碳中和：低碳减排vs污水处理

碳中和：低碳减排vs污水处理

　　2020年12月12日，国家主席习近平在纪念《巴黎协定》签订5周年的气候雄心峰会上发表“继往开来，开启全球应对气候变化新征程”的重要讲话，承诺到2030年，中国单位国内生产总值二氧化碳排放将比2005年下降65%以上，努力争取2060年前实现“碳中和”。这是中国致力于自身生态文明建设的战略举措，也是中国愿为人类社会发展做出新贡献的重大宣示。但是，面临日益复杂的国际形势，中国如何规划完善低碳发展路径，通过何种手段实现“碳中和”，是一项非常紧迫和充满挑战的任务。

　　有关气候变化的《巴黎协定》的长期目标是将全球平均气温较前工业化时期上升幅度控制在2℃以内，并努力将温度上升幅度限制在1.5℃以内，该协定由178个国家共同于2016年4月22日签署，同年11月4日生效。协定签订后，缔约国均已制定了各自的碳中和时间表，其中，欧盟一致目标为2050年；其它大多数国家（包括周边的韩国、日本）亦基本按2050年制定达标时间表；也有少数国家根据自身发展情况又制定出更早的完成时间目标（表1）。

表1 各国碳中和目标

《科学美国人》联合世界经济论坛，评选出了2020年全球十大新兴技术，其中4项与“碳中和”有关。它们分别是：

①让二氧化碳变成可用材料；

②给飞机换上电动推进器；

③新技术使水泥更低碳；

④电解的绿色氢能。

污水处理行业的“碳中和”

　　污水处理行业对全球温室气体的总贡献率虽然仅占2%～5%，但亦不可小觑，同样也面临着碳减排甚至碳中和的压力。污水处理实现碳中和途径无外乎也是直接利用清洁能源或间接通过特殊手段补偿碳排放。清洁能源包括太阳能、风能、潮汐能等，但清洁能源受地理位置、场地、光照等限制不适用于大多数污水处理厂；例如，太阳能光伏发电板即使铺满整个污水处理厂也就能弥补不到10%的污水处理能耗。间接手段如植树造林（吸收CO2）也不是一般意义上的污水处理厂分内之事。

　　因此，污水处理碳减排只能从营养物去除过程或污水潜能入手，通过减少能耗、药耗使用或挖掘污水蕴含能量来实现。能耗、药耗节省固然对节能减排有着积极的意义，但距离碳中和目标还相差甚远。

　　就污水中蕴含的潜能而言，传统上剩余污泥厌氧消化被寄予希望，它不仅可获得有机能量（CH4）亦可以实现污泥减量。然而，有机能量与进水中有机物（COD）含量多寡有关，再加上剩余污泥中细胞结构、木质纤维素以及腐殖质等成分影响，污泥中温厌氧消化的能源转化率一般很难超过50%[2-5]（表2）。能量平衡计算表明，进水COD为400mg/L的市政污水在完成脱氮除磷目的后，产生的剩余污泥经中温厌氧消化产CH4后热电联产（CHP），仅有13%的理论化学能可实现回收[2-5]（表2），约合0.20kW·h/m3（污水）电当量[2,6]。如果污水处理能耗为0.40kW·h/m3（污水），这意味着进水COD理论上至少需要800mg/L方能满足碳中和目标。尽管国外存在将厂外有机固体废物（如，厨余垃圾）与污泥共消化实现污水处理厂碳中和的例子，但这种借助外部有机物转化能源的方式并非实际意义上的污水处理自身碳中和。因此，污水处理碳中和需要寻找有机能源之外的其它潜能，特别是对中国市政污水COD浓度普遍低下（100～300mg/L）情况。

表2 污水处理过程COD平衡匡算结果

　　事实上，污水中亦蕴含着巨大的余温热能，完全可以藉水源热泵技术将其中的热或冷交换出来。污水热能计算表明，如果提取4℃温差，实际可产生1.77kW·h/m3(热)电当量和1.18kW·h/m3(冷)电当量[6]。显然，污水余温热能较有机能而言潜能是巨大的。换言之，若将有机能与热能看作为污水潜能总和，两者占比分别为10%和90%。热能不仅能完全满足污水处理自身碳中和需要，而且多余热能还可用于污泥低温干化或场外供热、输冷，完全可以通过日趋成熟的碳交易市场换取可观且能够变现的碳交易额。

　　总之，碳中和成为国际共识，各行各业很快将不得不面临这一艰巨任务。但是，就污水处理而言，实现碳中和并非难事，也不存在技术上的阻碍（具体参见《污水处理碳中和运行技术》一书，作者：郝晓地）。只要更新理念，污水处理厂便可轻而易举华丽转身，变成某种意义上的“能源工厂”。