一、“碳中和”是右邊等于（大于）左邊

自從國家碳中和戰略提上日程，各行各業都在探討如何實現碳中和，作為環境治理行業排頭兵的污水處理更是不例外。 然而，不看不知道，原來好多國家在邁向碳中和的路上已經走得好前好遠，丹麥State Of Green還出了一份白皮書：《像丹麥那樣思考，解鎖污水的潛能》，介紹丹麥污水處理廠實現能量盈余的經驗。

人家說，可怕的是比你優秀的人還比你努力。面對污水界學霸級的，比如丹麥，作為一慣享有“中國速度”美譽的咱們，相信一定能小步快跑，迎頭趕上。 討論碳中和，先得弄清楚什么是碳中和。 所謂碳中和（Carbon neutrality），是指組織或個人在一定時間內直接或間接產生的二氧化碳，通過植樹造林、節能減排等方式全部抵銷，實現碳的凈“零排放”。

那么污水處理廠要抵銷的碳排放包括哪些呢？首先是能耗，即用電。從能量轉化的角度來說，傳統污水處理模式本質是以能耗換水質，需要使用大量電能以去除污水中的污染物，間接產生大量二氧化碳排放。其次是污水處理需要消耗大量燃料和藥劑，間接排放大量溫室氣體。另外，好氧段需要曝氣，活性污泥吸收氧氣并釋放二氧化碳，同時，工作人員呼吸也會釋放二氧化碳。 當然，能耗是大頭。如果污水廠使用的電能不是來自于燃煤發電（2020年仍占我國總發電量的60.8%），而是水電、風電、光伏、核能等清潔能源，或者自產再生能源，碳中和就基本實現了。至于處理過程中其他碳排放，那都不是大事，栽點樹種點草，搞搞綠化中和一下也差不多了。 所以，污水處理廠最易達成的碳中和途徑是什么？一個字：等！等到國家把所有燃煤電廠都替代了，就坐著順風車哼著歌愉快的實現了。

2021年1月1日起，全國碳市場首個履約周期（截止到今年12月31日）正式啟動，涉及2225家發電行業的重點排放單位。這是我國第一次從國家層面將二氧化碳控排責任壓實到企業，通過市場倒逼機制，促進產業技術升級。（啥時候會跟咱們污水處理行業簽履約周期不？

看來，“等”字訣曙光在望啊! 但是，咱們環境產業的排頭兵是靠等的嗎？Of course not! 要中和，首先得搞清楚處理污水消耗的能量（左邊）與污水中含有的能回收的能量（右邊）之間的等式關系。然后想辦法把右邊搞得多多的，把左邊搞得少少的，就能實現中和甚至盈余了。

據測算，污水中所含能量是污水處理本身所消耗能量的9-10倍之多。通過優化污水處理工藝，回收有機物能量，利用熱電聯產發電實現碳中和，理論上是可行的。但這個基本是國外的數據，我國城市污水處理廠進水COD濃度偏低，只有歐美國家的40%-70%。國內首座“未來再生水廠”—北京市東壩再生水廠經測算，處理1噸污水回收的能量是其消耗的能量的4倍。但這也是在北方，南方進水的能量值更低，一般只能達到2倍左右。 不過，既然能量守恒定律擺在那里，本著“把右邊搞得多多的，左邊搞得少少的”的原則，辦法總是比問題多很多。

二、如何把右邊搞得多多的？

1、改善管網輸送體系

在城市污水處理系統中，污水的收集和輸送涉及大規模管網鋪設和長距離輸送，管網漏損、堵塞、覆蓋率不高是造成我國污水進水碳源不高的主要原因。 提高排水管網輸水性能和覆蓋率，實現污水100%收集，同時進行雨污分流改造，提高污水處理廠進水碳氮比，如此就能解決碳源不足問題，有效提高污水處理廠有機質到甲烷的轉化率，把污水處理廠變成發電廠，從根本上解決能耗問題。

2、外部碳源協同處理

廠內不足外源補。外源協同消化是很多國家污水廠實現能量自給所采取的方式。 美國希博伊根污水處理廠利用高濃度食品廢物與污泥共同厭氧消化，產生的甲烷進行熱電聯產，同時采取節能措施，實現產電量與耗電量比值達90%~115%。 荷蘭實現碳中和的策略是將污水處理廠改造或新建成能量工廠（NEWs），使污水處理廠與居民生活、工廠、資源回收、農業及大自然聯結成一個整體，達到一種區域循環共生的狀態。 荷蘭最大的污水處理廠之一，阿姆斯特丹西污水廠（WWTP Amsterdam West）通過傳統的污泥厭氧消化系統年產沼氣約1200萬立方米，共用給隔壁的廢物焚燒廠。污水廠的污泥也在此焚燒處理。焚燒廠的熱值利用率高達90%。除了處理污水廠的污泥，焚燒廠還為污水廠供應電力和熱水。此外，還有剩余的電力和余熱并入阿姆斯特丹的綠色電網和供暖系統?？胺Q協同處理實現能量自給并盈余的典范。 我國睢縣、江蘇宜興城市水資源概念廠、北京東壩再生水廠、湖南先導洋湖再生水廠等均有此類嘗試，這些項目將為中國污水處理行業綠色低碳發展和產業升級帶來深遠影響。 惟創環境定位于“區域環境綜合治理服務商”，就是希望打通環境治理的“最后一公里”，進行區域綜合規劃，將環境治理設施打造成城市人居環境中最漂亮的地方，同時將污水、固廢、氣體等結合起來協同處理，實現區域綜合循環，從而實現整體碳中和。

3、優化工藝，提升能量回收能力

在污水處理碳中和的路上，丹麥可算領頭羊。Aarhus是丹麥的第二大城市，而Marselisborg是當地最大的污水廠。該廠在2016年名聲大噪，原因是它宣布無需協同消化，僅用污水自身蘊含的能量就實現了能量盈余。

為了實現這一目標，Marselisborg的運營公司Aarhus水務從2006年就開始升級轉型，他們將當地14座污水處理廠合并為兩座，即Marselisborg污水廠和十幾公里外的另一座污水廠，以提高處理效率。并花了170萬歐元購入兩臺250kW和一臺355kW的熱電聯產電機，實現年產電量達4.8GWh。同時，通過一系列節能降耗措施，使污水廠年電耗從4.2GWh降至3.15GWh，降幅達25%。這意味著廠區的發電量比電耗多出1.65GWh，盈余達53%。這些多余的電能賣給國家電網，此外還有2.5GW的熱能直接用于地區供熱。

奧登塞（Odense）是丹麥第三大城市，該城最大的Ejby M?lle污水廠早在2013年就聲稱實現能量100%自給。2018年，他們甚至宣布：污水廠的能耗盈余率高達88%！ 

 如此驚人的能量回收率是因為他們極力改善污泥消化工藝。例如：他們使用延時消化的 Torpey工藝，將出泥固液分離后再回流到消化池，以此減少消化池中的水量，提高生物質濃度，SRT延長約10%，以提高消化池性能。另外，他們更換了柵渣沖洗壓榨機(Screening washing press)，以便更好地將格柵截留的碳源導流到消化池。2020年，他們還對氯化鐵添加至污泥脫水工藝的效果進行測試，目的是減少殘留污泥量和鳥糞石的沉淀。此外，他們也在初沉池對新的聚合物進行測試。

總之，他們想盡各種辦法將進水中的碳送入消化池，力爭不漏掉一丁點兒。 而在國內的污泥處置領域，小紅門和高碑店污泥處理中心成功運行，污泥產氣率超出預期目標，除滿足熱水解能量平衡的需要外，還有余量。這充分表明，污泥高級厭氧消化技術已經比較可靠、穩定，既為國內污泥處理探索出新思路，同時也為實現碳中和提供有力支撐。

4、自產清潔能源“加菜”

“加菜”是指通過太陽能光伏發電等做法提供一定的能源補給。哥本哈根三大污水處理廠之一的Damhus?en污水廠，通過安裝光伏太陽能板覆蓋了廠區9%的電耗。荷蘭Rivierenland水委會也在污水廠旁建造光伏太陽能公園。 不過，這些措施看起來難以實現100%補給，只能做為“加菜”補充。

三、如何把左邊搞得少少的？

1、采用能耗更低的污水工藝

目前，污水界主要的低能耗生物工藝包括厭氧氨氧化工藝、好氧顆粒污泥工藝等。以及惟創的VFL垂直流迷宮技術，也屬于低能耗工藝。 

丹麥的Marselisborg污水廠于2014年引進了側流厭氧氨氧化工藝，每年能節省約8萬歐的污水稅（相當于排污費）和50000kWh的電耗。 

荷蘭的污水處理廠則多采用好氧顆粒污泥工藝降低能耗。雖然《NEWs：荷蘭2030年污水廠路線圖》的報告里，專家們推薦A-B工藝，但各地水委會并沒有一窩蜂地采納。事實上，在過去十年里，好氧顆粒污泥有后來者居上的勢頭。

2011年，荷蘭第一座好氧顆粒污泥污水廠在Epe污水廠投產使用。采用新工藝后，該污水廠立即成為荷蘭能耗最低的市政污水廠。

荷蘭北部格羅寧根市的Garmerwolde污水廠于2013年引進好氧顆粒污泥，不但占地面積遠小于原來A-B工藝，能耗也由原來的0.33kWh/m3降至0.17 kWh/m3。此外好氧顆粒污泥在脫氮除磷以及污泥產量等方面都有顯著優勢。

咱們VFL工藝的垂直流迷宮格形成的高徑比、間歇式曝氣及多點氣提回流系統正是有利于顆粒污泥的大量形成，相當于一個強化的好氧顆粒污泥法。看來，VFL工藝不但是污水廠提質增效的優良選擇，在碳中和升級轉型中也將大有用途啊。

2、改造升級曝氣系統

有數據表明，我國污水處理廠噸水電耗一般在0.15～0.28kWh范圍。其中，曝氣鼓風機電耗所占比例為56.2%。雖然不同處理工藝能耗有所不同，但曝氣系統總體能耗占比最大是事實。因此，污水處理廠節能降耗關鍵點在升級改造曝氣系統。

曝氣系統主要是提供微生物所需的溶解氧，因此節能的核心是精準掌控微生物的活動過程，防止過度曝氣，也要防止曝氣不足。這就對系統的智能化、數字化控制提出很高的要求。

咱們VFL工藝正是通過ORP控制實施間歇式精準曝氣，使噸水電耗較傳統工藝大幅降低。

另外，曝氣的方式也在很大程度上影響能耗。丹麥哥本哈根的BIOFOS水務將其管理的污水廠由表面曝氣升級為微孔曝氣，使曝氣能耗降低約57%。

3、優化原料投入環節

污水處理工藝多種多樣，但本質是通過生化反應來去除水中污染物。因此，在處理環節需要投加碳源和多種化學藥劑。這些原材料在生產和運輸過程中消耗能源，在投加過程中也消耗一定能源。因此，優化投料環節，有助于節能降耗減少碳排放。

如何優化原料投入環節呢？目前，市場上主要是對加藥系統進行配置升級。由常用的變頻計量泵升級為數字泵，加藥量有不同程度減少。另外，運用AI技術對污水水量、水質等參數和加藥系統運行數據等進行大數據分析，形成最優算法模型，從而實現加藥系統精細化控制，也能有效降低藥品消耗以及設備運行能耗。

北京市東壩再生水廠采用超磁工藝實現磷回收和碳源回用，基本省去了藥劑費用。中國城市污水處理概念廠專家委員會王洪臣教授說：“物理技術尤其是各種清潔分離技術，在未來的污水處理中有可能發揮更大的作用，而不再只是預處理角色”。看來有些道理。

咱們VFL技術也僅在必要時或在特定情況下才使用后清潔化學品，能有效降低藥品消耗。應該不管是在現下的提質增效時代，還是在未來的碳中和時代，均有很好的用武之地。

4、其他設備節能降耗

有數據表明，排水泵站也是耗能大戶，占城市水務總能耗的35%。因此，對排水泵站進行升級改造，或采用智能化運營模式，能有效降低能耗。 總之，污水處理的節能降耗需要進行系統性的思考和優化，才能取得良好效果。丹麥的Marselisborg污水廠通過SCADA系統（數據采集與監視控制系統）對氨氮、磷濃度進行監控，并對鼓風機、提升泵、攪拌設備和脫水泵實施變頻器控制，靈活適應每日變化的進水負荷，從而大幅降低了電耗。還通過使用能效更高的污泥脫水離心機使每年電耗節省50000kWh。各項措施的綜合使用，使該電廠總電耗降低25%。節流與開源雙管齊下，是該廠實現能量盈余的法寶。

四、碳中和是一項系統性的長期工程

其一，污水處理行業實現碳中和是一項系統性工程。從前沿國家的實踐經驗來看，實現碳中和甚至能量盈余均非某個單點的突破，甚至不是依靠前沿性的工藝技術，而是要全流程進行系統優化。 像丹麥的Marselisborg污水廠和Ejby M?lle污水廠，無不是通過一系列升級改造，從工藝和設備選擇等各方面挖掘潛能，提高能量回收效率，降低能耗，很難說是哪個單項的技術突破所帶來的成果。 Marselisborg污水廠引進側流厭氧氨氧化后年電耗降低50000kWh，只相當于其總盈余1.65GWh的一個零頭尾數。 這也說明，碳中和不是不可跨越的鴻溝，而是需要我們改變以往粗放型考慮問題的方式，系統設計，深入細節，一定會有很好的成果。

其二，實現碳中和是一項長期持續的工程。為了實現污水廠的能量自給，Aarhus水務努力了10年，從2006年開始對旗下的14座污水廠進行合并，至2016年宣布其管理的Marselisborg污水廠實現能量自給并盈余53%。目前Aarhus水務仍在探索，他們在管理的另一個廠--Egaa污水廠測試碳捕獲、主流厭氧氨氧化和ORC廢氣能量回收等工藝。讓人想起一個公司的Slogan：為環境，無止境。 因此，實現碳中和不是等待前沿的技術出現，也不是單靠研發突破，而是公司的各部門、各職能共同努力：運營廠持續探索節能降耗的途徑，制造與供應鏈不斷尋找性能更優的設備，技術部門了解成功的技術經驗，產品部門創新業務模式等等。

其三，實現碳中和要跳出污水處理行業，站在生態文明建設、城鄉融合發展、污水資源化、能量自給、環境友好等更多層面綜合考量。這可能不單是整個行業技術和理念的更新，也是整個社會思想和認知的革命。例如，要實現碳中和，我們個人的工作和生活也要逐步低碳化。通過詢問湖南的污水廠得知，升級到日處理規模30萬噸后覆蓋50萬人口當量，中國的理論設計值是人均每天0.45-0.5m3污水。而荷蘭的阿姆斯特丹西污水廠處理人口當量約100萬人。荷蘭北部的Garmerwolde污水廠日處理規模7萬噸，覆蓋人口當量37.5萬，人均每天0.186 m3水，相比少很多，這是因為我們的居民用水確實多些，還是因為管網與規劃問題？ 另外，從污水廠出水到地表水和居民用水要實現再生循環，其間仍有較大的水質差別需要解決?，F有的污水處理運管模式也讓污水廠本身缺乏升級動力等。碳中和下的水環境治理是一個多層面整體規劃、綜合考量、系統性解決問題的過程。 而讓人欣喜的是，碳中和理論上可行，又要這么多成功的實踐經驗。有理由相信，中國污水處理行業將很快為碳中和戰略做出積極貢獻。

關鍵詞： 環境 污水廠 實現 中和