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碳中和:低碳減排vs污水處理
有關(guān)氣候變化的《巴黎協(xié)定》的長期目標(biāo)是將全球平均氣溫較前工業(yè)化時期上升幅度控制在2℃以內(nèi),并努力將溫度上升幅度限制在1.5℃以內(nèi),該協(xié)定由178個國家共同于2016年4月22日簽署,同年11月4日生效。協(xié)定簽訂后,締約國均已制定了各自的碳中和時間表,其中,歐盟一致目標(biāo)為2050年;其它大多數(shù)國家(包括周邊的韓國、日本)亦基本按2050年制定達(dá)標(biāo)時間表;也有少數(shù)國家根據(jù)自身發(fā)展情況又制定出更早的完成時間目標(biāo)。
2020年12月12日,國家主席習(xí)近平在紀(jì)念《巴黎協(xié)定》簽訂5周年的氣候雄心峰會上發(fā)表“繼往開來,開啟全球應(yīng)對氣候變化新征程”的重要講話,承諾到2030年,中國單位國內(nèi)生產(chǎn)總值二氧化碳排放將比2005年下降65%以上,努力爭取2060年前實(shí)現(xiàn)“碳中和”。這是中國致力于自身生態(tài)文明建設(shè)的戰(zhàn)略舉措,也是中國愿為人類社會發(fā)展做出新貢獻(xiàn)的重大宣示。但是,面臨日益復(fù)雜的國際形勢,中國如何規(guī)劃完善低碳發(fā)展路徑,通過何種手段實(shí)現(xiàn)“碳中和”,是一項(xiàng)非常緊迫和充滿挑戰(zhàn)的任務(wù)。
污水處理行業(yè)對全球溫室氣體的總貢獻(xiàn)率雖然僅占2%~5%,但亦不可小覷,同樣也面臨著碳減排甚至碳中和的壓力。污水處理實(shí)現(xiàn)碳中和途徑無外乎也是直接利用清潔能源或間接通過特殊手段補(bǔ)償碳排放。清潔能源包括太陽能、風(fēng)能、潮汐能等,但清潔能源受地理位置、場地、光照等限制不適用于大多數(shù)污水處理廠;例如,太陽能光伏發(fā)電板即使鋪滿整個污水處理廠最多也就能彌補(bǔ)不到10%的污水處理能耗。間接手段如植樹造林(吸收CO2)也不是一般意義上的污水處理廠分內(nèi)之事。
因此,污水處理碳減排只能從營養(yǎng)物去除過程或污水潛能入手,通過減少能耗、藥耗使用或挖掘污水蘊(yùn)含能量來實(shí)現(xiàn)。能耗、藥耗節(jié)省固然對節(jié)能減排有著積極的意義,但距離碳中和目標(biāo)還相差甚遠(yuǎn)。
就污水中蘊(yùn)含的潛能而言,傳統(tǒng)上剩余污泥厭氧消化被寄予希望,它不僅可獲得有機(jī)能量(CH4)亦可以實(shí)現(xiàn)污泥減量。然而,有機(jī)能量與進(jìn)水中有機(jī)物(COD)含量多寡有關(guān),再加上剩余污泥中細(xì)胞結(jié)構(gòu)、木質(zhì)纖維素以及腐殖質(zhì)等成分影響,污泥中溫厭氧消化的能源轉(zhuǎn)化率一般很難超過50%。能量平衡計(jì)算表明,進(jìn)水COD為400mg/L的市政污水在完成脫氮除磷目的后,產(chǎn)生的剩余污泥經(jīng)中溫厭氧消化產(chǎn)CH4后熱電聯(lián)產(chǎn)(CHP),僅有13%的理論化學(xué)能可實(shí)現(xiàn)回收(表2),約合0.20kW·h/m3(污水)電當(dāng)量。如果污水處理能耗為0.40kW·h/m³(污水),這意味著進(jìn)水COD理論上至少需要800mg/L方能滿足碳中和目標(biāo)。盡管國外存在將廠外有機(jī)固體廢物(如,廚余垃圾)與污泥共消化實(shí)現(xiàn)污水處理廠碳中和的例子,但這種借助外部有機(jī)物轉(zhuǎn)化能源的方式并非真正意義上的污水處理自身碳中和。因此,污水處理碳中和需要尋找有機(jī)能源之外的其它潛能,特別是對中國市政污水COD濃度普遍低下(100~300mg/L)情況。
事實(shí)上,污水中亦蘊(yùn)含著巨大的余溫?zé)崮埽耆梢越逅礋岜眉夹g(shù)將其中的熱或冷交換出來。污水熱能計(jì)算表明,如果提取4℃溫差,實(shí)際可產(chǎn)生1.77kW·h/m3(熱)電當(dāng)量和1.18kW·h/m3(冷)電當(dāng)量。顯然,污水余溫?zé)崮茌^有機(jī)能而言潛能是巨大的。換言之,若將有機(jī)能與熱能看作為污水潛能總和,兩者占比分別為10%和90%。熱能不僅能完全滿足污水處理自身碳中和需要,而且多余熱能還可用于污泥低溫干化或場外供熱、輸冷,完全可以通過日趨成熟的碳交易市場換取可觀且能夠變現(xiàn)的碳交易額。
《科學(xué)美國人》聯(lián)合世界經(jīng)濟(jì)論壇,評選出了2020年全球十大新興技術(shù),其中4項(xiàng)與“碳中和”有關(guān)。它們分別是:
①讓二氧化碳變成可用材料;
②給飛機(jī)換上電動推進(jìn)器;
③新技術(shù)使水泥更低碳;
④電解的綠色氫能。
污水處理行業(yè)的“碳中和”
總之,碳中和成為國際共識,各行各業(yè)很快將不得不面臨這一艱巨任務(wù)。但是,就污水處理而言,實(shí)現(xiàn)碳中和并非難事,也不存在技術(shù)上的阻礙。只要更新理念,污水處理廠便可輕而易舉華麗轉(zhuǎn)身,變成真正意義上的“能源工廠”。
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