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污水處理行業的“碳中和”艱巨任務與華麗轉身
更新時間:2020-12-15 來源:中國給水排水 作者:郝曉地

  “碳中和”相關背景和最新進展

  2020年12月12日,國家主席習近平在紀念《巴黎協定》簽訂5周年的氣候雄心峰會上發表“繼往開來,開啟全球應對氣候變化新征程”的重要講話,承諾到2030年,中國單位國內生產總值二氧化碳排放將比2005年下降65%以上,努力爭取2060年前實現“碳中和”。這是中國致力于自身生態文明建設的戰略舉措,也是中國愿為人類社會發展做出新貢獻的重大宣示。但是,面臨日益復雜的國際形勢,中國如何規劃完善低碳發展路徑,通過何種手段實現“碳中和”,是一項非常緊迫和充滿挑戰的任務。

  有關氣候變化的《巴黎協定》的長期目標是將全球平均氣溫較前工業化時期上升幅度控制在2℃以內,并努力將溫度上升幅度限制在1.5℃以內,該協定由178個國家共同于2016年4月22日簽署,同年11月4日生效。協定簽訂后,締約國均已制定了各自的碳中和時間表,其中,歐盟一致目標為2050年;其它大多數國家(包括周邊的韓國、日本)亦基本按2050年制定達標時間表;也有少數國家根據自身發展情況又制定出更早的完成時間目標(表1)。

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  《科學美國人》聯合世界經濟論壇,評選出了2020年全球十大新興技術,其中4項與“碳中和”有關。它們分別是:

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 ?、诮o飛機換上電動推進器;

 ?、坌录夹g使水泥更低碳;

 ?、茈娊獾木G色氫能。

  污水處理行業的“碳中和”

  污水處理行業對全球溫室氣體的總貢獻率雖然僅占2%~5%,但亦不可小覷,同樣也面臨著碳減排甚至碳中和的壓力。污水處理實現碳中和途徑無外乎也是直接利用清潔能源或間接通過特殊手段補償碳排放。清潔能源包括太陽能、風能、潮汐能等,但清潔能源受地理位置、場地、光照等限制不適用于大多數污水處理廠;例如,太陽能光伏發電板即使鋪滿整個污水處理廠最多也就能彌補不到10%的污水處理能耗。間接手段如植樹造林(吸收CO2)也不是一般意義上的污水處理廠分內之事。

  因此,污水處理碳減排只能從營養物去除過程或污水潛能入手,通過減少能耗、藥耗使用或挖掘污水蘊含能量來實現。能耗、藥耗節省固然對節能減排有著積極的意義,但距離碳中和目標還相差甚遠。

  就污水中蘊含的潛能而言,傳統上剩余污泥厭氧消化被寄予希望,它不僅可獲得有機能量(CH4)亦可以實現污泥減量。然而,有機能量與進水中有機物(COD)含量多寡有關,再加上剩余污泥中細胞結構、木質纖維素以及腐殖質等成分影響,污泥中溫厭氧消化的能源轉化率一般很難超過50%[2-5](表2)。能量平衡計算表明,進水COD為400mg/L的市政污水在完成脫氮除磷目的后,產生的剩余污泥經中溫厭氧消化產CH4后熱電聯產(CHP),僅有13%的理論化學能可實現回收(表2),約合0.20kW·h/m3(污水)電當量[2,6]。如果污水處理能耗為0.40kW·h/m3(污水),這意味著進水COD理論上至少需要800mg/L方能滿足碳中和目標。盡管國外存在將廠外有機固體廢物(如,廚余垃圾)與污泥共消化實現污水處理廠碳中和的例子,但這種借助外部有機物轉化能源的方式并非真正意義上的污水處理自身碳中和。因此,污水處理碳中和需要尋找有機能源之外的其它潛能,特別是對中國市政污水COD濃度普遍低下(100~300mg/L)情況。

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  事實上,污水中亦蘊含著巨大的余溫熱能,完全可以藉水源熱泵技術將其中的熱或冷交換出來。污水熱能計算表明,如果提取4℃溫差,實際可產生1.77kW·h/m3(熱)電當量和1.18kW·h/m3(冷)電當量[6]。顯然,污水余溫熱能較有機能而言潛能是巨大的。換言之,若將有機能與熱能看作為污水潛能總和,兩者占比分別為10%和90%。熱能不僅能完全滿足污水處理自身碳中和需要,而且多余熱能還可用于污泥低溫干化或場外供熱、輸冷,完全可以通過日趨成熟的碳交易市場換取可觀且能夠變現的碳交易額。

  總之,碳中和成為國際共識,各行各業很快將不得不面臨這一艱巨任務。但是,就污水處理而言,實現碳中和并非難事,也不存在技術上的阻礙(具體參見《污水處理碳中和運行技術》一書,作者:郝曉地)。只要更新理念,污水處理廠便可輕而易舉華麗轉身,變成真正意義上的“能源工廠”。


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