王凱軍:水務(wù)行業(yè)如何實現(xiàn)雙碳目標(biāo)?錨定新技術(shù)方得破解之道
時間:2022-08-24
來源:中國水網(wǎng)
作者:汪茵整理
在雙碳戰(zhàn)略提出后,如何實現(xiàn)碳達峰、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、國家環(huán)境保護技術(shù)管理與評估工程技術(shù)中心主任王凱軍分享了我國污水處理行業(yè)碳中和發(fā)展技術(shù)展望。
在雙碳戰(zhàn)略提出后,如何實現(xiàn)碳達峰、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、國家環(huán)境保護技術(shù)管理與評估工程技術(shù)中心主任王凱軍分享了我國污水處理行業(yè)碳中和發(fā)展技術(shù)展望。
王凱軍
2030年,水務(wù)行業(yè)能否實現(xiàn)碳達峰?
王凱軍表示,水務(wù)行業(yè)要想在2030年實現(xiàn)碳達峰目標(biāo),要從行業(yè)政策、污水處理行業(yè)難題以及主要社會矛盾三個方面來分析。
首先來看行業(yè)政策。王凱軍表示,2021年是“十四五”開局之年,目前,《關(guān)于加快推進城鎮(zhèn)環(huán)境基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的指導(dǎo)意見》、《城鎮(zhèn)生活污水處理設(shè)施補短板強弱項實施方案》、《關(guān)于推進污水資源化利用的指導(dǎo)意見》等關(guān)于“十四五”所有的政策幾乎都已亮相?梢钥闯鲈陔p碳戰(zhàn)略背景下,水務(wù)行業(yè)缺乏與之配套的針對性政策。然而,縱觀我國污水處理行業(yè)發(fā)展歷史上,政策驅(qū)動力十分重要,不同階段頂層政策的出臺為行業(yè)發(fā)展提供了切實動力。
1、在污水處理行業(yè)的起步階段:早期政府貸款門檻較高,限制了行業(yè)發(fā)展速度。我國發(fā)行了第一次國債,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年亞洲金融危機爆發(fā),我國主動發(fā)行國債刺激,進行宏觀經(jīng)濟調(diào)控,這一時期恰逢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”時期提出COD約束性指標(biāo),“十二五”時期提出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,促進了污水處理行業(yè)實質(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戰(zhàn)實施方案》。在這一時期,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,污水處理行業(yè)將迎來穩(wěn)定發(fā)展階段,在這一階段污水處理率接近100%。
由此可見,要想實現(xiàn)真正的發(fā)展需要明確政策驅(qū)動,但回顧補短板強弱項、污水資源化等政策,難以看到非常切實的驅(qū)動力,這是行業(yè)必須認(rèn)清的現(xiàn)實。
分析完頂層政策,再來看我國水處理行業(yè)面臨的現(xiàn)實難題。以雨水溢流污染帶來的面源污染為例,其很大程度上影響了我國河流斷面水質(zhì)達標(biāo)率,我國河流斷面水質(zhì)在汛期達標(biāo)率明顯低于非汛期。以北京市通州北運河為例,降雨導(dǎo)致的的面源污染影響較為嚴(yán)重,北運河汛期達標(biāo)率明顯低于非汛期。
針對這一問題,王凱軍表示,一方面,正在積極推進與有關(guān)部門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)于開展汛期污染強度分析推動解決突出水環(huán)境問題的通知》,王凱軍認(rèn)為《通知》中提出的“汛期強度考核排名”會對面源污染治理有比較大的推動力。因為從經(jīng)驗來看,除了政策要求外,以考核結(jié)果進行排名這個方法在過去發(fā)揮了很大的作用。
2019年起,生態(tài)環(huán)境部通報全國地表水、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“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),加快推進水生態(tài)環(huán)境保護,落實地方水污染防治責(zé)任。
由此可見,我國水處理行業(yè)發(fā)展過程中,仍存在一些制度、法規(guī)等方面的不足。
現(xiàn)階段,我國社會主要矛盾已經(jīng)轉(zhuǎn)化為人民日益增長的美好生活需要和不平衡不充分的發(fā)展之間的矛盾。人民日益增長的美好生活需要中就包括了對美好環(huán)境的追求。
王凱軍舉例談到,2016年水務(wù)局對某河道冬泳標(biāo)語是“游泳請到正規(guī)場所”,2021年水務(wù)局標(biāo)語變成“科學(xué)文明游泳,共創(chuàng)和諧親水環(huán)境”,這也從側(cè)面說明了水環(huán)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(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(diào)水生態(tài),思考水與社會的關(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)實問題仍要面對。截至目前,我國在污水處理領(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,中國水務(wù)行業(yè)要在2030年實現(xiàn)碳達峰,仍存在一定困難。
水務(wù)行業(yè)如何實現(xiàn) “碳中和”?
今年初,國內(nèi)成功舉辦冬奧會,并對外稱這是第一次“零碳冬奧”。王凱軍分析,雖然冬奧會在場館方面為實現(xiàn)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(xiàn)零碳的技術(shù)和手段其實很少,主要還是通過外界技術(shù)手段達到零碳目的。
丁仲禮院士提出,要實現(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,爭取排放總量控制在85億噸之內(nèi)。基本完成交通和建筑領(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。建筑和交通領(lǐng)域達到近無碳化,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)域也全面實現(xiàn)低碳化。
要完成這四個階段的目標(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,有兩個助力實現(xiàn)低碳目標(biāo)的主流觀點: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(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,以什么途徑實現(xiàn)碳中和是關(guān)鍵性的問題。在這一過程中,企業(yè)要主動面對經(jīng)濟結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型升級的迫切需求而轉(zhuǎn)型,要順應(yīng)技術(shù)進步趨勢,推動技術(shù)能效提升。還要樹立企業(yè)低碳、可持續(xù)發(fā)展的形象,迎接新的市場機遇,升級企業(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)的熱門技術(shù)。一個是厭氧氨氧化技術(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等工藝都開始大規(guī)模中試或生產(chǎn)性的試驗,但在這個過程中,產(chǎn)生了一些問題。
目前最有希望的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地下污水處理廠改造項目,該項目A段出水采用厭氧氨氧化顆粒污泥,在運行過程中,隨著時間,懸浮物和COD波動,厭氧氨氧化顆粒污泥出現(xiàn)了解體現(xiàn)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(xiàn)有技術(shù)框架下不太容易解決的問題。
在雙泥齡主流高效復(fù)合脫氮技術(shù)問世后,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,并且在首創(chuàng)環(huán)保集團2萬噸/d的污水處理廠和雄安容東片區(qū)4萬噸/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)。但在運營過程中,出現(xiàn)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(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亞硝化的控制難度。這一技術(shù)工藝仍然具有優(yōu)勢,但如果無法節(jié)能,就不符合“雙碳戰(zhàn)略”的大背景,產(chǎn)生一系列問題。
好氧顆粒污泥工藝
好氧顆粒污泥工藝具有許多優(yōu)勢,最突出的優(yōu)勢是可節(jié)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(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,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)勢有限。
分析以上兩大工藝的優(yōu)缺點之后,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20世紀(jì)以來重大的技術(shù)進步在實現(xiàn)碳中和的道路上能提供的支撐較為有限。
實現(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:
1、資源化:行業(yè)需要重視資源的循環(huán)利用,特別是N、P等營養(yǎng)物的回收。目前所有污水處理工藝都沒有對N進行回收,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。
2、碳中和:要降低能耗和物耗,實現(xiàn)減污降碳。將雙碳目標(biāo)納入生態(tài)文明框架進行考量,就應(yīng)當(dāng)重視這一點。
3、智慧化:污水處理技術(shù)要增強在信息化管理、自動化控制、數(shù)字化模擬、智能化系統(tǒng)等方面的實力。
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)都難以真正實現(xiàn)碳中和目標(biāo)。
為破解碳中和難題,比利時根特大學(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)在污水進廠時將其濃縮起來,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;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,這一思路確實為碳中和目標(biāo)的實現(xiàn)提供了新的途徑,并會讓污水處理工藝格局發(fā)生顛覆:1、假設(shè)污水廠進水濃縮率能>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)能超過需求。針對產(chǎn)生的濃縮液,要大力開發(fā)回收碳源、資源的技術(shù);
從定量角度來說,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,沿著過去的技術(shù)路線很難實現(xiàn)碳中和目標(biāo),要瞄準(zhǔn)新的技術(shù)路徑方有機會實現(xiàn)碳中和。另外,在技術(shù)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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