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雙碳目標下城鎮污水處理的智慧化、資源化新業務發展啟示

       2020年,習總書記強調,要把碳達峰、碳中和納入生態文明建設整體布局。2021年,《中華人民共和國國民經濟和社會發展第十四個五年規劃和2035年遠景目標綱要》指出“完善水污染防治流域協同機制,加強重點流域、重點湖泊、城市水體和近岸海域綜合治理,推進美麗河湖保護與建設,化學需氧量和氨氮排放總量分別下降8%,基本消除劣Ⅴ類國控斷面和城市黑臭水體。” 基于此,城鎮污水處理行業將向著可持續發展的目標前進,以緩解生態環保壓力,為加快建設美麗中國奠定基礎。

       背景與現狀

       十三五期間全國地表水總體水質狀況

       十三五期間,全國地表水監測的水質斷面(點位)中,Ⅰ-Ⅲ類水水質斷面逐步上升,劣Ⅴ類水逐步下降,如下圖,可以得到,十三五末期的Ⅰ-Ⅲ類水占比已達83.4。

十三五期間全國地表水總體水質狀況

       近年廢水中主要污染物排放情況

       根據2013-2017年《中國統計年鑒》,我國廢水排放總量保持在700億噸,其中廢水中COD、氨氮(NH4+)、總氮(TN)、TP排放量如下圖,可見2015年國務院發布了《水污染防治行動計劃》(簡稱“水十條”)后,這幾種污染物排放量得到了削減。

近年廢水中主要污染物排放量

       注:其中2015、2016年數據為初步數。2015年“水十條”指出了敏感區域(重點湖泊、重點水庫、近岸海域匯水區域)城鎮污水處理設施于2017年底前全面達到一級A排放標準。

       行業發展歷程

       Q:1、建國以來中國污水處理行業歷經了怎樣的發展過程?

       Q:2、面向未來的污水處理行業將走向何方?

我國污水處理行業發展過程

       Q:目前存在哪些機遇與挑戰?

       中國已形成全鏈條、規模龐大的污水行業,污水管理模式也從單一的政府主導建設運營轉變為政府和企業共同參與的多元體制。但是,也存在諸多挑戰:

       1、污水處理廠設計和運營不符合可持續發展的需求。

       2、縣級下水道系統發展滯后。

       3、污水處理廠的污水排放標準與當地需求不匹配

       4、中國的污水管理實踐缺乏人與自然和諧發展的全球思維。

       5、污泥處置不當;

       6、鄰避效應。

       城鎮污水及其處理現狀

       城鎮污水指由城鎮排水系統收集的生活污水、工業廢水、部分城鎮地表徑流(雨雪水),是一種綜合污水。污水所含的污染指標常分為物理、化學、生物三類,如下圖,其中《城鎮污水處理廠污染物排放標準》(GB18918-2002)對其中項目設置排放濃度限值。

污水污染指標

       我國城鎮污水處理現狀,1、污水處理廠自控程度較低,缺少精細化管理;2、污水處理廠與污水管網建設不協調;3、污水廠運行管理水平亟需提高;4、基建與運行費用高;5、資源化應用較少;6、污泥處理量大,處理費用高。

       智慧化、低碳化、資源化的污水處理技術

       低碳化的污水處理模式

       城鎮生活污水處理系統是碳排放的重要來源之一。污水處理行業蘊含的高效減排潛力,將其列入碳減排重點領域,并探索出了一些可行的碳減排路徑。觀察發達國家的供水和污水處理行業,對我國污水處理行業有一定啟示,如下圖,以美國為例,在三個層面提高污水處理綜合能效提出了路徑。

       在雙碳目標的指引下,污水處理的主要環節應落實碳減排。其路徑包括直接排放、間接排放。首先,減少曝氣、攪拌、末端出水環節溫室氣體的釋放、含碳有機物進入環境中。這要求更高效的機電設備、工藝。其次,減少能源與藥品消耗,提高污泥處理處置、尾水回用率及適時應用光伏發電、水源熱泵等工藝。

污水處理行業碳減排路徑

       資源化的污水處理模式

       污水中蘊含著大量的能量,理論上是處理污水所需能量的很多倍。污水經處理后,其中的能量大部分轉移到了污泥中,因此開發回收污泥中的能量具有極大的潛力。污泥能源化集中在厭氧方向,包括厭氧發酵產乙醇、厭氧發酵產氫和厭氧消化產甲烷三個技術路徑,實踐中普遍采用厭氧消化技術。

       荷蘭應用水研究基金會在2008年用“NEWs”概括未來污水處理廠的組成框架。“NEWs”是Nutrient(營養物)+Energy(能源)+Water factories(水工廠)的縮寫,即營養物、能

       智慧化在污水處理行業的應用啟示

       “智慧水務”是建設“智慧城市”的必要部分,是實現“美麗中國”的重要環節。隨著物聯網、大數據、人工智能等新技術融入污水處理行業,要確保居民用水安全,解決城市取水、供水、用水、排水等問題,必須應用新科技打造水務企業智能化運營平臺,建立其在水資源方面的行業、企業大數據,為城鎮水資源利用的布局、優化廠站及管網設計、高效率低成本運營提供基于數據驅動的決策依據。

       近年,國內引進國外先進技術用于污水廠的自動控制系統,已廣泛采用集散式監控系統,應用了自動化程度較高的檢側儀表,各種新工藝、新設備也大量出現并得到應用,取得了良好的效果。但污水處理廠自動化控制系統還應該在以下方面為水廠運營管理提供服務:1、自動化控制系統從經驗式固定程序向智能化發展;2、污水處理自動控制系統中采用自動化控制系統,對數據進行統計、及挖掘分析,對污水處理工藝調整及優化、節約能源等方面提供輔助決策幫助。

       行業發展趨勢與展望

       近幾十年來,中國污水行業經歷了高速增長,在基礎設施建設、技術創新、人才培養等方面取得了進步,為未來的智慧化、低碳化、資源化發展奠定了堅實的基礎。然而,未來仍然充滿不確定性和挑戰。預計隨著人口的持續增長和城市化進程,水資源短缺將更加嚴重,而污水量將進一步增加。這將要求污水管理目標、政策和技術發生根本性變化,如下圖:

       在不久的將來,中國正處于從發展中國家向發達國家的轉型期,挑戰和不確定性將更多。應對這些挑戰,需要中國污水處理行業根據自身特點和需求,探索獨特的可持續發展道路,包括開發注重資源回收、構建一體化和諧水生態的新概念工廠。

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