中国污水处理减排潜力研究报告

1 行动起来，实现低碳污水处理 中国污水处理行业碳减排路径及潜力研究 赛莱默公司 中国人民大学 环境学院 中国人民大学低碳水环境技术研究中心 目录 寄语 . 3 前言 . 5 一、 中国污水处理设施的规模 . 6 二、 污水处理行业的碳排放水平 . 6 1、 全球污水处理行业的总体碳排放水平 . 6 2、 中国污水处理行业的总体碳排放水平及特征 . 7 三、 中国污水处理行业碳减排路径 . 9 1、 提污水处理综合能效 . 9 （ 1）采用高效机电设备 . 9 （ 2）加强负载管理 . 10 （ 3）建立需求响应机制 . 10 2、 大力回收能源 . 11 3、 探索可持续新工艺 . 12 四、 中国污水处理行业碳减排潜力 . 12 1、 中国污水处理行业碳减排现实可得潜力（ . 13 （ 1） 提高污水处理综合能效的现实可得潜力 . 13 （ 2） 大力回收能源的现实可得潜力 . 13 （ 3） 全行业碳减排现实可得潜力 . 14 2、 中国污水处理行业碳减排最大可得潜力（ . 14 五、行动起来，实现低碳污水处理 . 15 1、 贯穿生命周期成本理念，低碳建设或改造污水处理设施 . 错误 !未定义书签。 2、 构建行业清洁生产评价管理体系，低碳运营污水处理设施 . 错误 !未定义书签。 3、 构建低碳发展的政策体系，实现低碳污水处理 . 错误 !未定义书签。 3 寄语 吕淑萍 赛莱默公司中国总裁 作为一家 富有使命感和献身精神的企 业公民，赛莱默从研发、制造到销售的各个环节着手，不断构建更加高效低耗、绿色环保的产品供应链。 在全球层面 ，我们把赛莱默公司水处理解决方案、流体系统和分析仪器三条核心生产线的生产效率提高了 3%，折算每年减排 75,000 吨二氧化碳，相当于 15,715 辆汽车一年的碳排放。 面对 全球变暖的严峻形势，赛莱默郑重承诺 : 到 2019 年，公司将通过持续努力，在现在基础上，继续减少 20%的碳排放量，展示履行企业责任 、 做优秀企业公民的实力和信心。 作为全球最大的污水处理解决方案提供商，赛莱默公司始终关注中国污水处理事业的发展，借助 全球领先的技术、装备 、 经验和综合解决方案，为降低污水处理能耗 、 提升行业效率不断努力。 赛莱默公司曾在第十届中国城镇水务发展国际研讨会上发布了全球污水处理行业碳排放报告。今年，赛莱默公司非常高兴地与中国人民大学环境学院联合开展了中国污水处理行业碳减排潜力及减排路径的研究， 希望藉此报告 的发布，能为中国城镇污水处理行业的低碳发展提供借鉴，也期待与政府、产学研各界同仁一起努力，共同为污水处理行业的碳减排做出贡献，助力中国的可持续发展！ 4 王洪臣 中国人民大学教授、博士生导师 中国人民大学环境学 院副院长 中国人民大学低碳水环境技术研究中心 主任 尚川（北京）水务有限公司 特别顾问 联合国政府间气候变化专门委员会（ 新发布的第五次评估报告气候变化 2013：自然科学基础提出了明确而有力的结论：（ 1）大气和海洋已变暖，积雪和冰量已减少，海平面已上升，观测到的变化幅度在上千年时间里都是前所未有的；（ 2）在 95的置信度下，人类活动是变暖的主要原因，亦即，人类活动排放的温室气体（ 体上导致了全球变暖。因此，控制温室气体，减少碳排放，已经刻不容缓。国际社会呼唤所 有国家、每一个企业，乃至每一个公民，都应投身到碳减排的具体行动中。 污水处理在控制水污染中发挥着决定性作用，但同时又是重要的碳排放源。目前，“以高能耗高物耗为基础的优质出水”以及由此带来的“减排水污染物，增排温室气体”现象似有加重趋势。应该看到，在获得良好处理效果的前提下，挖掘所有潜力降低能耗物耗、最大程度地减少碳排放，实现低碳污水处理，是污水处理行业可持续发展的必然方向。 作为环境领域的 一名 研究 人员， 我非常高兴 地 看到有像 赛莱默这样的企业，他们除了为社会提供优良装备，还时刻关注气候变化这样宏观的问题，把碳减 排作为企业的责任，把减排理念融入到为客户提供的每一个解决方案之中。我们联合发布这样一份报告，旨在呼吁行业各界行动起来，关注碳排放、控制碳排放，为中国污水处理事业的可持续健康发展贡献绵薄之力 ! 5 前言 全球变暖导致极端天气事件频发、生态系统退化，是人类当今面临的最大挑战之一。在这样的背景下，国际社会积极采取行动，应对气候变化。 不久前，第 21 届联合国气候变化大会通过了巴黎协定，对全球应对气候变化行动作出安排，各方承诺将尽快实现温室气体排放不再继续增加，并每隔 5 年重新设定各自的减排目标，使人为碳排放量尽早 降至森林和海洋能够吸收的水平。2016 二十国集团 (州峰会前夜，中美两国同时宣布批准巴黎气候变化协定，表明中美两个大国将与各国一道，共同积极应对全球气候变化。作为应对气候变化的负责任大国，中国承诺到 2020 年单位国内生产总值二氧化碳排放比 2005年下降 40% 45%，到 2030 年下降 60% 65%。要实现这一目标，需要每个行业都积极行动，降低碳排放。 污水处理是重要的碳排放行业，亟需系统全面地开展碳减排工作。首先，污水处理是高能耗行业，高能耗将导致大量间接碳排放。其次，污水处理过程中会产生并逸 散大量 2O，是重要的碳排放源。据美国 测，到 2030 年，全球污水处理 2O 逸散量将分别超过 6 亿吨和 1 亿吨二氧化碳当量， 约占非二氧化碳 总 排放量的 中国污水处理行业有多大的碳减排潜力？通过哪些 路径可以 释放 污水处理碳减排潜力？ 为了 寻找这些答案， 赛莱默公司与中国人民大学环境学院联合开展研究，梳理了发达国家以及 国际组织的碳排放核算方法及减排路径，实地调研了华北地区、华东地区、华南地区、东北地区和西北地区典型污水处理厂的碳排放水平，参考国际减排经验，分析了行业减排潜力，探讨了 可行减排路径，提出了污水处理厂减排的工作程序与规范，期望对中国污水处理行业碳减排技术体系的建立有所帮助。 6 一、 中国污水处理设施的规模 经过 “ 十一五 ” 和 “ 十二五 ” 时期的高速建设， 中国 城镇污水处理设施已经形成规模化的处理能力， 见图 1止 2015 年 底 ， 全国 设市城市 和 县 城 建成并投入运行污水处理厂共 3830 座，日处理 能力 达 立方米， 超过了美国 33240处理能力。 2015 年全年实际处理污水 511 亿立方米。另外，建制镇和乡村污水处理设施建设进度也逐渐加快。 图 1国 城镇污水处理 能力“十二五”期间的增长趋势 二、 污水处理行业的碳排放水平 1、 全球污水处理行业的总体碳排放水平 污水处理在水污染控制中发挥着决定性作用，但同时也是重要的碳排放行业。 据 欧洲 统计办公室（ 2014 年欧洲统计报告， 污水处理与固体废弃物处理组成的废物处理行业是第五 大碳排放行业， 占全社会总碳排放量的 见表 2 表 2洲的主要碳排放行业 010020030040050060070005001 0 0 01 5 0 02 0 0 02 5 0 03 0 0 03 5 0 04 0 0 04 5 0 05 0 0 02 0 1 1 2 0 1 2 2 0 1 3 2 0 1 4 2 0 1 5中国城镇污水处理能力“十二五”期间的增长趋势污水处理厂座数 ( 座） 水量（亿吨 / 年）（座 / 年）（亿吨 / 年）7 行业 碳排放占全社会百分比 燃料燃烧和短时排放 输业 业和制造业 业 水与废弃物处理 他行业 水处理碳排放包括间接排放和直接排放。污水处理 是社会中较小的行业，但属于能源密集型行业，美国、德国、日本等 国家污水处理行业电耗 占全社会总电耗 的 1%左右 ，高能耗导致大量间接碳排放。污水处理过程会产生并逸散大量 重要的直接碳排放源。美国 计 预测 ，全球污水行业 2015 年 2吨和 吨二氧化碳当量，预测 2020 年将分别达到 吨和 ， 2030 年将分别超过 6 亿吨和 1 亿吨二氧化碳当量， 约占非二氧化碳 总排放量的 总体上，污水处理行业碳排放量占全社会总排放量的 1% 2%之间。 2、 中国污水处理行业的总体碳排放水平及特征 基于各地区代表性污水处理厂典型工艺运行数据分析及实际监测，按照 步计算， 2015 年全国污水处理逸散 2O 产生的直接碳排放量为 吨 耗产生的间接碳排放量为 吨凝剂消耗产生的间接碳排放量为 吨 上， 2015 年中国污水处理行业碳排放量为 吨 位水量的碳排放当 量（碳排放强度）为 kg/ 中国污水处理行业碳排放地域特征明显，见图 2重点调研的华南、华东、东北、华北和西北五大地区中，华北地区碳排放强度高达 kg/华南地区的二倍。碳排放强度与污水浓度密切 相关。 8 图 2国五大地区污水处理碳排放强度（ kg/ 2015 年，中国污水处理行业总电耗为 140 亿 远低于西方国家 1%的比例。主要原因有：污水收集系统不完善导致污水收集处理率较低 、 污水浓度也较低 、 处理标准总体不高以及污泥处理处置滞后 等。随着收集系统的完善 、 提标改造的实施 以及污泥处理处置率的提高，污水处理电耗将逐年升高。“十二五”期间，污水处理电耗 年平均增加 见图 2随着城镇化率、污水处理率、污泥处理处置率不断提高以及排放标准的提高，污水处理电耗还将进一步增加，应及早采取措施提高行业能效，降低间接碳排放。 图 2国城镇污水处理 “十二五”期间 间接碳排放量变化趋势 9 三、 中国污水处理行业碳减排路径 与能源、建筑、交通等行业相比，污水处理减排成本低，减碳效益大。发达国家意识到污水处理行业蕴含的 高效减排潜力，将其列入碳减排重点领域，并探索出了一些可行的碳减排路径。美国和日本强调通过高效机电装备和高级控制对策节能降耗，同时加大污水污泥蕴含能源的开发回收力度。加拿大着力开发运营优化技术，目前已形成较完善的污水处理运营优化技术体系。欧洲重视低碳处理新工艺研发，在可持续污水处理工艺研究方面居于领先水平。西方国家的经验为寻找中国污水处理行业的碳减排路径提供了很好的借鉴。 1、 提 高 污水处理综合能效 美国在供水和污水处理行业提出三个层面的能效提高路径：一是采用高效机电设备（ 新建设施直接采购高效设备，已有设施逐步更新成高效设备；二是加强负载管理（ 满足工艺要求的前提下要使负载降至最低，同时，设备配置要与实际荷载相匹配，避免“大马拉小车”；三是建立需求响应机制（ 根据实际工况的需求及其变化，动态调整设备的运行状态。 （ 1） 采用高效机电设备 污水处理机电设备主要包括水力输送、混合搅拌和鼓风曝气三大类。采用高效电机是这些设备具有较高机械效率的前提，目前污水行业的水力输送和搅拌设备均已经出现具备 效水平 的高效电机，采用高效电机通常可实现 5%效率提高。 水力输送设备的水力端设计是关键， 水力端需具备 无堵塞 持续高效的特点 ，无堵塞技术可 避免通道容量减少降低效率 或 长期超负荷运行烧毁电机。 持续高效可确保电机长期高效运行，先进的水力端设计可以实现水力输送设备全生命周期节省7%能耗，而且介质条件越恶劣，其节能效果相对会越明显。 混合搅拌设备的水力端设计同样关键，采用后掠式叶片设计可以提供额外的自清洁功能，使搅拌器具有良好的抗缠绕性能，从而避免搅拌效率降低甚至烧毁电机的风险。 鼓风曝气包括鼓风机和曝气 器两部分。容积式鼓风机虽然购置费用较低，但机械效率很低，应尽量避免采用。单级高速离心式鼓风机效率很高，且技术进步很10 快，采用空气悬浮或磁悬浮等高速无齿技术，可使电机与风机实现“零摩擦”驱动，实现超高速运行，显著提高机械综合效率及效益。不同材质不同结构形式的曝气器氧传质性能差别很大，采用抗撕裂 、 抗老化 、 寿命长的新型高分子聚氨酯材料以及超微孔结构设计的曝气产品具有充氧性能高 、 运行稳定 和 调节品质好的特征。另外，混合曝气、逆流曝气、限制性曝气、全布曝气都是可以采用的高效曝气形式。在进行曝气器数量的选择时应综合考虑水厂 水质水量波动情况和鼓风机性能参数，使其在最优单头通气量范围内工作，也可明显提高充氧性能。 （ 2） 加强负载管理 污水提升以及污泥回流等单元的水力输送设备常由于流量级配不合理、扬程选择偏大，使设备绝大部分时段在低效工况运行，应予以改造。 由于担心污泥沉积，混合搅拌设备的设计搅拌功率同样普遍偏大，实际处于过度搅拌状态，导致电耗增加，准确把握搅拌器与介质之间力和能量的传递非常关键，而采用推力作为搅拌器的选型依据（ 准），可以准确衡量实际工况所需搅拌器的大小，有效避免此类电耗的浪费。 随着脱氮除磷要求 的日益严格，污水处理过程需要搅拌器数量也越来越多，成为不容忽视的耗电环节。当设置潜流推进器时，优化推进器和曝气系统的位置和距离，可以使系统的能量损失最小。当推进器距离上游曝气器不小于一倍水深，并且推进器距离下游曝气器不小于水深和廊道宽度的最大值时，推进器和曝气系统最为稳定，能耗最低。高效的潜水推进器配合好氧池的池型优化设计，可以降低池内阻力损失 、 减少推进器的功率需求，实现能耗降低。曝气系统的电耗约占污水处理总电耗的 50%是加强负载管理的重点。设计基于稳妥的目的，常使鼓风机风量级配不合理、出风压力选 择偏大，使之绝大部分时段在低效工况运行。鼓风气量偏大或曝气器数量偏少都将导致单位曝气器气量过大，造成充氧转移效率降低、阻力增大，降低能效。另外，曝气器堵塞后如不能及时清洗，也会增加阻力损失，增大能耗。 （ 3） 建立需求响应机制 建立需求响应机制就是实现各单元以及全流程的优化运行。目前，污水行业已经出现 感应式调速和线性调速 的水力输送和搅拌设备，此类设备内置智能控制系统，可以有效优化水力输送和搅拌系统的整体运行情况，实现节能降耗。 11 高效的水力输送设备内置专业为水力输送系统设计的智能控制系统，可以自动进行设备自清洗 ，泵坑自清洗和管路自清洗，可以自动调节设备运行频率达到系统的能耗最低点。额外的控制系统甚至可以优先启动效率最高的水泵，可以根据整个输送管网的波峰波谷自动切换控制模式，从而发挥泵站的蓄水能力，减少对管网的冲击，使输送泵站与水厂协同运行。 混合搅拌设备内置智能控制系统可实现搅拌器推力可调， 当由于工 况 变化所需推力降低时，搅拌器通过降低转速满足工况需求，同时节省能耗；当所需推力升高时，搅拌器通过提高转速满足工况需求，避免设备增加或更换 。 采用内置智能控制系统的水力输送设备和搅拌器，在特定工况条件下，与传统设备相比， 甚至可以节省 50%以上的能耗。 目前，前馈、反馈、前馈 以实现按需供氧，避免不必要的电耗。先进的曝气控制系统可在满足处理要求的前提下将鼓风曝气量动态降至最低，大幅度降低能耗，同时还能提高曝气器的氧利用率。设置高效 推进器 潜流推进器， 使池内介质 保持一定 的流速，可在满足工艺实际需的前提下进一步降低鼓风曝气量时，避免混合液发生沉积。另外，介质保持一定的流速，可使 气泡在水中有 更 长的停留时间， 进一步 提高系统的氧转移效率。 应定期调节污泥回流比，在满足污泥回流量的 前提下，使之降至最低，实现节能降耗的同时提高出水水质。通过微波含固量在线测定技术，可以实现污泥脱水单元加药量的前馈或反馈控制，降低絮凝剂的消耗量，减少间接碳排放。 2、 大力回收能源 污水中蕴含着大量的能量，理论上是处理污水所需能量的很多倍。污水经处理后，其中的能量大部分转移到了污泥中，因此开发回收污泥中的能量具有极大的潜力。污泥能源化主要集中在厌氧方向，污泥厌氧能源化包括厌氧发酵产乙醇、厌氧发酵产氢和厌氧消化产甲烷三个技术路径。产乙醇技术虽然成熟，但能源转化率较低。产氢技术目前仍存在反应器放大的困难 ，制约生产性应用。实践中普遍采用的是厌氧消化技术。传统厌氧消化技术能源转化率在 30%而高级厌氧消化技术（ 提高到 50%高级厌氧消化技术包括高温厌氧消化、温度分级厌氧消化（ 酸 泥预处理技术近年来进展较快，具体包括热水解、超声细胞破碎、微波细胞破碎、生物酶水12 解、聚焦电脉冲和化学细胞破碎等技术，目前应用较多的是热水解技术，这些预处理技术可使厌氧消化的能源转化率进一步提高。传统厌氧消化技术可使污水处理实现 20%能源自给率，预处理 、 高级厌氧消化 、 涡轮发动机或燃料电池以及热电联产（ 技术的耦合使用，有望使污水处理实现 30%能源自给率，及大大降低间接碳排放量，又降低甲烷产生并逸散导致的直接排放。 3、 探索可持续新工艺 基于有机污染物去除的可持续污水处理新工艺主要是厌氧处理技术，能耗低，且可回收能源。高浓度有机废水的厌氧技术已成熟，但城市污水有机物浓度低，厌氧处理存在投资大和占地大等障碍。 目前，城镇污水厌氧处理方向研究的热点是厌氧膜生物反应器 传统厌氧工艺相比，可大幅度减少占地， 但技术成熟度离生产性应用尚存在差距。 另一类可持续污水处理工艺是低能耗、低碳源消耗的脱氮工艺，有很多种类，但主要包括基于短程反硝化原理的 艺和基于厌氧氨氧化的艺。与传统的 艺相比， 节约 25%的能耗、 40%的碳源消耗，而 艺可节约 60%的能耗、 90%的碳源消耗。目前， 高浓度氨氮污水处理中已较成熟，在污泥回流液处理中已有一批成功案例。在典型城镇污水处理上虽有进展，但离实际应用仍有差距。 未来革命性的可持续污水 处理工艺方向是碳氮两段法：首先对污水中的有机物进行分离，分离出的污泥通过厌氧消化产生 对污水直接进行厌氧处理产能，分离后含有氨氮的污水通过主流厌氧氨氧化进行脱氮。按照 B. 人的理论估算，采用现在的活性污泥法，处理 1 人口当量的污染物需要耗电 44 瓦时，而采用上述碳氮两段法，处理 1 人口当量的污染物将产生 24 瓦时能量，从而使污水处理厂真正成为“能源工厂”，且污泥产量仅为活性污泥法的四分之一。 四、 中国污水处理行业碳减排潜力 碳减排潜力包括现实可得潜力（ 和最大可得潜力（ 前者是指在现有的技术经济条件下可以挖掘的潜力，后者是通过可预见的技术经济进步未来能够挖掘的潜力。 13 1、 中国污水处理行业碳减排现实可得潜力（ （ 1） 提高污水处理综合能效的现实可得潜力 提高污水处理综合能效可以挖掘第一部分现实可得潜力。目前，我国污水提升泵站水泵普遍存在级配不合理 、 扬程偏大 、 没有变频装置及自动编组控制等现象，按照国际经验及国内已有成功改造案例，通过采用高效机电设备、加强负载管理和建立需求 响应机制等路径，可实现 20% 50%的减排潜力。对于混合搅拌单元，普遍存在搅拌器机械效率低、功率输入大、过度搅拌等现象，按照国际经验及国内已有成功改造案例，通过采用高效机电设备、加强负载管理和建立需求响应机制等路径，可实现 20% 40%的减排潜力。对于曝气系统，普遍存在鼓风机出口压力过大、曝气器效率低、未设置曝气控制系统等状况，按照国际经验及国内已有成功改造经验，通过采用高效机电设备、加强负载管理和建立需求响应机制等路径，可实现 20% 30%的减排潜力。对于污泥脱水单元，只有自控溶药装置，目前还没有投药量控 制系统，按照国际经验及国内已有成功改造经验，通过采用高效机电设备、加强负载管理和建立需求响应机制等路径，可实现 20% 30%的减排潜力。综上，在 2015 年基础上， 通过 提高污水处理综合能效 ， 每 处理 万吨 污水 可挖掘的现实可得潜力为 二氧化碳当量，见表 4 表 4015 年 中国 污水处理 行业间接碳排放量在各单元的分布 工艺单元 2015 年碳排放当量 /万吨 减排潜力 减排 比例 /100% 减排量 /万 吨 污水 提升泵站 0% 50% 流搅拌（含回 流） 0% 40% 气池供氧设备 0% 30% 泥处理 0% 30% 计 （包括电耗与药耗） 0% 35% 2） 大力回收能源的现实可得潜力 提高污水处理综合能效可以挖掘第二部分现实可得潜力。美国年产污泥 750 万干吨，建设了 650 座集中厌氧消化设施，将 58%的污泥进行了厌氧消化。设置 7614 套热电联供系统（ 总装机装机容量 220 兆瓦，且正在迅速增加。欧 盟国家年产污泥 800 万干吨， 50%以上进行了厌氧消化，英国厌氧消化率达到 66%，总体能源自给率约 20%。目前，我国年产污泥约 540 万干吨，仅有不到五十座消化设施，厌氧消化率不足 5%， 存在较大 能量开发与回收空间，由此可挖掘的碳减排潜力