均發(fā)電量約為1億度，預(yù)計年均25%的總用電量可實現(xiàn)綠色能源替代。
2 我國市政污水處理行業(yè)低碳發(fā)展的潛力與現(xiàn)實問題
2.1 污水熱能利用的前景與現(xiàn)實問題
發(fā)達國家已普遍將污水源熱泵用于一定范圍內(nèi)居民的供熱及制冷。例如，芬蘭圖爾庫市的Kakolanmäki市政污水處理廠于2009年投產(chǎn)，通過建造熱泵站，每年的制熱輸出量為2000萬度，制冷輸出量為200萬度，滿足圖爾庫市14%的供暖需求和100%的制冷需求，每年可為該市減少8萬噸的碳排放；荷蘭烏特勒支市市政污水處理廠計劃于2021年投入運行的25兆焦的新型水源熱泵系統(tǒng)，出水溫度可達到75℃～83℃，每年可從出水中交換約40萬吉焦的熱量，占烏特勒支市總供熱量的10%～15%，可持續(xù)供應(yīng)當(dāng)?shù)?萬戶居民冬季取暖供熱需求，每年可減少1萬～2萬噸的碳排放。
我國已建成多處污水源熱泵系統(tǒng)，部分項目制冷及制熱的綜合性能系數(shù)超過了5.5，在國際上處于比較優(yōu)秀的水平。未來，污水源熱泵的應(yīng)用將成為市政污水處理行業(yè)的低碳發(fā)展主流，且除滿足自身的能源需求外，還可與廠外實現(xiàn)供熱系統(tǒng)聯(lián)動，擴大輸出范圍，節(jié)能潛力大。但我國目前污水的熱能利用存在如下現(xiàn)實問題需要解決：1)污水所含熱能屬于低品位能源，難以直接用于發(fā)電，目前只能用于廠區(qū)或周邊3～5千米范圍內(nèi)的供熱、制冷。2)供熱和制冷企業(yè)對污水入戶的接受程度有限，加上地方政府大多未制定污水熱能的廠外輸出利用規(guī)劃，污水的區(qū)域性供冷和供熱難以推動。3)現(xiàn)有的市政污水處理廠特別是老舊市政污水處理廠，難以承受低碳改造的建設(shè)成本和低碳運行的運營成本。
2.2 沼氣和污泥熱能利用的前景與現(xiàn)實問題
發(fā)達國家的沼氣熱能技術(shù)特別是污泥厭氧消化沼氣熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的研發(fā)起步較早，如奧地利Strass市政污水處理廠的污泥厭氧消化熱電聯(lián)產(chǎn)效率達40%左右，沼氣發(fā)電量約為2.3度/立方米，沼氣產(chǎn)量為5800立方米/天，沼氣的甲烷含量為62%，電能產(chǎn)生量為8490度/天，市政污水處理廠的能源自給率可達108%；芬蘭Viikinmaki市政污水處理廠污泥厭氧消化每年產(chǎn)生沼氣1340萬噸，產(chǎn)電量2.5341億度，為水廠提供64%的電力和100%的熱能，實現(xiàn)了熱能的自給自足。在污泥熱能利用方面，發(fā)達國家普遍采用干化焚燒工藝，有的也將污泥制作為燃料棒(熱值約為3000卡/克以上)，或與廚余垃圾、餐廚垃圾協(xié)同處理，實現(xiàn)熱能利用最大化。荷蘭和德國的污泥焚燒比例在2015年便超過40%，日本目前超過60%的污泥采用焚燒技術(shù)進行處置。
我國市政污水處理廠的沼氣利用技術(shù)，如“厭氧消化+沼氣利用”的污泥沼氣利用技術(shù)，目前已有較為成熟的應(yīng)用，如上海白龍港污水處理廠等項目厭氧消化能源自給率已達100%；北京排水集團位于北京的五座污泥處理中心沼氣熱電聯(lián)產(chǎn)設(shè)施未來預(yù)計可替代污水污泥處理全過程18%～20%的電能。在污泥熱能利用方面，目前我國已實現(xiàn)自持焚燒，部分項目甚至能利用余熱發(fā)電。
除自用外，多余電量可上網(wǎng)。按照污泥快速減量化的要求，污泥干化焚燒將成為主流的污泥處置路線，現(xiàn)已有一些地區(qū)要求優(yōu)先采用該技術(shù)路線。應(yīng)用新技術(shù)可全面提高我國市政污水處理廠的沼氣產(chǎn)量及沼氣向熱能的轉(zhuǎn)化效率，提高污泥的焚燒或者發(fā)電率，促進市政污水處理行業(yè)污水、污泥處理的能源自給，因此前景非常好。但目前我國市政污水處理廠沼氣和污泥的熱能利用遇到如下現(xiàn)實問題需要解決：1)市政污水處理廠進水的有機物濃度和污泥有機質(zhì)含量相對較低，污泥厭氧消化碳源不足，會在一定程度上影響熱電聯(lián)產(chǎn)的單位產(chǎn)電量。2)我國污泥的熱值總體相對較低，限制了污泥燃料棒的生產(chǎn)和應(yīng)用。3)污泥熱能利用成本相對較高，國家和地方目前尚未制定相應(yīng)的價格和收費支持機制。4)部分市政污水中混有含重金屬的工業(yè)廢水，污泥焚燒工藝一般會添加熔融工序，容易造成二次污染。5)目前污泥的跨行政區(qū)域運輸和處置監(jiān)管嚴格，開展區(qū)域集中的焚燒發(fā)電有難度。
2.3 企業(yè)運營節(jié)能的前景與現(xiàn)實問題
精細化智能管控系統(tǒng)的研發(fā)能降低能耗和藥耗，促進出水的安全穩(wěn)定達標(biāo)，因此應(yīng)用空間很大。宜興概念污水處理廠預(yù)計于2021年中期全部建成投運，其設(shè)計集水質(zhì)永續(xù)、能量自給、資源循環(huán)、環(huán)境友好于一體，采取污水精細化管控模式。在節(jié)能方面，可在目前耗能基礎(chǔ)上減少50%以上，實現(xiàn)能源自給；在資源循環(huán)方面，利用污泥與有機廢棄物結(jié)合發(fā)電、制沼氣，可實現(xiàn)污泥的無害化和資源化；在環(huán)境友好方面，出水、出料、出氣都達到對生態(tài)環(huán)境的無害要求。如結(jié)合實際應(yīng)用精細化智能管控系統(tǒng)，我國精細化智能管控的發(fā)展前景將十分廣闊。
新技術(shù)的研發(fā)對城市市政污水處理廠實現(xiàn)節(jié)能降耗、碳減排甚至能源自給與外供提供了支撐。我國在好氧顆粒污泥技術(shù)、同步硝化反硝化技術(shù)、生物脫氮技術(shù)、厭氧氨氧化技術(shù)等領(lǐng)域或環(huán)節(jié)目前已走在世界前沿，將來也會得到進一步的發(fā)展。
目前，我國市政污水處理行業(yè)在運營節(jié)能方面遇到一些現(xiàn)實問題需要解決。在精細化智能管控系統(tǒng)的建設(shè)方面：1)市政污水處理企業(yè)粗放式管理未得到改善，卻過分追求硬件投入。2)缺乏市政污水處理企業(yè)運營能耗管理的評價標(biāo)準，節(jié)能降耗成果的行業(yè)水平難以衡量。截至2019年年底，我國縣級及以上城市區(qū)域(不含建制鎮(zhèn))已建設(shè)市政污水處理廠4140座，年污水處理量達5 258 594萬立方米。因為工藝不一，各企業(yè)運營中每噸污水的電耗差距較大，總體介于0.12～0.69度，行業(yè)均值在0.35度左右，需建立相應(yīng)的能耗管理與評價標(biāo)準，促進全行業(yè)減少能耗。3)缺乏對市政污水處理行業(yè)低碳的達標(biāo)規(guī)劃和對于市政污水處理企業(yè)的考核機制。在新技術(shù)研發(fā)方面：1)低碳新工藝和新技術(shù)在工程應(yīng)用階段不可避免地會影響出水水質(zhì)的穩(wěn)定性，一些企業(yè)不愿意嘗試。2)目前仍有一些先進技術(shù)如從污水中回收利用不可再生資源磷，在我國未得到重視。2016年歐盟出臺的新版《化肥管理條例》把市政污水處理企業(yè)回收的鳥糞石等磷酸鹽產(chǎn)物納入化肥生產(chǎn)的原料，并針對此類磷肥制定了標(biāo)準規(guī)范，德國規(guī)定污水和污泥中磷的回收量要在2020年前達到磷礦石進口總量的50%，而我國的相關(guān)工作仍處于探索階段。
2.4 廠內(nèi)太陽能面板鋪設(shè)的前景與現(xiàn)實問題
發(fā)達國家的市政污水處理行業(yè)目前僅在部分項目上安裝應(yīng)用了太陽能光伏系統(tǒng)。美國Hill Canyon市政污水處理廠建設(shè)了500千瓦的熱電聯(lián)產(chǎn)機和584千瓦直流電(500千瓦交流電)的太陽能光伏系統(tǒng)，可為廠內(nèi)提供65%的電量；美國Moorpark再生水廠每天處理約8330噸污水，2012年該水廠光伏系統(tǒng)投入使用后每年產(chǎn)電230萬度，節(jié)省水廠80%的電網(wǎng)購電�？傮w來看，發(fā)達國家市政污水處理行業(yè)應(yīng)用太陽能光伏系統(tǒng)處于發(fā)展階段。
截至2019年年底，我國城鎮(zhèn)市政污水處理廠的電耗均值約為每噸0.35度，按此計算，我國城鎮(zhèn)市政污水處理廠全年耗電約為184億度。若按照光伏發(fā)電10%的能源替代率計算，每年可產(chǎn)生18.4億度電，因此我國低碳發(fā)展的效益巨大。目前我國太陽能面板與污水處理廠相結(jié)合的技術(shù)應(yīng)用仍然處于探索中，存在設(shè)計、安裝與運行標(biāo)準不健全；經(jīng)濟效益和低碳效益的核算不一致；各地相關(guān)財政補貼和溫室氣體減排績效獎勵等政策不統(tǒng)一等問題，需要盡快得到解決。此外，由于行業(yè)內(nèi)尚未建立完善的低碳標(biāo)準體系，一些企業(yè)在系統(tǒng)改造和低碳設(shè)備建設(shè)方面的動力明顯不足。
3 我國市政污水處理行業(yè)開展低碳發(fā)展轉(zhuǎn)型的建議
3.1 我國市政污水處理行業(yè)開展低碳發(fā)展轉(zhuǎn)型的總體建議
(1)摸清市政污水處理廠的底數(shù)和低碳發(fā)展?jié)摿�，制定低碳轉(zhuǎn)型目標(biāo)和階段性任務(wù)。首先，全面摸清全國城鎮(zhèn)市政污水處理企業(yè)污水能源利用、污泥熱能利用、企業(yè)運營節(jié)能、光伏發(fā)電的底數(shù)，核算各環(huán)節(jié)和全環(huán)節(jié)低碳發(fā)展的潛力。然后，在高質(zhì)量發(fā)展和2030年碳達峰、2060年碳中和的背景下，制定我國市政污水處理行業(yè)2030年低碳發(fā)展轉(zhuǎn)型的目標(biāo)，并針對該目標(biāo)，設(shè)立2023年、2025年、2027年、2030年四個階段的轉(zhuǎn)型目標(biāo)，針對每個階段規(guī)定節(jié)能、減排、降耗、發(fā)電、供熱、制冷方面的具體任務(wù)。
(2)健全市政污水處理行業(yè)與綠色、循環(huán)標(biāo)準體系相銜接的低碳發(fā)展標(biāo)準體系。目前，針對市政污水處理廠的考核指標(biāo)一般包括綠色與循環(huán)類標(biāo)準。綠色類標(biāo)準包括出水污染物排放標(biāo)準、污泥排放標(biāo)準和大氣污染物排放標(biāo)準，循環(huán)類標(biāo)準包括水資源的循環(huán)利用標(biāo)準等，鑒于目前的一些污水處理工藝符合綠色、循環(huán)標(biāo)準但未必低碳，建議國家發(fā)展改革委、住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部、生態(tài)環(huán)境部等有關(guān)部門針對市政污水處理行業(yè)統(tǒng)籌建立綠色、低碳、循環(huán)的標(biāo)準體系，使市政污水處理企業(yè)的運行在成本核算的前提下，既綠色、循環(huán)也低碳。
在低碳發(fā)展指標(biāo)方面，要設(shè)立污水能源利用、污泥熱能利用、企業(yè)運營節(jié)能、光伏發(fā)電、企業(yè)碳匯建設(shè)五類指標(biāo)。這意味著新的標(biāo)準體系發(fā)布后，市政污水處理行業(yè)須進行系統(tǒng)的工藝改造和技術(shù)升級。對于三類指標(biāo)都達標(biāo)的市政污水處理廠，在市政污水處理行業(yè)低碳發(fā)展轉(zhuǎn)型過渡期才能享受獎勵、補貼和優(yōu)惠。
(3)基于市政污水處理企業(yè)的減排貢獻、能源轉(zhuǎn)化效果建立污水處理價格調(diào)整及運營補貼機制。老舊市政污水處理廠進行全面的低碳轉(zhuǎn)型難度大，建設(shè)和運營成本高，建議國家發(fā)展改革委、財政部、住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部、生態(tài)環(huán)境部等有關(guān)部門針對新建市政污水處理廠和老舊市政污水處理廠出臺分類支持的獎勵補貼政策。已建市政污水處理企業(yè)的低碳轉(zhuǎn)型需進行工藝的改造、技術(shù)的革新和設(shè)備的升級，為了減少投資成本和運行成本，防范技術(shù)風(fēng)險，建議國家和地方抓住行業(yè)低碳改造的“牛鼻子”，制定污水處理收費、發(fā)電并網(wǎng)等方面的價格和收費支持政策，調(diào)動企業(yè)的積極性。
立足各地綠色、低碳、循環(huán)發(fā)展的目標(biāo)，對區(qū)域發(fā)展水平、行業(yè)高效發(fā)展、市政污水處理企業(yè)的成本與收益、政府補助限度、排污者的支付能力定期開展調(diào)研，評估市政污水處理企業(yè)對成本的壓力反應(yīng)，為市政污水處理行業(yè)科學(xué)調(diào)整污水處理價格和實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展提供支撐。市政污水處理企業(yè)在溫室氣體減排、能源轉(zhuǎn)化方面達到2023年、2025年、2027年、2030年的階段性轉(zhuǎn)型目標(biāo)的，建議在現(xiàn)有污水處理補貼的基礎(chǔ)上按照污水處理的種類、總量和實際效果予以進一步的補貼或者獎勵，并給予環(huán)境保護稅和企業(yè)增值稅方面的優(yōu)惠，增強企業(yè)低碳運行的可持續(xù)能力。對于老舊市政污水處理廠的低碳改造和低碳運行，可以給予更高標(biāo)準的補貼或者獎勵。
(4)允許市政污水處理行業(yè)靈活利用節(jié)能指標(biāo)、能源利用指標(biāo)、發(fā)電指標(biāo)和碳匯建設(shè)指標(biāo)，提升其經(jīng)濟效益。建議國家將城鎮(zhèn)和企業(yè)市政污水處理廠的溫室氣體減排納入?yún)^(qū)域碳達峰和碳中和的減排指標(biāo)體系，對于開展污水能源利用、污泥熱能利用、運營節(jié)能、光伏發(fā)電、碳匯建設(shè)的市政污水處理企業(yè)，分別折抵該企業(yè)的碳排放指標(biāo)、用熱指標(biāo)、用電指標(biāo)。對于對外供熱或者制冷以及發(fā)電上網(wǎng)的，可以獲得碳排放交易指標(biāo)并在本省級行政區(qū)域交易。
(5)設(shè)立市政污水處理行業(yè)低碳發(fā)展國家科技專項，通過試點示范樹立標(biāo)桿企業(yè)，全面推動新工藝和新技術(shù)的發(fā)展。建議科技部廣泛征求市政污水處理行業(yè)的意見，設(shè)立市政污水處理行業(yè)低碳發(fā)展國家科技專項，下設(shè)綜合研究課題和污水能源利用、污泥熱能利用、企業(yè)運營節(jié)能、光伏發(fā)電、碳匯建設(shè)等專題研究課題，建設(shè)關(guān)鍵技術(shù)示范工程，推動智能管控系統(tǒng)的應(yīng)用和升級，促進厭氧氨氧化、短程硝化反硝化、同步硝化反硝化等綠色、低碳新工藝和新材料的推廣利用，促進碳捕獲、磷回收等新技術(shù)的探索、開發(fā)和應(yīng)用，增強市政污水處理行業(yè)的可持續(xù)運營能力。
建議修改《水污染防治法》，規(guī)定企業(yè)在低碳發(fā)展改造和試運行期間，允許出水水質(zhì)出現(xiàn)合理的波動；建議明確市政污水處理企業(yè)的磷回收法律義務(wù)和回收比例，明確回收后的磷的資源化利用方式和目標(biāo)。
(6)建立市政污水處理行業(yè)綠色、低碳、循環(huán)發(fā)展的綜合考核機制。建議國家發(fā)展改革委、住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部、生態(tài)環(huán)境部等有關(guān)部門針對2023年、2025年、2027年、2030年的階段性轉(zhuǎn)型目標(biāo)，制定全國市政污水處理行業(yè)綠色、低碳、循環(huán)發(fā)展的轉(zhuǎn)型規(guī)劃和相應(yīng)的評估考核機制。將轉(zhuǎn)型情況納入對各級地方政府和有關(guān)部門的考核內(nèi)容，并納入生態(tài)環(huán)境保護督察事項，對于限期未完成轉(zhuǎn)型任務(wù)的行政區(qū)域，督促其整改并停止審批其新增建設(shè)項目的環(huán)境影響評價文件。
3.2 加強我國市政污水處理行業(yè)熱能利用的建議
在市政污水處理企業(yè)污水的熱能利用方面，對于需要開展區(qū)域供熱或制冷的區(qū)域，建議縣級以上城市的人民政府從區(qū)域能源利用統(tǒng)籌規(guī)劃的維度，統(tǒng)籌制定供熱與制冷規(guī)劃，在市政污水處理廠周邊3～5公里范圍內(nèi)劃定污水輸能區(qū)域，配套建設(shè)健全管網(wǎng)等設(shè)施，推動市政污水處理企業(yè)熱能與廠外供熱系統(tǒng)的聯(lián)動。建議國家發(fā)展改革委和國家稅務(wù)總局等有關(guān)部門制定有利于推廣污水輸能的價格和稅收機制，提升供熱和制冷企業(yè)對污水輸能的接受度，并減輕終端用戶取暖和制冷的經(jīng)濟負擔(dān)。
在市政污水處理企業(yè)沼氣和污泥的熱能利用方面，建議如下：
(1)重視廠網(wǎng)系統(tǒng)化治理并提高進水有機物的濃度。建議國家發(fā)展改革委、住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部、生態(tài)環(huán)境部等有關(guān)部門制定城市污水管網(wǎng)的污水收集率目標(biāo)考核文件，通過提升城市污水管網(wǎng)的污水收集率來提高市政污水處理廠進水的有機物濃度，這樣既可減少外部碳源帶來的化學(xué)藥劑消耗，也可解決污泥厭氧消化和熱電聯(lián)產(chǎn)過程中因碳源不足影響沼氣產(chǎn)生量和發(fā)電量的問題。對于城市市政污水處理廠進水碳源不足的，建議適當(dāng)引進易降解有機質(zhì)含量高的特定類型工業(yè)污水。不宜統(tǒng)一要求將污泥制成燃料棒。
(2)支持污泥與其他有機質(zhì)的協(xié)同處置，提高原料的有機質(zhì)含量。建議國家發(fā)展改革委、財政部、住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部、生態(tài)環(huán)境部等有關(guān)部門制定優(yōu)惠政策或者補貼機制，促進市政污水處理企業(yè)或者與市政污水處理廠簽訂污泥處置協(xié)議的污泥處理企業(yè)開展有機質(zhì)的協(xié)同處置。目前我國污泥的有機質(zhì)含量較低，介于30%～60%；餐廚垃圾有機質(zhì)含量較高，在80%左右；畜禽糞污中有機質(zhì)含量介于30%～75%，其中雞糞有機質(zhì)含量可達70.76%。多種有機質(zhì)協(xié)同處置可提高原料的有機質(zhì)含量，提高產(chǎn)氣量，提高經(jīng)濟效益。
(3)鼓勵生活污水和工業(yè)廢水分開收集處置，促進市政污泥焚燒的熱能利用。建議國家發(fā)展改革委、財政部、住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部、生態(tài)環(huán)境部等有關(guān)部門通過財政獎勵、稅收優(yōu)惠等方式引導(dǎo)各城市分開收集和處理生活污水和工業(yè)廢水，鼓勵集中處理工業(yè)廢水，防止市政污泥中出現(xiàn)工業(yè)重金屬，促進市政污泥的焚燒處置和熱能利用。
(4)促進污泥集中處置和收費機制的落地實施。在集中處置方面，對于開展跨區(qū)域運輸和集中焚燒處置污泥的，審批后簡化每次運輸?shù)谋O(jiān)管程序。在收費機制方面，國家目前雖已出臺相關(guān)文件規(guī)范污水處理費的征收和使用，強調(diào)將污泥的處置成本納入污水處理費用，并由污水排放者即居民承擔(dān)，但迄今為止，只有少數(shù)地方的污水處理費包含污泥處置費用，大部分地方的污泥無害化處置費用仍為政府財政補貼或者支付。建議國家發(fā)展改革委和財政部等有關(guān)部門按照《關(guān)于創(chuàng)新和完善促進綠色發(fā)展價格機制的意見》的要求，加大引導(dǎo)和檢查的力度，督促地方依照文件的規(guī)定，將污泥的處置成本全部納入污水處理價格之中。
3.3 提升我國市政污水處理行業(yè)運營節(jié)能效果的建議
(1)制定市政污水處理廠低碳運營的標(biāo)準規(guī)范和達標(biāo)促進措施。市政污水處理企業(yè)的低碳運行，主要是通過智能系統(tǒng)的優(yōu)化管控和新技術(shù)的采納，確保污水處理設(shè)施在高效、經(jīng)濟運行時，降低能耗、物耗和藥耗，減少碳排放。建議國家發(fā)展改革委、住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部、生態(tài)環(huán)境部等有關(guān)部門立足于能源的全面節(jié)約和二氧化碳的全面減排，以現(xiàn)有企業(yè)的污水運營標(biāo)準為基礎(chǔ)，在市政污水處理行業(yè)綠色、低碳、循環(huán)發(fā)展的綜合標(biāo)準體系框架內(nèi)，從物耗、藥耗標(biāo)準之外建立能耗方面的低碳運行標(biāo)準規(guī)范，推薦示范企業(yè)的精細化智能管控系統(tǒng)和污水處理、污泥處理、熱能利用、沼氣生產(chǎn)、沼氣發(fā)電等新技術(shù)，引導(dǎo)行業(yè)優(yōu)化污水處理工藝，創(chuàng)新污水處理技術(shù)，升級污水處理設(shè)備。對于落后的運行工藝和設(shè)備，要限期達標(biāo)；對于運行中節(jié)約能源和溫室氣體減排成效突出的示范項目，建議國家發(fā)展改革委、住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部、生態(tài)環(huán)境部等有關(guān)部門聯(lián)合制定以減排效果為導(dǎo)向的獎勵或者補貼政策，引導(dǎo)市政污水處理行業(yè)對運行節(jié)能和減排的重視。
(2)綜合平衡出水濃度和能耗的關(guān)系，合理確定出水的污染物排放標(biāo)準和污泥處置標(biāo)準。市政污水處理廠既要追求污染防治效益，也要追求節(jié)能和溫室氣體減排效益。市政污水處理廠的出水標(biāo)準與能源消耗呈正相關(guān)關(guān)系，確立合理的排放標(biāo)準將實現(xiàn)經(jīng)濟效益和環(huán)境效益的雙贏。
(3)開展工業(yè)廢水的可生化性指標(biāo)管理，控制難降解有機物進入市政污水系統(tǒng)。工業(yè)廢水的混入會干擾市政污水處理廠的穩(wěn)定運營，進水中如難降解有機物含量超標(biāo)，不僅會影響易降解有機物的發(fā)酵和沼氣的利用，還可能會導(dǎo)致出水不合格，建議嚴格工業(yè)廢水排入生活污水系統(tǒng)的條件和審批程序，在《污水排入城鎮(zhèn)下水道水質(zhì)標(biāo)準》(GB/T 31962—2015)中增加廢水可生化性指標(biāo)，控制難降解有機物進入市政污水系統(tǒng)。建議修改《水污染防治法》，針對市政污水規(guī)定難降解有機物的含量標(biāo)準，并明確排放者超標(biāo)的法律責(zé)任。
3.4 推廣我國市政污水處理行業(yè)太陽能面板鋪設(shè)發(fā)電的建議
建議住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部、生態(tài)環(huán)境部等有關(guān)部門出臺市政污水處理廠光伏發(fā)電設(shè)施設(shè)計、安裝與運行的標(biāo)準，建議國家發(fā)展改革委、財政部、住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部、生態(tài)環(huán)境部等有關(guān)部門制定溫室氣體減排績效評價和獎勵標(biāo)準，在確保安全生產(chǎn)的前提下，引導(dǎo)已建市政污水處理企業(yè)利用廠區(qū)地面剩余空間和辦公樓、停車棚、初沉池、曝氣池等建筑物或者構(gòu)筑物的上方空間，安裝光伏發(fā)電設(shè)備，實現(xiàn)清潔發(fā)電、削峰填谷。對于新建市政污水處理廠，需全面按照市政污水處理廠綠色、低碳、循環(huán)建設(shè)和運營的標(biāo)準體系，開展立體的太陽能光伏面板鋪設(shè)及相關(guān)的儲能設(shè)施與并網(wǎng)設(shè)施建設(shè)。
(感謝為本研究提供相關(guān)資料和數(shù)據(jù)的污水處理企業(yè))
原標(biāo)題：推進市政污水處理行業(yè)低碳轉(zhuǎn)型，助力碳達峰、碳中和
