我國城鎮(zhèn)污水處理行業(yè)碳減排路徑及潛力

全球變暖導(dǎo)致極端天氣事件頻發(fā)、生態(tài)系統(tǒng)退化，是人類當(dāng)今面臨的最大挑戰(zhàn)之一。在這樣的背景下，國際社會積極采取行動，應(yīng)對氣候變化。污水處理是重要的碳排放行業(yè)，亟需系統(tǒng)全面地開展碳減排工作。

污水處理碳排放包括間接排放和直接排放。污水處理是社會中較小的行業(yè)，但屬于能源密集型行業(yè)，美國、德國、日本等國家污水處理行業(yè)電耗占全社會總電耗的1％左右，高能耗導(dǎo)致大量間接碳排放。污水處理過程會產(chǎn)生并逸散大量CH4和N2O，是重要的直接碳排放源。據(jù)歐洲統(tǒng)計辦公室2014年歐洲統(tǒng)計報告，污水處理與固體廢棄物處理組成的廢物處理行業(yè)是第五大碳排放行業(yè)，占全社會總碳排放量的3．3％。美國EPA統(tǒng)計預(yù)測，全球污水行業(yè)2015年CH4和N2O逸散量分別為5．4億t 和0．9億t CO2當(dāng)量，預(yù)測2020年將分別達到5．65億t和0．94億t CO2當(dāng)量，2030年將分別超過6億t 和1億t CO2當(dāng)量，約占非CO2總排放量的4．5％。總體上，污水處理行業(yè)碳排放量占全社會總排放量的1％～2％。

1、我國城鎮(zhèn)污水處理行業(yè)的總體碳排放水平及趨勢

經(jīng)過“十一五”和“十二五”時期的高速建設(shè)，中國城鎮(zhèn)污水處理設(shè)施已經(jīng)形成規(guī)?；奶幚砟芰?。截至2015年底，全國設(shè)市城市和縣城建成并投入運行污水處理廠共3830座，日處理能力達1．62億m3，超過了美國1．25億m3（33240MGD）的處理能力。2015年全年實際處理污水511億m3。

基于各地區(qū)代表性污水處理廠典型工藝運行數(shù)據(jù)分析及實際監(jiān)測，按照IPCC方法學(xué)以及相關(guān)方法學(xué)研究，初步計算，2015年全國污水處理逸散CH4和N2O產(chǎn)生的直接碳排放量為2 512．2萬tCO2當(dāng)量，電耗產(chǎn)生的間接碳排放量為1 401．6萬t CO2當(dāng)量，絮凝劑消耗產(chǎn)生的間接碳排放量為70．9萬t CO2當(dāng)量。綜上，2015年中國污水處理行業(yè)碳排放量為3 984．7萬t CO2當(dāng)量，單位水量的碳排放當(dāng)量（碳排放強度）為0．78 kg／m3。

2015年，中國污水處理行業(yè)總電耗為140億kW˙h，僅占全社會總電耗的0．26％，遠低于西方國家1％的比例。主要原因有：污水收集系統(tǒng)不完善導(dǎo)致污水收集處理率較低、污水濃度也較低、處理標(biāo)準(zhǔn)總體不高以及污泥處理處置滯后等。隨著收集系統(tǒng)的完善、提標(biāo)改造的實施以及污泥處理處置率的提高，污水處理電耗將逐年升高?！笆濉逼陂g，污水處理電耗年平均增加 12．9％。隨著城鎮(zhèn)化率、污水處理率、污泥處理處置率不斷提高以及排放標(biāo)準(zhǔn)的提高，污水處理電耗還將進一步增加，應(yīng)及早采取措施提高行業(yè)能效，降低間接碳排放。

2、我國污水處理行業(yè)碳減排路徑

與能源、建筑、交通等行業(yè)相比，污水處理減排成本低，減碳效益大。發(fā)達國家意識到污水處理行業(yè)蘊含的高效減排潛力，將其列入碳減排重點領(lǐng)域，并探索出了一些可行的碳減排路徑。美國和日本強調(diào)通過高效機電裝備和高級控制對策節(jié)能降耗，同時加大污水污泥蘊含能源的開發(fā)回收力度。加拿大著力開發(fā)運營優(yōu)化技術(shù)，目前已形成較完善的污水處理運營優(yōu)化技術(shù)體系。歐洲重視低碳處理新工藝研發(fā)，在可持續(xù)污水處理工藝研究方面居于領(lǐng)先水平。西方國家的經(jīng)驗為尋找我國污水處理行業(yè)的碳減排路徑提供了很好的借鑒。

2．1提高污水處理綜合能效

美國在供水和污水處理行業(yè)提出三個層面的能效提高路徑：一是采用高效機電設(shè)備，新建設(shè)施直接采購高效設(shè)備，已有設(shè)施逐步更新成高效設(shè)備；二是加強負(fù)載管理，滿足工藝要求的前提下要使負(fù)載降至最低，同時，設(shè)備配置要與實際荷載相匹配，避免“大馬拉小車”；三是建立需求響應(yīng)機制，根據(jù)實際工況的需求及其變化，動態(tài)調(diào)整設(shè)備的運行狀態(tài)。

2．1．1采用高效機電設(shè)備

污水處理機電設(shè)備主要包括水力輸送、混合攪拌和鼓風(fēng)曝氣三大類。采用高效電機是這些設(shè)備具有較高機械效率的前提，目前污水行業(yè)的水力輸送和攪拌設(shè)備均已經(jīng)出現(xiàn)具備IE4能效水平的高效電機，采用高效電機通?？蓪崿F(xiàn)5％～10％的效率提高。

水力輸送設(shè)備的水力端設(shè)計是關(guān)鍵，水力端需具備無堵塞、持續(xù)高效的特點，無堵塞技術(shù)可避免通道容量減少降低效率或長期超負(fù)荷運行燒毀電機。持續(xù)高效可確保電機長期高效運行，先進的水力端設(shè)計可以實現(xiàn)水力輸送設(shè)備全生命周期節(jié)省7％～25％的能耗，而且介質(zhì)條件越惡劣，其節(jié)能效果相對會越明顯。

混合攪拌設(shè)備的水力端設(shè)計同樣關(guān)鍵，采用后掠式葉片設(shè)計可以提供額外的自清潔功能，使攪拌器具有良好的抗纏繞性能，從而避免攪拌效率降低甚至燒毀電機的風(fēng)險。

鼓風(fēng)曝氣包括鼓風(fēng)機和曝氣器兩部分。容積式鼓風(fēng)機雖然購置費用較低，但機械效率很低，應(yīng)盡量避免采用。單級高速離心式鼓風(fēng)機效率很高，且技術(shù)進步很快，采用空氣懸浮或磁懸浮等高速無齒技術(shù)，可使電機與風(fēng)機實現(xiàn)“零摩擦”驅(qū)動，實現(xiàn)超高速運行，顯著提高機械綜合效率及效益。不同材質(zhì)不同結(jié)構(gòu)形式的曝氣器氧傳質(zhì)性能差別很大，采用抗撕裂、抗老化、壽命長的新型高分子聚氨酯材料以及超微孔結(jié)構(gòu)設(shè)計的曝氣產(chǎn)品具有充氧性能高、運行穩(wěn)定和調(diào)節(jié)品質(zhì)好的特征。另外，混合曝氣、逆流曝氣、限制性曝氣、全布曝氣都是可以采用的高效曝氣形式。在進行曝氣器數(shù)量的選擇時應(yīng)綜合考慮水廠水質(zhì)水量波動情況和鼓風(fēng)機性能參數(shù)，使其在最優(yōu)單頭通氣量范圍內(nèi)工作，也可明顯提高充氧性能。

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