王凱軍：水務(wù)行業(yè)如何實(shí)現(xiàn)雙碳目標(biāo)？錨定新技術(shù)方得破解之道
時(shí)間：2022-08-24 09:18
來(lái)源：中國(guó)水網(wǎng)
作者：汪茵整理
在雙碳戰(zhàn)略提出后，如何實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)成為各行各業(yè)思考的重要議題之一，水務(wù)行業(yè)也不例外。在“2022（第二十屆）水業(yè)戰(zhàn)略論壇”上，清華大學(xué)環(huán)境學(xué)院教授、國(guó)家環(huán)境保護(hù)技術(shù)管理與評(píng)估工程技術(shù)中心主任王凱軍分享了我國(guó)污水處理行業(yè)碳中和發(fā)展技術(shù)展望。
在雙碳戰(zhàn)略提出后，如何實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)成為各行各業(yè)思考的重要議題之一，水務(wù)行業(yè)也不例外。在“2022（第二十屆）水業(yè)戰(zhàn)略論壇”上，清華大學(xué)環(huán)境學(xué)院教授、國(guó)家環(huán)境保護(hù)技術(shù)管理與評(píng)估工程技術(shù)中心主任王凱軍分享了我國(guó)污水處理行業(yè)碳中和發(fā)展技術(shù)展望。
王凱軍
2030年，水務(wù)行業(yè)能否實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰？
王凱軍表示，水務(wù)行業(yè)要想在2030年實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰目標(biāo)，要從行業(yè)政策、污水處理行業(yè)難題以及主要社會(huì)矛盾三個(gè)方面來(lái)分析。
首先來(lái)看行業(yè)政策。王凱軍表示，2021年是“十四五”開(kāi)局之年，目前，《關(guān)于加快推進(jìn)城鎮(zhèn)環(huán)境基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的指導(dǎo)意見(jiàn)》、《城鎮(zhèn)生活污水處理設(shè)施補(bǔ)短板強(qiáng)弱項(xiàng)實(shí)施方案》、《關(guān)于推進(jìn)污水資源化利用的指導(dǎo)意見(jiàn)》等關(guān)于“十四五”所有的政策幾乎都已亮相。可以看出在雙碳戰(zhàn)略背景下，水務(wù)行業(yè)缺乏與之配套的針對(duì)性政策。然而，縱觀我國(guó)污水處理行業(yè)發(fā)展歷史上，政策驅(qū)動(dòng)力十分重要，不同階段頂層政策的出臺(tái)為行業(yè)發(fā)展提供了切實(shí)動(dòng)力。
1、在污水處理行業(yè)的起步階段：早期政府貸款門(mén)檻較高，限制了行業(yè)發(fā)展速度。我國(guó)發(fā)行了第一次國(guó)債，刺激了產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。
2、污水處理初期的快速發(fā)展期：1998年亞洲金融危機(jī)爆發(fā)，我國(guó)主動(dòng)發(fā)行國(guó)債刺激，進(jìn)行宏觀經(jīng)濟(jì)調(diào)控，這一時(shí)期恰逢2002年《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》發(fā)布；
3、污水處理行業(yè)的高速發(fā)展期：“十一五”時(shí)期提出COD約束性指標(biāo)，“十二五”時(shí)期提出COD和氨氮約束性指標(biāo)，這些指標(biāo)被列入了政府考核目標(biāo)中，促進(jìn)了污水處理行業(yè)實(shí)質(zhì)性發(fā)展；
4、污水處理行業(yè)的繁榮階段：2015年提出“水十條”，2018年發(fā)布《城市黑臭水體治理攻堅(jiān)戰(zhàn)實(shí)施方案》。在這一時(shí)期，水務(wù)行業(yè)面臨雙重考核，重壓之下，水務(wù)行業(yè)爆發(fā)了巨大的發(fā)展?jié)摿Α?/span>
5、未來(lái)，污水處理行業(yè)將迎來(lái)穩(wěn)定發(fā)展階段，在這一階段污水處理率接近100%。
由此可見(jiàn)，要想實(shí)現(xiàn)真正的發(fā)展需要明確政策驅(qū)動(dòng)，但回顧補(bǔ)短板強(qiáng)弱項(xiàng)、污水資源化等政策，難以看到非常切實(shí)的驅(qū)動(dòng)力，這是行業(yè)必須認(rèn)清的現(xiàn)實(shí)。
分析完頂層政策，再來(lái)看我國(guó)水處理行業(yè)面臨的現(xiàn)實(shí)難題。以雨水溢流污染帶來(lái)的面源污染為例，其很大程度上影響了我國(guó)河流斷面水質(zhì)達(dá)標(biāo)率，我國(guó)河流斷面水質(zhì)在汛期達(dá)標(biāo)率明顯低于非汛期。以北京市通州北運(yùn)河為例，降雨導(dǎo)致的的面源污染影響較為嚴(yán)重，北運(yùn)河汛期達(dá)標(biāo)率明顯低于非汛期。
針對(duì)這一問(wèn)題，王凱軍表示，一方面，正在積極推進(jìn)與有關(guān)部門(mén)洽商制定城市面源污染物排放標(biāo)準(zhǔn)。另一方面， 2022年2月，生態(tài)環(huán)境部發(fā)布《關(guān)于開(kāi)展汛期污染強(qiáng)度分析推動(dòng)解決突出水環(huán)境問(wèn)題的通知》，王凱軍認(rèn)為《通知》中提出的“汛期強(qiáng)度考核排名”會(huì)對(duì)面源污染治理有比較大的推動(dòng)力。因?yàn)閺慕?jīng)驗(yàn)來(lái)看，除了政策要求外，以考核結(jié)果進(jìn)行排名這個(gè)方法在過(guò)去發(fā)揮了很大的作用。
2019年起，生態(tài)環(huán)境部通報(bào)全國(guó)地表水、環(huán)境空氣質(zhì)量，排名結(jié)果與區(qū)域領(lǐng)導(dǎo)職責(zé)掛鉤，排名靠后地區(qū)的相關(guān)責(zé)任人甚至被免職，可以說(shuō)“榜單差生效應(yīng)”極大地督促了地方政府的環(huán)境治理力度。因此，生態(tài)環(huán)境部發(fā)布了汛期污染強(qiáng)度排名榜單，以榜單為抓手，希望發(fā)揮排名的倒逼作用，客觀反映地方政府水污染防治工作成效和努力程度，并保障公眾環(huán)境知情權(quán)、參與權(quán)、監(jiān)督權(quán)，加快推進(jìn)水生態(tài)環(huán)境保護(hù)，落實(shí)地方水污染防治責(zé)任。
由此可見(jiàn)，我國(guó)水處理行業(yè)發(fā)展過(guò)程中，仍存在一些制度、法規(guī)等方面的不足。
現(xiàn)階段，我國(guó)社會(huì)主要矛盾已經(jīng)轉(zhuǎn)化為人民日益增長(zhǎng)的美好生活需要和不平衡不充分的發(fā)展之間的矛盾。人民日益增長(zhǎng)的美好生活需要中就包括了對(duì)美好環(huán)境的追求。
王凱軍舉例談到，2016年水務(wù)局對(duì)某河道冬泳標(biāo)語(yǔ)是“游泳請(qǐng)到正規(guī)場(chǎng)所”，2021年水務(wù)局標(biāo)語(yǔ)變成“科學(xué)文明游泳，共創(chuàng)和諧親水環(huán)境”，這也從側(cè)面說(shuō)明了水環(huán)境的改善和政府管理職能的進(jìn)步。今年，頤和園外的河道上也出現(xiàn)了游艇、舢板等設(shè)施，雖然水務(wù)局的態(tài)度是不違法但不提倡，但這樣的情況越來(lái)越多，很多人在下游河段戲水。
這一變化正符合生態(tài)環(huán)境部水司司長(zhǎng)張波提出“有河有水、有水有魚(yú)、人水和諧”。其中，“人水和諧”是強(qiáng)調(diào)水生態(tài)，思考水與社會(huì)的關(guān)系，反映了現(xiàn)階段的人民群眾的主要追求。
理想很美好，但現(xiàn)實(shí)問(wèn)題仍要面對(duì)。截至目前，我國(guó)在污水處理領(lǐng)域的投資缺口仍然較大，水業(yè)的發(fā)展剛剛處于起步期。
綜合上述情況，王凱軍判斷，中國(guó)水務(wù)行業(yè)要在2030年實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰，仍存在一定困難。
水務(wù)行業(yè)如何實(shí)現(xiàn) “碳中和”？
今年初，國(guó)內(nèi)成功舉辦冬奧會(huì)，并對(duì)外稱這是第一次“零碳冬奧”。王凱軍分析，雖然冬奧會(huì)在場(chǎng)館方面為實(shí)現(xiàn)零碳付出了各種努力，但實(shí)際上，在冬奧會(huì)場(chǎng)館中真正做到綠色低碳東西是非常有限的，場(chǎng)館本身采用的可以實(shí)現(xiàn)零碳的技術(shù)和手段其實(shí)很少，主要還是通過(guò)外界技術(shù)手段達(dá)到零碳目的。
丁仲禮院士提出，要實(shí)現(xiàn)碳中和，要經(jīng)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(nèi)；第二步“減碳”，到2040年，爭(zhēng)取排放總量控制在85億噸之內(nèi)�；就瓿山煌ê徒ㄖI(lǐng)域低碳化改造，工業(yè)領(lǐng)域全面推廣用煤/石油/天然氣＋氫＋電取代煤炭的工藝過(guò)程，推廣無(wú)碳新工藝；第三步“低碳”，到2050年，碳排放控制在60億噸。建筑和交通領(lǐng)域達(dá)到近無(wú)碳化，工業(yè)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�；痣娍刂圃�10億噸，除交通和建筑領(lǐng)域外，工業(yè)領(lǐng)域也全面實(shí)現(xiàn)低碳化。
要完成這四個(gè)階段的目標(biāo)，水務(wù)行業(yè)具體該如何做呢？
王凱軍介紹，當(dāng)前在水務(wù)行業(yè)中，有兩個(gè)助力實(shí)現(xiàn)低碳目標(biāo)的主流觀點(diǎn)：一，污水處理行業(yè)采用綠色電力，可直接“躺平”；二，與其他行業(yè)一樣，考慮工業(yè)綠色轉(zhuǎn)型，解決攻克轉(zhuǎn)型中的關(guān)鍵技術(shù)，并考慮清潔能源替代、資源循環(huán)利用等因素。第二種途徑需要行業(yè)為此做更多工作，付出更多努力。
王凱軍表示，他個(gè)人不太贊成“奧運(yùn)場(chǎng)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(guó)家角度來(lái)說(shuō)，雙碳戰(zhàn)略是重大決策，還被納入了生態(tài)文明建設(shè)的整體框架，在這一框架下，雙碳戰(zhàn)略被賦予了更深刻的內(nèi)涵。他認(rèn)為在雙碳戰(zhàn)略下，以什么途徑實(shí)現(xiàn)碳中和是關(guān)鍵性的問(wèn)題。在這一過(guò)程中，企業(yè)要主動(dòng)面對(duì)經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型升級(jí)的迫切需求而轉(zhuǎn)型，要順應(yīng)技術(shù)進(jìn)步趨勢(shì)，推動(dòng)技術(shù)能效提升。還要樹(shù)立企業(yè)低碳、可持續(xù)發(fā)展的形象，迎接新的市場(chǎng)機(jī)遇，升級(jí)企業(yè)盈利模式，將碳交易變現(xiàn)為碳資產(chǎn)。
污水處理碳中和技術(shù)發(fā)展方向
王凱軍介紹，水務(wù)行業(yè)有兩大與雙碳戰(zhàn)略相關(guān)的熱門(mén)技術(shù)。一個(gè)是厭氧氨氧化技術(shù)，Marc Strous在《Science》發(fā)文稱，污水處理廠如果使用主流厭氧氨氧化技術(shù)，可產(chǎn)生44.4%的能量，實(shí)現(xiàn)能源自給，就完全可以成為 “碳中和”污水廠；另一大技術(shù)是好氧顆粒污泥工藝，可以減少70%的占地和30%的能耗。
這兩大技術(shù)都是污水處理領(lǐng)域中起到革命性作用的工藝，但是否能引領(lǐng)21世紀(jì)污水處理行業(yè)的發(fā)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(fā)明之后，DEMON ® hydro-cyclones、Paques ANAMMOX ® process、ANITA™Mox/AnoxKaldnes™ MBBR等工藝都開(kāi)始大規(guī)模中試或生產(chǎn)性的試驗(yàn)，但在這個(gè)過(guò)程中，產(chǎn)生了一些問(wèn)題。
目前最有希望的DEMON ® hydro-cyclones工藝無(wú)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地下污水處理廠改造項(xiàng)目，該項(xiàng)目A段出水采用厭氧氨氧化顆粒污泥，在運(yùn)行過(guò)程中，隨著時(shí)間，懸浮物和COD波動(dòng)，厭氧氨氧化顆粒污泥出現(xiàn)了解體現(xiàn)象。王凱軍團(tuán)隊(duì)曾兩次邀請(qǐng)?jiān)搹S管理者來(lái)中國(guó)一起進(jìn)行中試，但也遇到了類似問(wèn)題，這是在現(xiàn)有技術(shù)框架下不太容易解決的問(wèn)題。
在雙泥齡主流高效復(fù)合脫氮技術(shù)問(wèn)世后，王凱軍等也在國(guó)家項(xiàng)目下進(jìn)行了中試，取得了比較好的效果，并且在首創(chuàng)環(huán)保集團(tuán)2萬(wàn)噸/d的污水處理廠和雄安容東片區(qū)4萬(wàn)噸/d的再生水廠都采用了雙泥齡主流高效復(fù)合脫氮技術(shù)。但在運(yùn)營(yíng)過(guò)程中，出現(xiàn)了兩個(gè)問(wèn)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(jié)約的能源，二是外回流（100%）和內(nèi)回流（200%）稀釋造成的低濃度，增加了厭氧氨氧化對(duì)亞硝化的控制難度。這一技術(shù)工藝仍然具有優(yōu)勢(shì)，但如果無(wú)法節(jié)能，就不符合“雙碳戰(zhàn)略”的大背景，產(chǎn)生一系列問(wèn)題。
好氧顆粒污泥工藝
好氧顆粒污泥工藝具有許多優(yōu)勢(shì)，最突出的優(yōu)勢(shì)是可節(jié)約70%的占地面積，因?yàn)橥恋刭Y源具有不可再生屬性，是可持續(xù)發(fā)展中的重要內(nèi)容；好氧顆粒污泥工藝的反應(yīng)器形式是序批式，不需要回流，可高效節(jié)能30%以上；此外，好氧顆粒污泥工藝出水水質(zhì)良好，其出水TN可低于4mg/L，TP僅為0.3 mg/L，是非常有希望的工藝。
北控工業(yè)環(huán)保龍游項(xiàng)目三期采用好氧顆粒污泥技術(shù)，占地面積僅為一期、二期的三分之一左右
雖然有以上優(yōu)勢(shì)，但好氧顆粒污泥工藝仍存在一定的局限性，好氧顆粒污泥工藝只是有限的節(jié)能，與碳中和目標(biāo)仍存在加大差距，因此，（連續(xù)流）好氧顆粒污泥在碳減排上的優(yōu)勢(shì)有限。
分析以上兩大工藝的優(yōu)缺點(diǎn)之后，王凱軍總結(jié)，厭氧氨氧化工藝和好氧顆粒污泥工藝這兩個(gè)20世紀(jì)以來(lái)重大的技術(shù)進(jìn)步在實(shí)現(xiàn)碳中和的道路上能提供的支撐較為有限。
實(shí)現(xiàn)碳中和需錨定新技術(shù)工藝
王凱軍認(rèn)為，污水處理行業(yè)在碳中和目標(biāo)下的技術(shù)發(fā)展方向需考慮以下四點(diǎn)：
1、資源化：行業(yè)需要重視資源的循環(huán)利用，特別是N、P等營(yíng)養(yǎng)物的回收。目前所有污水處理工藝都沒(méi)有對(duì)N進(jìn)行回收，N和P的回收與可持續(xù)發(fā)展相關(guān)，必然是下一步的重點(diǎn)。
2、碳中和：要降低能耗和物耗，實(shí)現(xiàn)減污降碳。將雙碳目標(biāo)納入生態(tài)文明框架進(jìn)行考量，就應(yīng)當(dāng)重視這一點(diǎn)。
3、智慧化：污水處理技術(shù)要增強(qiáng)在信息化管理、自動(dòng)化控制、數(shù)字化模擬、智能化系統(tǒng)等方面的實(shí)力。
4、生態(tài)文明：做到和諧共生、良性循環(huán)，全面發(fā)展、持續(xù)繁榮。
然而就雙碳目標(biāo)而言，當(dāng)前的工藝技術(shù)都難以真正實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)。
為破解碳中和難題，比利時(shí)根特大學(xué)的Willy很早就提出資源全回收的“零排放”方向，他的上游濃縮概念提出了多種物化濃縮技術(shù)，如氣浮、動(dòng)態(tài)快速砂濾、膜技術(shù)、生物吸附(A-B工藝)等，假設(shè)在污水進(jìn)廠時(shí)將其濃縮起來(lái)，改變污水處理的方向，與一些工藝相結(jié)合形成再生水；濃縮液經(jīng)過(guò)厭氧消化形成沼氣等能源，產(chǎn)生的二氧化碳可以利用于農(nóng)場(chǎng)；富氮的污水、污泥碳化形成生物碳，產(chǎn)生物質(zhì)資源。
王凱軍分析，這一思路確實(shí)為碳中和目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)提供了新的途徑，并會(huì)讓污水處理工藝格局發(fā)生顛覆：1、假設(shè)污水廠進(jìn)水濃縮率能＞90%，就徹底改變了能量流和物質(zhì)流方向，將改變污水處理工藝格局；2、改變能量流和物質(zhì)流的方向后，出水只剩下非常少量的氨、氮，COD被去除了，不再是問(wèn)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(shù)；3、厭氧產(chǎn)能超過(guò)需求。針對(duì)產(chǎn)生的濃縮液，要大力開(kāi)發(fā)回收碳源、資源的技術(shù)；
從定量角度來(lái)說(shuō)，膜濃縮工藝可去除90%的COD，并且比傳統(tǒng)活性污泥工藝回收的能源高出3倍左右，做到能源自給，實(shí)現(xiàn)碳中和。
沿著膜濃縮工藝這一路徑，可以將污水廠變?yōu)樗垂S、能源工廠、肥料工廠。
王凱軍在發(fā)言最后總結(jié)道，沿著過(guò)去的技術(shù)路線很難實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)，要瞄準(zhǔn)新的技術(shù)路徑方有機(jī)會(huì)實(shí)現(xiàn)碳中和。另外，在技術(shù)路徑的探索過(guò)程中切忌“躺平”，否則將被他人超越，面臨淘汰！
