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《城市污水处理厂碳中和路径解析》

  • 来源专题：水环境治理与保护
  • 编译者： 王阳1
  • 发布时间：2023-07-30

  • 本文将围绕碳中和污水厂构建路径，从污水处理过程的能耗控制与能量自给、污水处理工艺的减药与碳源利用、污水再生与有价物质循环利用等方面进行系统的路径解析。

    当前，在环境污染日益严重的同时，气候变化不断加剧，人类社会的可持续发展面临严峻挑战。作为污染物和温室气体排放的关键环节，构建碳中和污水处理厂、实现减污降碳协同成为新时期环境治理的重要方向。


  • 原文来源：http://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MjM5MTA4MDc3Ng==&mid=2653731905&idx=1&sn=bee7b85130cbfebc273cdcea7eb7a806&scene=0
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    • 来源专题：水体污染治理
    • 编译者：王阳
    • 发布时间：2021-04-30
    • 污水处理行业的科技进步存在诸多天然障碍 《环境与生活》：您在水污染治理方面，有多年的理论研究和实践工作经验，是圈内不可多得的实战型学者。在您看来，我们国家在污水处理行业方面，科技成果转化的难点、痛点是在哪里？ 王洪臣：近十几年来，我国污水处理行业快速发展，目前日处理能力已经达到2.2亿立方米，年实际处理量超过700亿立方米，是名副其实的污水处理大国。另一方面，国家、地方和企业投入了大量经费进行研究开发，取得了一大批研究成果，一些成果达到了国际领先水平。但是，如您所说，我国自主形成的科研成果在行业快速发展中的确没有发挥出应有作用，我想，这可能也是行业的共同看法。那么原因在哪里？这个问题我有一些长期观察，也有一些思考。我认为，污水处理行业的科技进步存在诸多天然障碍。不知道这是不是许多行业的共性问题，这里仅就我个人对污水处理行业的观察和思考与大家分享。 先谈谈科技成果商业转化的障碍，因为商业转化通常是最高效的成果转化。我观察发现，科技成果商业转化的最大障碍是科学家和企业家对科技成果价值认知上的巨大反差。这里的科学家泛指所有的科技人员，是成果的持有人；企业家泛指所有企业主，是成果受让人。 首先，科学家通常认识不到科研成果真正转化成生产力是一个极其艰难的过程。一个新的科研成果，怎么能证明它是稳妥、可靠的？企业家需要组织人力、财力、物力去证明。即使证明了是一个好的成果，还要花力气去说服客户，去开拓市场，否则就是叫好不叫座的成果，就没有价值。 从证明到推广，实际上是一个充满风险的过程，企业家要概括承受，但科学家对这个过程既没有切身感受，也可能没有认知。 另一方面，企业家又常常不了解一个新思路、新理念、新成果的产生也是非常艰难的，是一个反复琢磨、反复失败、反复实验的艰苦过程。窗户纸被捅破了，我们知道是一层窗纸，但没捅破之前，那就是一堵墙。许多企业家把教授带着学生做研究看成是一件很轻松的事情。存在这样的认知反差，即使发生了成果转化，即使成果转化成功，双方都认为自己才是主要贡献者，从而没法继续合作下去。 更多的情况是，企业家轻易不会出合理价钱购买科技成果，而科学家宁愿不转化，也不贱卖自己的成果，污水处理领域很少听到超过百万元的科技成果转让。因此，科技成果商业转化就此成了死结。进一步的后果是，企业家组建研发中心，招来几个博士，自己搞研发；科学家组建团队，招来几个工程师，自己搞成果转化。 实际上，科研需要积淀，需要基因，需要文化氛围，需要有梯级的团队，四面八方拼凑来的高学历人才，出不了有价值的成果；而把一个科技成果变成生产力，需要具备计划、技术、资本、成本、市场以及风险控制等一系列要素，绝非一个简单的组合就可以完成。再进一步的后果是，企业家搞不出有价值的创新性成果，有的水务企业研发中心反复组建了很多遍，有的试图以研发人数致胜，一个不大的企业竟有一两百名研发人员；科学家也推广不出自己本来有价值的成果，锲而不舍地反复成立公司，造成社会资源的巨大浪费。 十几年前，我在北京市一个企业工作时，参加了市里组织的赴欧洲创新型社会培训班。一个月的时间，我们除了听专家授课，还参观了许多企业、大学、社会创新机构和相关政府部门，近距离观察欧洲社会高效的创新文化和创新机制。关于成果转化，我感受最深的是，企业愿意拿出自己一大部分利润购买知识产权或使用权，拿几百万欧元买几张纸或一个思路，体现出了他们对知识产权的那种深入骨髓的尊重，这对中国企业来说是难以想象的。 在这种氛围下，西方的科学家可以专注新理念、新思想、新机理、新方法的探索，一旦有了有价值的成果，可以很顺畅地交由企业去转化，而且是按合理价值实现转化。因此，我们也看到，西方的教授们大多不会做那些虚无缥缈的研究，更不会跟在别人后边去做重复性试验，他们专注在有意义的创新上。 总之，社会需要有分工，也需要有合作，需要合理分工默契地合作，这是实现高效成果转化并推动科技进步必要的社会环境。污水处理行业需要逐步构建这样的环境。 《环境与生活》：科技成果的商业转化如此多艰，那科技成果公益转化的情况会不会好一些？ 王洪臣：好，我们接下来再谈谈科技成果公益转化的障碍。公益转化是指把科研成果以技术政策、规范、标准、导则或指南等法规文件的方式向全行业公开转化，指导工程设计、建设以及运营管理。科学家把科研成果以论文形式公开发表后供行业参考使用，也属于公益转化。 按理说，公益转化没有了商业环节，应该容易实现转化，但实际转化效率甚至比商业转化更低。 污水处理领域的技术政策、规范、标准、导则或指南等法规文件主要是总结已有工程或项目经验，虽然这些文件通常都有关于科技进步的章节或条款，但是几乎见不到科技新成果的体现。这一状况的后果是彻底封住了科技成果通向工程建设的转化之路，因为没有哪个设计院愿意大胆采用新成果，因为这样一来就得承担不遵守法规性技术文件的风险。 另外，我国的设计院虽然都叫设计研究院，但重在设计、轻于研究，这与我国多年来的行业形态有关。我国的设计院是从工程的项目建议书、可行性研究报告、初步设计一路负责到施工图设计，有时还得做施工配合，用在可行性研究报告上的时间很短、精力很少。短时间快速编制的可行性研究报告只能是照搬规范或手册，可行性研究报告成了可批报告，极少去研究采用新的科研成果。 西方的设计院通常叫咨询公司，大多只负责概念设计，也就相当于我国的可行性研究报告，顶多涉及一些初步设计的内容，施工图设计则交由施工单位承担。这样，西方咨询公司就有时间深入研究，编制出高水平的概念设计，采用新成果的可能性大大增加，许多咨询公司为了概念设计甚至要开展大量测试或中间试验。一个科技成果要具备推广、复制的条件，通常要经过生产性试验和工程示范，但污水处理行业的许多科技成果通常难以找到合适的生产性试验场地和工程示范项目，因为很少有企业愿意为此承担风险。 由于污水处理厂出水的严格监管和处罚机制，也很少有企业愿意在已有设施上进行成果验证。从法规性文件、工程设计建设到运营管理的一系列障碍，导致科研成果难以实现公益性转化。 《环境与生活》：那么，这些障碍是可以克服的吗？请问未来我们应该如何去克服这些障碍？ 王洪臣：为什么说以上障碍为天然障碍，因为这些障碍无关于哪个方面，不是人为设置，是多年的沿袭，是习惯思维下的习惯做法。但是，大批科研成果束之高阁，不能发挥效益，令人叹息。 尤其是当一个行业不愿、不敢或没有机制去承担科技进步带来的风险，那么它将没有科技进步，也将无法实现高质量发展。怎么破解这些障碍？恐非一招一策，只能寄望于不断改革，改革一定会发挥作用。 实现低碳的路径是协同减排 《环境与生活》：您是中国人民大学低碳水环境技术研究中心主任。在迈向碳中和的大背景下，请问水务领域如何为碳达峰和碳中和做贡献？ 王洪臣：政府间气候变化专门委员会 (IPCC)组织全球300位科学家包括几位中国科学家联合撰写了《气候变化的科学基础》一书，从科学角度论证了气候正在发生变化，近百年来全球温度的变化是人类活动的结果。导致气候变化的这些人类活动可以概括为：人类发现了地下化石能源，开采出来，用作燃料，排放了大量的二氧化碳。 城市水务大致占全社会总电耗的3%，其中污水处理过程约占全社会总电耗的1%。那我们就可以理解成，污水处理行业间接的碳排放大概能占到全社会总排放的0.5%，所谓间接碳排放是指因消耗了电而计算出的碳排放。 另外，在污水处理的转化过程中，也会有直接的温室气体排放，比如甲烷和一氧化二氮的排放，其中单位甲烷的碳当量相当于单位二氧化碳的21倍，一氧化二氮更高，达到了312倍。尽管它们的排放量相对较低，但造成的温室效应却不能忽视。污泥处理处置也会产生碳排放。从污泥填埋方面讲，欧洲为什么将填埋费变成了填埋税？主要是填埋会导致大量的温室气体排放。大型填埋厂一定会设甲烷的回收系统，问题是污泥中的有机物需要二三十年的时间才能彻底稳定下来，才能不再释放碳了，开始前5年可能释放50%，那个时候释放量比较大，我们还可以把它收集起来，可是剩下的50%需要二三十年的时间才能释放完，就没办法收集了，就会排放到大气中。因为污泥填埋比焚烧的碳排放量大，所以从温室气体排放控制的角度来看，首先是要杜绝填埋。但是，在填埋过程中，有机物会变成有机质，有机质会变成腐殖质。东北的黑土地好，就是因为土壤中含的腐殖质高达10%。土壤中腐殖质含量高就不会板结，透气性好，空气中的氮就可以进入土壤，生成肥料。富含腐殖质的土壤保持水分、保持肥料的能力强。 如果我们将有机物、污泥、垃圾等直接焚烧，相较于填埋会减少碳排放，但却破坏了腐殖质，进不到土地中去，就会导致土壤贫瘠，就需要更多的化肥。生产化肥需要消耗能源，大量灌溉用水也要消耗能源，所以很多时候，有机物焚烧不是最优的。 自然界存在一个无机物和有机物之间的相互平衡，无机物变成有机物就是通过光合作用，植物通过光合作用，把大气中的二氧化碳转换成人类用来维持自身生存的能量，比如小麦、玉米等粮食作物。如果没有光合作用，没有无机物向有机物的转换，就没有人类的生存。与此同时，有机物也需要回到土地，才能形成循环。如果焚烧，燃烧后产生的气体在大气中排走了，燃烧后的灰渣没法与土壤混合生成肥料，所以人类生态文明很重要的一点，就是要尊重大自然的循环，让有机物有序地回到土地里。 污水处理的直接碳排放和间接碳排放合计占全社会总体碳排放量的1%至2%，虽然占比很小，但减排效益大。 在污水处理领域中，找到正确的技术以及正确的技术路线，就可以减少碳排放，其减碳的效益比能源、交通等领域要大得多。 总体上，污水处理应尽快往协同减排的方向走，既减排污染物也减排碳，协同减排越早越好。不能只考虑控制污染物而不考虑碳排放，对待有些为控制污染而带来高碳排放的投资要谨慎。 面向未来的城市污水处理概念厂 《环境与生活》：我国未来治理水污染,应该更注意哪些问题？在观念层面，应该有哪些大的调整和改变？ 王洪臣：我对未来的污水处理，总的看法可以分成两个方面，首先我们需要思考未来社会需要什么样的污水处理。现在，一提到污水处理厂，大家觉得它虽然是一个城市基础设施，但观念上认为类似于城市的“厕所”，脏东西都会排到那里去，是一个治理污染的地方。 未来污水处理要满足人类社会的需要，随着人类社会文明程度的提高，污水处理厂不应再是一个“厕所”的概念，应是往“卫生间”、“化妆间”的方向去发展，变成城市最漂亮的地方。现在，各城市都缺水，污水也不能轻易排走，也不能远离人们的生活，我们需要把污水处理干净后，用来满足城市用水，美化人居环境，让生活更美好。未来，我们要把污水处理厂变为一个城市的生态综合体。 2013年，中国工程院院士曲久辉研究员带领几位学者（清华大学环境学院王凯军教授，中国人民大学环境学院王洪臣教授，清华大学环境学院余刚教授，中国21世纪议程管理中心副主任柯兵、中国科学技术大学化学学院俞汉青教授），发起成立了“中国城市污水处理概念厂专家委员会”，提出“建设面向未来的中国污水处理概念厂”这一命题，希望以此融通各方智慧和共识、启迪创新和创造，引领中国污水处理事业的升级发展： 第一，污水处理厂可以打造成城市人居环境中最漂亮的地方，有水有肥，有创造美好环境的物质基础，高度融入城市的生活； 第二，污水处理厂完全可以成为一个资源工厂，污水处理并不是将污染物消灭掉、处理完就行了，污水处理厂的筹建从一开始就要考虑产出，产出水、氮、磷，并进行回收，支援有机质的回收，建设生态文明； 第三，污水处理可以为碳达峰做出一定贡献； 第四，也是我认为最重要的，人类社会对污水处理厂的最大要求，是污水处理厂在发挥其基础作用的功能上，需要大大缩减体积。道理很简单，污水越多的地方人就越多，人越多的地方土地资源就越紧张。现在全国污水处理厂的占地面积一共有几十万亩，虽然从整个国土面积来看并不算多，但都是离人们生活最近的、最优质的土地。所以，人们对污水处理的需求，除了最基本的功能外，还要漂亮、要低碳、要集约。 最后，在规划布局上实现分散也是个大方向。全国第一大污水处理厂是上海白龙港污水处理厂，日处理量是280万吨。第二大污水处理厂是上海竹园污水处理厂，现在的日处理量是220万吨。第三大是北京高碑店污水处理厂，日处理量是100万吨。此外，还有广州、成都、沈阳等一批百万吨级的污水处理厂。污水处理厂太大，风险加大，会使城市因此缺乏弹性和韧性。 物理技术路线比较有前景 《环境与生活》：如您刚才所说的，未来的污水处理要走反集中化、低碳的发展道路，什么样的技术路线会比较有前景呢？ 王洪臣：技术的路线要按需求走，需求也会推动技术的进步。污水处理不止一个单元技术，它是一系列的单元技术组成的工艺流程。所有单元技术可以归结为四大类：物理处理技术、化学处理技术、生物处理技术、物理化学处理技术。 现在污水处理的技术组合是：物理技术承担预处理，比如沉沙池、沉淀池，将大块的颗粒去除掉；接着是生物技术，这是流程中发挥主要作用的环节，大量的污染物是通过生物技术去除掉的；再进一步的处理环节就是物理化学技术，比如混凝、过滤、吸附等。 目前，物理技术起预处理作用、生物技术起主要去除作用、物理化学技术负责精细化处理，而纯化学技术一般不应用于市政污水处理，主要应用于工业废水处理。 大多数人的看法是：物理技术很粗放，只能做预处理；化学处理是黑色技术，会产生难以处理的化学污泥，在治理污染的同时很可能会产生新的污染；生物处理技术是绿色的，不产生新的污染物。 毋庸置疑，以活性污泥法为核心的生物处理技术为人类的污水处理做出了历史性贡献，但它占地大、能耗高，要消耗大量建筑材料，按照对污水处理集约化和低碳要求，未必仍是未来的主流技术。我个人看法，物理技术尤其是各种清洁分离技术，在未来的污水处理中有可能发挥更大的作用，而不再只是预处理角色。为什么呢？生物处理技术降解污染物的速率是以小时计，化学技术即化学反应的速率是以分钟计，而物理技术分离污染物的速率是以秒计，如果物理技术发挥更大的作用，污水处理将大大走向集约化。
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  • 《城市地下污水处理厂发展现状及污泥处理分析》
    • 来源专题：农业立体污染防治
    • 编译者：季雪婧
    • 发布时间：2018-12-11
    • 摘要：随着社会经济的发展，我国的水环境污染的问题越来越突出。建设大型污水处理厂可以有效解决水环境污染的问题。为了对水污染的现况进行改善，生活与投资环境得到优化，各地区纷纷建设了不同工艺类型和处理规模的污水处理厂，而且这些污水处理厂大部分采用的是地上式的。城市污水处理的“污水就近处理回用”作为污水厂选址的优先原则具有动迁困难问题。所以能够使污水就近处理回用的地下污水处理厂成为城市污水治理工程建设的发展趋势和方向。基于此，在接下来的文章中，将围绕城市地下污水处理厂发展现状及污泥处理方面展开详细分析，希望能够给相关人士提供参考。 关键词：地下污水处理厂；污泥处理 引言：随着生态文明建设和城市化的不断发展，城市地下污水处理厂已成为地下空间综合利用和可持续发展的重要方向。为此，文章对城市地下污水处理厂发展现状及污泥处理展开分析，具有重要的现实意义。 一、地下污水处理厂建设存在的主要问题 地下污水处理厂尽管得到了很好的发展，但建设过程中仍存在以下主要问题：首先，规划建设要求高，地下污水处理厂的主体构筑物建于地下，一旦修筑完成再进行改扩建的难度将大大增加。因此在工程可行性研究阶段及设计初期，对地下污水处理厂的整体规划建设要求相对更高；其次，设计施工难度大，建设成本高。地下污水处理厂的建设由众多分项工程组成，涉及到地面景观、深大基坑的开挖和支护以及通风照明等，这些分项设施往往会根据实际情况加大规模或建设标准提高。相应的设计及施工不论从量上还是内容上难度大大增加，成本也相应增加；再次，风险因素高。地下污水处理厂有可能出现有毒气体、污水泄漏等情况，一旦发生，后果将非常严重；最后，地面景观设计单一。目前我国污水处理厂地上景观建设相对单一，设计理念也较为落后，大规模进行园林、湿地、休闲娱乐场所和公园等的建设相对较少，总体功能不够完善。 二、国内外城市地下污水处理厂建设现状 国外像芬兰、瑞典、挪威、美国、英国等国家的许多城市地下大型排水及污水处理系统取得了很好的发展。城市地下污水处理厂的发建设已经走过很长时间。瑞典拥有大型的城市地下污水处理厂，其整个排水系统的污水处理厂全部建设在地下，不论处理效率还是规模都是世界领先的。仅斯德哥尔摩市就有大型排水隧道200km。例如KAPPALA污水处理厂的设计通常采用许多平行的洞室来进行水的净化，一般情况下，污水净化要求洞室长300m，过水断面达到100m2，该处理厂的每个洞室均可满足。日本的地下处理厂也多数采用中隧道式，如神奈川县叶山镇污水处理厂等。其占用土地面积较小，节约了大量的土地资源。此外虽然修建隧道造价比较高，但不需基础工程以及回填等，总体费用相差不大。另一方面，隧道密闭的空间对污水排放的有毒气体有着较好的封闭，对环境污染的可能小较小。国内地下污水处理主要是借鉴国外地下污水处理的理念和技术，在国内运用的过程中发现并解决了许多关键性问题，形成了一套自己的理论和技术，并且取得了非常好的效果。例如香港赤柱的地下污水处理厂、深圳布吉污水处理厂、广州京溪污水处理厂以及昆明第十污水处理厂的成功应用都证明了地下污水处理厂在解决污水方面的重要发展地位和巨大的市场潜力。 三、地下污水处理厂污泥处理分析 地下污水处理厂在对污水处理排放后常残留大量的污泥，而这些污泥中存在有大量的污染物，包括有害的重金属、致病物质以及不可分解的化学物质等等。而我国每年绝大多数污水处理厂将产生的污泥直接填埋或者倾倒，不仅污染了生态环境也威胁到人类的生活安全。因此如何合理的处治污泥已成为人们亟待解决的问题[1]。 （一）典型的污泥处理技术 目前国内外常用的污泥处理技术主要包括以下六类：厌氧消化即通过多种微生物进行氧化处理，使高能的有机物转化为低分子的物质，降低污泥的毒性。污泥好氧发酵，主要为在有氧的条件下通过各类菌对污泥进行有机物分解，进而转变为腐殖质。污泥的石灰稳定，即在污泥中加入一定量的石灰，石灰与污泥发生化学反应生成固体化合物，从而钝化重金属。另外化学反应的过程中也将产生大量的热达到杀菌的作用。热干化技术是污泥通过与热媒的传热作用进行脱水的过程。经过热干化后污泥中的微生物基本灭活，干污泥可用作施肥和建筑原料等。此外污泥焚烧以及生物沥浸也是比较常见的污泥处理技术。污泥焚烧能够最大可能的使污泥无害化和减量化，但是工艺要求如污染气体排放等要求较高。生物沥浸主要依靠硫杆菌为代表的特殊菌对污泥进行深度氧化，除去重金属，进而降低污泥毒性。该技术工艺简单成本较低，已在各大污水处理厂得到应用[2]。 （二）工程实际应用 我国某地下污水处理厂一期工程污水处理规模为11万m3/d，污水处理后主要残留的污泥成份为剩余污泥、初沉污泥、水泥区化污泥以及漏失污泥等。经初步统计，污泥量为2346m3/d，污泥含量较大且出产速度较快，因此选择合理的污泥处理技术至关重要。正如前文所述，目前常用的污水处理技术较多，但是选择适合本处理厂的方法需和工程的实际情况如项目的成本、运行情况等相结合，同时进行必要的改进和衍生。根据本项目实际情况初步确定调理压榨污泥干化、污泥加钙干化和生物沥浸干化3种技术进行比选[3]。 （三）对比分析 从污泥处理前后含水率、污泥含固量以及处理前后对环境的影响等技术性能和工程建设运行等的经济费用两个角度对调理压榨污泥干化、污泥加钙干化和生物沥浸干化3种工艺进行对比分析。从技术性能角度分析，调理压榨污泥干化术优于污泥加钙干化技术和生物沥浸干化技术。从经济费用角度，污泥加钙干化技术运行费用最高，但工程费最低，而生物沥浸干化技术工程费最低，运行费最高，调理压榨污泥干化技术则二者相差不大。另一方面考虑到生物沥浸干化与原设计工艺等相较好结合，处理技术以及方式效果等较为符合我国当前环境、法律法规等要求。因此综合分析该处理厂采用生物沥浸干化污泥处理技术[4]。 结论 简而言之，尽管我国城市地下污水处理厂的建设发展日趋成熟，但仍存在一些问题。涉及到规划建设、投资运营以及景观设计等方面。今后的建设中宏观远期合理的规划是根本，时刻保持警惕，防患于未然是重中之重。此外不断创新加强和合理利用地面资源，优化地面景观设计尚待进一步研究和广泛应用。另外，通过对不同污泥处理技术进行对比分析，综合考虑认为生物沥浸干化污泥处理技术比较适用于本地下污水处理厂的污泥处理，研究结果可为类似工程提供一定的参考。最后，城市地下污水处理厂给生态文明的建设和人类环境友好型的发展带来的效益是巨大的。大规模的建设和推广应用将势必是城市今后至未来主要的发展方向，同时随着近年来城市综合管廊和海绵城市的新型崛起，合理的将地下污水处理厂与综合管廊的有效结合也是一个新的技术革命[5]。
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