排水與污水處理行業應找準碳減排著力點
中國人民大學環境學院教授、博士生導師 王洪臣
“經濟+環保+低碳”是新價值體系三大標尺。以前我們衡量價值的標尺是經濟因素，之后是環保，習總書記提出“綠水青山就是金山銀山”將經濟和環保進行了完美統一，而“雙碳”目標的提出，讓我們有了第三把標尺。在“雙碳”戰略指導下，環保行業作為其中重要的力量主體，也在積極地探索新的發展思路及應對策略。
近日，2021（第十三屆）上海水業熱點論壇上，中國人民大學環境學院教授、博士生導師，中國人民大學低碳水環境技術研究中心主任王洪臣分析提出了城鎮排水與污水處理行業響應國家“碳達峰、碳中和”戰略的三大碳減排著力點：對是否應取消化糞池明確態度、對氧化亞氮的控制加大研究力度、對節能降耗重要性的認識提升高度。
王洪臣認為，排水與污水處理行業要慎提“碳中和”，當前首要的是明確在國家“碳達峰、碳中和”戰略大背景下碳減排工作的著力點，要謀定而后動。
他說，“碳達峰、碳中和”是全社會尺度上的戰略目標，能源生產與利用是主戰場。排水與污水處理是服務于社會發展的一個基礎行業，何時達峰取決于社會總體發展狀況以及水污染控制目標，沒有碳達峰何來碳中和？所謂碳中和，是碳排放和碳吸收相互抵消，沒有吸收只有排放的行業談何中和？即使碳中和，也要看核算邊界，沒有必要為了本行業碳中和把核算邊界外溢到其他行業。
另一方面，“碳達峰、碳中和”既然是全社會的目標，那就是全社會人人有責，每個行業更應該作出貢獻。綜合利用污水處理場地空間光伏發電、利用出水排放落差水力發電、利用污水中的低位能源制熱制冷、利用發酵污泥做有機肥減少化肥用量，凡此種種，都是應予鼓勵的減排措施，都是對全社會“碳達峰、碳中和”的貢獻，但這些措施均屬因地制宜之策，效益各不相同，不應是全行業的減碳著力點，不能因為這樣一些短期見效項目而忽視了長期持續減排的努力。那么，排水與污水處理行業減排的著力點是什么？
接下來，王洪臣首先梳理了全球碳態勢，之后，他通過梳理排水與污水處理行業碳排放狀況，分析提出了三大碳減排著力點。
排水與污水處理是重要的碳排放行業。2019年，全球碳排放量接近600億噸，CO2、CH4、N2O三大溫室氣體占到碳排放總量的97.9%，分別占比為74.4%、17.3%和6.2%。這些氣體的排放主要涉及四個大行業門類：能源利用（燒煤、燃油、發電等）、農林畜牧、工業生產、廢物處置，分別占比為73.2%、18.4%、5.2%、3.2%。占比3.2%的廢物處置包括垃圾處理、工業廢水處理和生活污水處理，生活污水處理也就是排水與污水處理。CO2主要來自于能源利用，CH4、N2O則來自于其余三大門類的直接排放，排水與污水處理行業也是重要的排放源。排水與污水處理中的厭氧過程會產生CH4，氮素轉化過程會產生N2O，除了這些原位直接排放，污水收集和處理過程的能耗和物耗對應的異位間接排放也屬于排水與污水處理的碳排放。污水處理過程中有機物分解產生的CO2屬于生源碳，原則上不納入碳核算。當然，也有研究認為，污水中也包括一部分源于化石的合成有機物，這部分有機物分解應納入，但實際檢測存在困難。
綜合各方面數據，污水處理全覆蓋的國家，排水與污水處理行業碳排放約占全社會總碳排放量的1%左右。排水與污水處理行業碳排放量雖然占比小，但依靠改變技術路線、改變運行模式，輔以適當的低碳改造，即可減少碳排放，相比其他行業，減碳效益更大。
另外，污水處理主要是有機物好氧分解，未經處理的污水直排導致黑臭，則是個厭氧過程，會產生更多的碳排放。目前，全球污水處理率僅為20%，還有80%的污水在直排水體。我國統計出的污水處理率雖然較高，但污水集中收集率普遍較低，許多城市不足50%，城市和農村存在大量黑臭水體。因此，應該認識到，污水處理本身就是個碳減排過程，是個既減污又降碳的過程，沿著低碳技術路線加快設施建設，提高污水集中收集處理率，實現低碳污水處理，是行業對“碳達峰、碳中和”戰略的最大貢獻。
對比歐美排水與污水處理原位直接碳排放的變化，歐洲自1990年以來持續下降，而美國CH4只是略有下降，N2O反而略有上升。歐洲減少厭氧過程、加強沼氣收集、提高脫氮水平是持續下降的原因。美國加強沼氣收集對降低CH4排放起到了一定作用，但分散污水系統存在2000多萬個化糞池是巨大CH4排放源，CH4排放量難以明顯下降。除了切薩皮克灣和墨西哥灣等敏感流域，美國許多城市污水脫氮水平并不高，例如，洛杉磯處理日能力為170萬立方米的Hyperion特大型污水處理廠就沒有脫氮設施。脫氮水平沒提高，污水氮負荷在增大，這是N2O排放量增加的原因。進一步比較全社會碳排放，可發現，歐洲CO2、CH4、N2O三大溫室氣體都在持續降低，CH4、N2O降低更快，過去的30年，歐盟的碳減排量達到20億噸。美國只是CO2排放量降低，也就是能源領域開展了減排，CH4、N2O排放量基本沒有變化，總碳排放量下降緩慢。歐洲經驗表明，CO2、CH4、N2O三大氣體同步降低排放，也就是能源和非能源領域同步減排，才能實現較快減排，非能源領域減排可能更加明顯。
排水與污水處理減碳的三大著力點。排水與污水處理有許多直接和間接碳排放源，但基于以上分析，化糞池等厭氧過程排放CH4、生物脫氮過程排放N2O、污水收集和處理過程的能耗和物耗間接排放CO2是三大重點排放源，且三部分排放量總體相當。因此，我們提出排水與污水處理行業減碳如下三大著力點：
第一，對是否取消化糞池要有明確的態度。約有15%到25%有機污染物在化糞池中被厭氧分解，是巨大的CH4排放源。新建居民區的排水系統還要不要建化糞池？已經建了的要不要拆除？行業已經討論了許多年，迄今依然沒有一個明確的態度。福建省多年前就發文取消化糞池，但未堅持到底；上海也曾研究取消，后來沒了下文；同為蘇南地區兩個相鄰的城市，一個明確建，另一個明確不建；山東某沿海城市還成立了一個化糞池管理處，專司化糞池建設與管理，而同為山東沿海城市的青島，全市沒有一個化糞池。城市排水系統設置化糞池，既產生碳排放，又導致污水處理廠碳氮比失調，外加碳源則又產生間接排放。另外，農村改廁戶戶建設化糞池，每戶兩三個人的黑水排入一個超大化糞池，實質上成了個大停留時間的厭氧反應器，導致大量CH4的逸散性排放，而出水很稀還導致后續處理設施無法運行。需要反思，取消化糞池會有后果嗎？會造成下水道堵塞嗎？如果堵塞有沒有維護手段補救？西方國家的城市排水系統普遍不建或拆除了化糞池，青島市沒有一個化糞池，他們的排水系統照常運行。為了碳減排，是時候研究取消化糞池了。
第二，研究污水處理過程N2O的釋放、檢測及控制要加大力度。目前，N2O在污水處理過程的釋放機制及其影響因素還不清楚。研究發現，反硝化過程存在N2O釋放，碳源種類和水平對釋放量有顯著影響；硝化過程也存在N2O釋放，DO水平對釋放量有影響；亞硝酸鹽與羥胺發生化學反應可能直接生成N2O排放。由于N2O釋放機制不清晰，檢測及在線監測手段不成熟，相應的評估方法、控制對策也必然是空白，尤其是如何實現控制N2O和提高脫氮率之間的平衡，并進而達到協同，都亟需研究。
為了碳減排，需要增大經費投入、加大研究力度，理清釋放機制、研究開發出檢測及控制的裝置與技術，控制N2O釋放。
第三，對污水處理節能降耗重要性的認識要提升高度。“節能降耗”已經強調了幾十年，不單是污水處理行業，各行各業都在強調。以前，強調節能降耗是為了降低成本，而現在，污水處理行業為了確保出水穩定達標，免受處罰，不惜過量投入電耗、藥耗。在新形勢下，應該認識到，多耗電就是多排碳，多耗藥也是多排碳，節能降耗就是碳減排，是排水與污水處理行業最重要的減排手段。
如何在確保達標的前提下實現節能降耗？這就需要真正的精細化運營。精細化運營包括采用高效機電設備、加強負載管理、建立需求響應機制以及工藝優化調控等諸多方面，這里重點講三個關鍵環節。
一是要強化預處理。目前的格柵和沉砂等預處理單元只能去除粗渣和粗砂，不足渣砂總量的50%，大量細渣細砂進入后續處理單元，除了造成淤積、堵塞、磨損、破損等問題，還使生物系統的MLVSS/MLSS越來越低，既浪費池容又增加能耗，大大降低全系統的綜合效能。強化預處理，將所有渣砂在源頭徹底分離去除，一本萬利，是精細化運營的基礎工作，否則，所謂的精細化運營就無從談起。
二是要加強氧科學管理。污水處理主要是好氧處理，科學供氧是重中之重。氧供少了，有機污染物和氨氮等耗氧類指標會超標，氧供多了，既浪費能耗，也會導致總氮和總磷等非耗氧類指標超標，否則就需要額外投加有機碳源或無機藥劑，增加物料消耗。如何實現氧科學管理？關鍵是實現生物耗氧量和實際供氧量的平衡，這就需要在線實時地把生物耗氧速率（SOUR）和實際供氧速率（SOTR）測出來，沒有這兩個參數的實時數據，就談不上氧的科學管理。
三是要加強藥劑科學管理。由于原污水碳氮比不高、脫氮除磷要求又高，許多污水處理廠依靠大量投加外碳源或化學除磷藥劑維持脫氮除磷，且普遍過量投加。過量投加的藥劑浪費了成本，增大了碳排放，也可能增加能耗。加強藥劑科學管理，首先要針對水質搞清實際需求，其次是在充分挖掘利用污水中內碳源的基礎上確定外加藥劑量。碳源種類、加藥點以及投加量與水質和工況密切關聯，理清這些關系才能真正實現科學管理，避免過量投加。
最后，為了碳減排，需要節能降耗，需要真正的精細化運營。精細化運營需要安裝必要的檢測裝置或裝備，對管路或構筑物進行必要的改造，這就是“低碳改造”。期望在轟轟烈烈完成了“提標改造”之際，行業能盡早展開污水處理“低碳改造”，助力國家“碳達峰、碳中和”戰略目標的實現。