在双碳战略提出后，如何实现碳达峰、碳中和目标成为各行各业思考的重要议题之一，水务行业也不例外。在“2022（第二十届）水业战略论坛”上，清华大学环境学院教授、国家环境保护技术管理与评估工程技术中心主任王凯军分享了我国污水处理行业碳中和发展技术展望。
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王凯军：水务行业如何实现双碳目标？锚定新技术方得破解之道
来源：中国水网 整理：汪茵
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在双碳战略提出后，如何实现碳达峰、碳中和目标成为各行各业思考的重要议题之一，水务行业也不例外。在“2022（第二十届）水业战略论坛”上，清华大学环境学院教授、国家环境保护技术管理与评估工程技术中心主任王凯军分享了我国污水处理行业碳中和发展技术展望。
王凯军
王凯军表示，水务行业要想在2030年实现碳达峰目标，要从行业政策、污水处理行业难题以及主要社会矛盾三个方面来分析。
首先来看行业政策。王凯军表示，2021年是“十四五”开局之年，目前，《关于加快推进城镇环境基础设施建设的指导意见》、《城镇生活污水处理设施补短板强弱项实施方案》、《关于推进污水资源化利用的指导意见》等关于“十四五”所有的政策几乎都已亮相。可以看出在双碳战略背景下，水务行业缺乏与之配套的针对性政策。然而，纵观我国污水处理行业发展历史上，政策驱动力十分重要，不同阶段顶层政策的出台为行业发展提供了切实动力。
1、在污水处理行业的起步阶段：早期政府贷款门槛较高，限制了行业发展速度。我国发行了第一次国债，刺激了产业的发展。
2、污水处理初期的快速发展期：1998年亚洲金融危机爆发，我国主动发行国债刺激，进行宏观经济调控，这一时期恰逢2002年《城镇污水处理厂污染物排放标准》发布；
3、污水处理行业的高速发展期：“十一五”时期提出COD约束性指标，“十二五”时期提出COD和氨氮约束性指标，这些指标被列入了政府考核目标中，促进了污水处理行业实质性发展；
4、污水处理行业的繁荣阶段：2015年提出“水十条”，2018年发布《城市黑臭水体治理攻坚战实施方案》。在这一时期，水务行业面临双重考核，重压之下，水务行业爆发了巨大的发展潜力。
5、未来，污水处理行业将迎来稳定发展阶段，在这一阶段污水处理率接近100%。
由此可见，要想实现真正的发展需要明确政策驱动，但回顾补短板强弱项、污水资源化等政策，难以看到非常切实的驱动力，这是行业必须认清的现实。
分析完顶层政策，再来看我国水处理行业面临的现实难题。以雨水溢流污染带来的面源污染为例，其很大程度上影响了我国河流断面水质达标率，我国河流断面水质在汛期达标率明显低于非汛期。以北京市通州北运河为例，降雨导致的的面源污染影响较为严重，北运河汛期达标率明显低于非汛期。
针对这一问题，王凯军表示，一方面，正在积极推进与有关部门洽商制定城市面源污染物排放标准。另一方面， 2022年2月，生态环境部发布《关于开展汛期污染强度分析推动解决突出水环境问题的通知》，王凯军认为《通知》中提出的“汛期强度考核排名”会对面源污染治理有比较大的推动力。因为从经验来看，除了政策要求外，以考核结果进行排名这个方法在过去发挥了很大的作用。
2019年起，生态环境部通报全国地表水、环境空气质量，排名结果与区域领导职责挂钩，排名靠后地区的相关责任人甚至被免职，可以说“榜单差生效应”极大地督促了地方政府的环境治理力度。因此，生态环境部发布了汛期污染强度排名榜单，以榜单为抓手，希望发挥排名的倒逼作用，客观反映地方政府水污染防治工作成效和努力程度，并保障公众环境知情权、参与权、监督权，加快推进水生态环境保护，落实地方水污染防治责任。
由此可见，我国水处理行业发展过程中，仍存在一些制度、法规等方面的不足。
现阶段，我国社会主要矛盾已经转化为人民日益增长的美好生活需要和不平衡不充分的发展之间的矛盾。人民日益增长的美好生活需要中就包括了对美好环境的追求。
王凯军举例谈到，2016年水务局对某河道冬泳标语是“游泳请到正规场所”，2021年水务局标语变成“科学文明游泳，共创和谐亲水环境”，这也从侧面说明了水环境的改善和政府管理职能的进步。今年，颐和园外的河道上也出现了游艇、舢板等设施，虽然水务局的态度是不违法但不提倡，但这样的情况越来越多，很多人在下游河段戏水。
这一变化正符合生态环境部水司司长张波提出“有河有水、有水有鱼、人水和谐”。其中，“人水和谐”是强调水生态，思考水与社会的关系，反映了现阶段的人民群众的主要追求。
理想很美好，但现实问题仍要面对。截至目前，我国在污水处理领域的投资缺口仍然较大，水业的发展刚刚处于起步期。
综合上述情况，王凯军判断，中国水务行业要在2030年实现碳达峰，仍存在一定困难。
今年初，国内成功举办冬奥会，并对外称这是第一次“零碳冬奥”。王凯军分析，虽然冬奥会在场馆方面为实现零碳付出了各种努力，但实际上，在冬奥会场馆中真正做到绿色低碳东西是非常有限的，场馆本身采用的可以实现零碳的技术和手段其实很少，主要还是通过外界技术手段达到零碳目的。
丁仲礼院士提出，要实现碳中和，要经历四步减排路径：第一步“控碳”，到2030年，二氧化碳排放总量控制在100亿吨之内；第二步“减碳”，到2040年，争取排放总量控制在85亿吨之内。基本完成交通和建筑领域低碳化改造，工业领域全面推广用煤/石油/天然气＋氢＋电取代煤炭的工艺过程，推广无碳新工艺；第三步“低碳”，到2050年，碳排放控制在60亿吨。建筑和交通领域达到近无碳化，工业基本完成低碳化改造；第四步“中碳”，到2060年，碳排放总量控制在25—30亿吨。火电控制在10亿吨，除交通和建筑领域外，工业领域也全面实现低碳化。
要完成这四个阶段的目标，水务行业具体该如何做呢？
王凯军介绍，当前在水务行业中，有两个助力实现低碳目标的主流观点：一，污水处理行业采用绿色电力，可直接“躺平”；二，与其他行业一样，考虑工业绿色转型，解决攻克转型中的关键技术，并考虑清洁能源替代、资源循环利用等因素。第二种途径需要行业为此做更多工作，付出更多努力。
王凯军表示，他个人不太赞成“奥运场馆模式”，也不太赞成全部采用绿色电力，自然躺平的模式。从国家角度来说，双碳战略是重大决策，还被纳入了生态文明建设的整体框架，在这一框架下，双碳战略被赋予了更深刻的内涵。他认为在双碳战略下，以什么途径实现碳中和是关键性的问题。在这一过程中，企业要主动面对经济结构转型升级的迫切需求而转型，要顺应技术进步趋势，推动技术能效提升。还要树立企业低碳、可持续发展的形象，迎接新的市场机遇，升级企业盈利模式，将碳交易变现为碳资产。
王凯军介绍，水务行业有两大与双碳战略相关的热门技术。一个是厌氧氨氧化技术，Marc
Strous在《Science》发文称，污水处理厂如果使用主流厌氧氨氧化技术，可产生44.4%的能量，实现能源自给，就完全可以成为 “碳中和”污水厂；另一大技术是好氧颗粒污泥工艺，可以减少70%的占地和30%的能耗。
这两大技术都是污水处理领域中起到革命性作用的工艺，但是否能引领21世纪污水处理行业的发展呢？
厌氧氨氧化工艺
王凯军表示，在主流厌氧氨氧化工艺发明之后，DEMON ® hydro-cyclones、Paques ANAMMOX ® process、ANITA™Mox/AnoxKaldnes™ MBBR等工艺都开始大规模中试或生产性的试验，但在这个过程中，产生了一些问题。
目前最有希望的DEMON ® hydro-cyclones工艺无法定量描述和控制anammox在主流脱氮中去除率。王凯军曾参观Dokhaven地下污水处理厂改造项目，该项目A段出水采用厌氧氨氧化颗粒污泥，在运行过程中，随着时间，悬浮物和COD波动，厌氧氨氧化颗粒污泥出现了解体现象。王凯军团队曾两次邀请该厂管理者来中国一起进行中试，但也遇到了类似问题，这是在现有技术框架下不太容易解决的问题。
在双泥龄主流高效复合脱氮技术问世后，王凯军等也在国家项目下进行了中试，取得了比较好的效果，并且在首创环保集团2万吨/d的污水处理厂和雄安容东片区4万吨/d的再生水厂都采用了双泥龄主流高效复合脱氮技术。但在运营过程中，出现了两个问题：一是MBBR的搅拌和吹扫的能耗大大地抵消了厌氧氨氧化节约的能源，二是外回流（100%）和内回流（200%）稀释造成的低浓度，增加了厌氧氨氧化对亚硝化的控制难度。这一技术工艺仍然具有优势，但如果无法节能，就不符合“双碳战略”的大背景，产生一系列问题。
好氧颗粒污泥工艺
好氧颗粒污泥工艺具有许多优势，最突出的优势是可节约70%的占地面积，因为土地资源具有不可再生属性，是可持续发展中的重要内容；好氧颗粒污泥工艺的反应器形式是序批式，不需要回流，可高效节能30%以上；此外，好氧颗粒污泥工艺出水水质良好，其出水TN可低于4mg/L，TP仅为0.3 mg/L，是非常有希望的工艺。
北控工业环保龙游项目三期采用好氧颗粒污泥技术，占地面积仅为一期、二期的三分之一左右
虽然有以上优势，但好氧颗粒污泥工艺仍存在一定的局限性，好氧颗粒污泥工艺只是有限的节能，与碳中和目标仍存在加大差距，因此，（连续流）好氧颗粒污泥在碳减排上的优势有限。
分析以上两大工艺的优缺点之后，王凯军总结，厌氧氨氧化工艺和好氧颗粒污泥工艺这两个20世纪以来重大的技术进步在实现碳中和的道路上能提供的支撑较为有限。
王凯军认为，污水处理行业在碳中和目标下的技术发展方向需考虑以下四点：
1、资源化：行业需要重视资源的循环利用，特别是N、P等营养物的回收。目前所有污水处理工艺都没有对N进行回收，N和P的回收与可持续发展相关，必然是下一步的重点。
2、碳中和：要降低能耗和物耗，实现减污降碳。将双碳目标纳入生态文明框架进行考量，就应当重视这一点。
3、智慧化：污水处理技术要增强在信息化管理、自动化控制、数字化模拟、智能化系统等方面的实力。
4、生态文明：做到和谐共生、良性循环，全面发展、持续繁荣。
然而就双碳目标而言，当前的工艺技术都难以真正实现碳中和目标。
为破解碳中和难题，比利时根特大学的Willy很早就提出资源全回收的“零排放”方向，他的上游浓缩概念提出了多种物化浓缩技术，如气浮、动态快速砂滤、膜技术、生物吸附(A-B工艺)等，假设在污水进厂时将其浓缩起来，改变污水处理的方向，与一些工艺相结合形成再生水；浓缩液经过厌氧消化形成沼气等能源，产生的二氧化碳可以利用于农场；富氮的污水、污泥碳化形成生物碳，产生物质资源。
王凯军分析，这一思路确实为碳中和目标的实现提供了新的途径，并会让污水处理工艺格局发生颠覆：1、假设污水厂进水浓缩率能＞90%，就彻底改变了能量流和物质流方向，将改变污水处理工艺格局；2、改变能量流和物质流的方向后，出水只剩下非常少量的氨、氮，COD被去除了，不再是问题。在这一情况下，就需要重新思考、打造低浓度氨氮资源回收技术；3、厌氧产能超过需求。针对产生的浓缩液，要大力开发回收碳源、资源的技术；
从定量角度来说，膜浓缩工艺可去除90%的COD，并且比传统活性污泥工艺回收的能源高出3倍左右，做到能源自给，实现碳中和。
沿着膜浓缩工艺这一路径，可以将污水厂变为水源工厂、能源工厂、肥料工厂。
王凯军在发言最后总结道，沿着过去的技术路线很难实现碳中和目标，要瞄准新的技术路径方有机会实现碳中和。另外，在技术路径的探索过程中切忌“躺平”，否则将被他人超越，面临淘汰！
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