解讀 | 推進市政汙水處理行業低碳轉型 助力碳達峰、碳中和
作者： 国务院发展研究中心资源与环境政策研究所副所长、研究员 常纪文；
北京易二零环境股份有限公司 井媛媛 耿瑜 宋晓彤
摘 要：市政污水处理行业在探索能源节约、产热制冷、光伏发电方面取得初步成效，低碳发展的综合潜力大。为了推进行业低碳转型，需摸清全国市政污水处理行业低碳发展的底数和潜力，制定转型目标、阶段任务和考核机制，建立健全低碳标准体系，基于碳减排贡献和能源转化效果建立污水处理价格调整和运营补贴机制，设立行业低碳发展国家科技专项。为利用污水能源，需从规划层面促进区域联动。为利用沼气和污泥热能，需重视厂网系统化治理，提高进水有机物浓度，支持污泥的跨区域及与其他有机质的协同处置，将污泥处置成本纳入污水处理价格。为促进运营节能，需制定低碳标准和达标促进措施，合理确定排水标准和污泥处置标准，防止难降解有机物进入市政污水。为发展光伏发电，需补足标准并制定绩效奖励政策。
市政汙水處理行業是我國的耗能大戶，以2020年爲例，全行業耗電約184億度。爲了助力碳達峰、碳中和，有必要總結一些先行先試企業的經驗，以現實問題爲導向，深入挖掘該行業全面低碳轉型的綜合潛力。
1 我國市政汙水處理行業低碳發展的探索與初步成效
近年來，一些市政汙水處理廠在經濟可行的條件下先行先試，探索汙水能源利用、汙泥熱能利用、企業運營節能和光伏發電，取得了初步成效。
1.1 汙水熱能的利用情況
我國對于汙水源熱泵的探究起步較晚，在1985年才將熱泵技術定爲重點推廣課題，通過近些年的研究與發展，國內已建成多個汙水源熱泵系統並投入使用。汙水源熱泵充分利用汙水水溫恒定的特點，能夠從汙水中高效提取熱量，制冷及制熱系數可達3.5～4.4，可在穩定供暖制冷的同時，降低用電量，實現汙水熱能的開發利用。
一些典型案例如下：
1）北控水務海港區西部汙水處理廠處理規模爲12萬噸/天，利用汙水處理後的中水作爲水源熱泵熱源，爲廠區辦公樓和生産生活區域提供采暖和制冷保障。水源熱泵兩台，每台制熱功率爲436.8千瓦，制冷功率爲394.9千瓦，綜合性能系數爲5.74。每年的制熱輸出量爲3.27億千瓦時，制冷輸出量爲0.29億千瓦時。
2）首創恒基大連大開汙水處理廠通過建造熱泵站對汙水熱能加以利用，制熱功率爲98千瓦，制冷功率爲76千瓦，每年的制熱輸出量爲854億千瓦時，制冷輸出量爲427億千瓦時，全覆蓋大開汙水處理廠、大連恒基再生水廠、恒基環保學校的供暖需求和制冷需求。
3）天津創業環保大連春柳河汙水處理廠一期項目的供暖采用水源熱泵機組，冬季采暖供水溫度達到50℃，回水溫度達45℃；汙水用量爲100立方米/小時,總熱負荷爲298千瓦；選用制熱量爲413.2千瓦、制熱功率爲86.3千瓦的熱泵，每年制熱輸出量爲1.07億千瓦時（每年供暖期150天）。目前已投入使用，供熱總建築面積約4000平方米，滿足廠區內辦公及生産用房采暖要求。
4）北京排水集團積極推廣水源熱泵的開發與利用，在北京高碑店再生水廠、小紅門再生水廠、槐房再生水廠、清河再生水廠、清河第二再生水廠、酒仙橋再生水廠、定福莊再生水廠、高安屯再生水廠、北小河再生水廠、盧溝橋再生水廠、吳家村再生水廠等11座再生水廠，均應用了水源熱泵。
2016～2020年，上述水廠累計供熱量爲530萬吉焦，累計節約天然氣約1.6億立方米，年供熱量爲106萬吉焦，年節約天然氣3180萬立方米，爲集團內外共計160萬平米項目提供供暖及制冷服務。
1.2 沼氣和汙泥的熱能利用情況
1.2.1 汙泥沼氣的利用情況
汙泥厭氧消化過程的碳排放量相對較低，且具備實現負碳排放的可能。汙泥厭氧消化耦合沼氣熱電聯産項目，可以實現熱、電兩種能源的回收利用，提高能源利用效率。目前我國汙泥熱電聯産已應用在多個項目上，並取得了明顯的碳減排效果。由于我國汙水處理廠進水濃度相對較低、汙泥含沙量大等原因，目前厭氧消化工藝在整個汙泥處理處置市場中占比僅爲15%左右。隨著碳減排政策的逐步推進，汙泥厭氧消化後的沼氣可轉化爲熱能，實現能源自給後可對外輸出，因此此類項目將得到市場重視。
一些典型案例如下：
1）上海城投的白龙港污水处理厂采用中温厌氧消化系统，处理规模为204吨总干污泥量/天，沼气产量约为40 000立方米/天，沼气转化为热能用于厌氧消化系统热能供应，厌氧消化热能自给率达100%。多余的沼气还可用于部分污泥干化对热能的需求。
2）北控水務的北戴河新區汙泥處理廠項目的日處理規模爲300噸（80%含水率），處理工藝采用分級/分相厭氧消化工藝，産生的沼氣經提純後，一部分可用于預處理單元的原泥預熱，另一部分可用作車用燃氣。
3）北京排水集團小紅門再生水廠采用汙泥高級厭氧消化工藝，年産沼氣1300萬～1500萬立方米，可替代電能3000萬～3300萬度。此外，北京排水集團還在北京中心城區建設了高碑店等五座汙泥處理中心，通過逐步完善沼氣發電耦合熱電聯産技術，預計2021～2022年這五座汙水處理中心可實現沼氣全利用目標，預計可替代汙水汙泥處理全過程18%～20%的電能，每年預計可減少二氧化碳排放約8萬噸。
1.2.2 汙泥焚燒的熱能利用情況
汙泥焚燒熱能利用，即采用專用焚燒爐進行汙泥獨立焚燒，汙泥在焚燒過程中産生的煙氣熱量在尾部煙道中通過空氣預熱器和省煤器分別加熱燃燒所需空氣以及幹化所需的導熱油，以達到熱能利用的目的，同時汙泥焚燒的余熱還可進行發電。
目前汙泥自持焚燒在我國已有較爲成熟的應用案例：
1）常州錫聯環保的夾山汙泥焚燒項目，采用流化床對幹基熱值1700～2200卡/克的汙泥進行焚燒，汙泥焚燒産生的約850℃的高溫煙氣在尾部煙道中通過空氣預熱器和省煤器分別加熱燃燒所需空氣以及幹化所需的導熱油。目前已將導熱油熱能的額外回收列入計劃，預計每小時熱回收量將超過1000千瓦。
2）上海國惠辛集汙泥焚燒發電廠項目，日處理含水率爲80%的汙泥1300噸。利用汙泥焚燒余熱進行發電和供汽，年發電量8640萬度，除自用外，還可上網供電。項目自建成投産以來已處理汙泥57萬噸，相當于標准煤19萬噸，減少因燃煤産生的二氧化碳排放49萬噸。
1.3 企業運營的節能情況
汙水處理企業的運營節能一般通過精細化智能管控和新技術的應用來實現。
1.3.1 汙水處理廠運營精細化智能管控的節能情況
精細化智能管控，即通過采用先進的管理思維和技術手段，提供一套應用于汙水處理廠的集智能化控制、物聯網接入采集、一體化中央監控、移動化管控平台、大數據分析和科學化決策于一體的自動化、智能化、智慧化汙水處理廠整體解決方案，在實現汙水處理廠少人或無人化生産運營管理的同時，達到節能降耗的目的，特別是實現對電耗和藥耗的控制。
精細化智能管控目前在我國處于發展階段，大部分企業正通過“試點帶動局部”再到“全面布局”的方式在集團內部開展精細化智能管控的推廣，目前已初見成效，典型案例如下：
1）北京排水集团重点对鼓风曝气系统及药剂投加系统展开精准控制，曝气能耗降低了10％，药剂投配率降低了30%～50%。通过精准控制系统的运行，全集团每年可降低电力消耗1500万～2000万度，减排二氧化碳9000～12 000吨。
2）北控水务构建了基于大数据的水厂信息数据中心，建设了水厂生产运营系统，建立了集约化的管控体系，建立了分析决策支持系统，建立了规范的业务流程，建设了运营移动互联APP应用系统，建成了基于云计算、大数据的智慧水务系统。通过智慧水务的运行，2020年北控水务原材料费用下降5339万元，原材料吨水成本下降25.8%，年节约碳源15 000吨，年节约除磷剂20 000吨，并大幅减少了二氧化排放量和剩余污泥量。
3）首創股份聚焦于重點能耗設備的運行效率管控，通過多項舉措的落地和能力建設的深入，實現電耗、藥耗的精細化管控和合理節約。合肥十五裏河汙水處理廠通過能效管控平台的輔助，噸水電耗同比降幅達10%以上。長治汙水處理廠通過生物建模技術的輔助，最終實現碳源藥耗降低50%以上。成都陡溝河汙水處理廠通過應用智能曝氣控制系統，曝氣系統的節能率達12.5%，全年可節約用電約15萬度。臨沂青龍河淨水廠通過實施智能藥劑投加系統，噸水碳源投加量降幅達13%，噸水除磷劑投加量降幅達27%。
4）上海城投的白龍港汙水處理廠在精細化智能管控方面也做了相應布局，在汙水生物處理中實施精確曝氣措施，在保證出水達標的前提下，按需提供微生物所需的溶解氧，避免曝氣能耗的浪費；在汙水除磷處理中，通過智能計算和調控，實現按需調整加藥率並精准加藥，在滿足出水達標的前提下，避免了藥劑的過量投入。
5）中環水務的貴陽六廣門再生水廠處理量爲12萬噸/天，工藝智能優化系統采用模糊邏輯和閉環自動控制原理，系統可實現精確曝氣、精確加藥、精確回流、進水異常處置等，實現生化處理系統運行效果的優化控制，節省設備的用電量。
1.3.2 汙水處理廠新技術應用後的節能情況
1.3.2.1 好氧顆粒汙泥技術
该技术属于最具发展潜力、可替代传统技术的战略性前沿生物处理技术之一。与全球范围广泛使用的传统絮状活性污泥法相比，好氧顆粒汙泥技術的微生物富集量是传统技术的2～3倍，其生化反应效率高，出水水质好，占地面积比传统工艺节省20%以上，药耗、能耗都有明显的降低。国内龙头企业已通过自主研发攻克了该技术的工程应用瓶颈，突破了国外的技术封锁。北京排水集团2019年建成并运行国内首个好氧颗粒污泥方庄城市污水示范项目（1800立方米/天），正在建设国内最大规模吴家村好氧颗粒污泥城市污水处理项目（80 000立方米/天），预计项目建成后因降低耗电量可较传统活性污泥技术减少碳排放882吨/年，其中2021年7月将实现一期（20 000立方米/天）调试运行（见表1）。首创股份河南省南阳淅川县马镫污水处理厂应用自主研发的CREATE好氧顆粒汙泥技術进行提标扩容，深入挖掘处理潜力，原位扩容3倍以上，降低能耗、药耗20%以上，降低人工成本30%，同时出水水质更稳定。
1.3.2.2 同步硝化反硝化技術
北控水務徐州睢甯汙水處理廠日處理城市汙水4萬噸，生化處理采用A2O工藝，長期進水碳氮比偏低（COD/TN爲4：1），爲確保出水總氮穩定達標，日常運行中需補充大量碳源，大大增加了汙水處理成本。自2018年起，汙水處理廠逐步嘗試采用同步硝化反硝化工藝，經過運行驗證，優化後的系統運行穩定：出水COD、氨氮等保持原有處理效果；總氮得到明顯控制，出水總氮穩定下降1.5～3.5毫克/升；碳源添加量下降15毫克/升；日處理能力提高2000～4000噸。
1.3.2.3 厭氧氨氧化技術
该技术是当今世界上最先进的污水生物脱氮技术，其利用亚硝态氮与氨氮反应直接生成氮气，与传统污水处理工艺相比，可节省占地、投资和运行费20%以上，节约能耗30%以上，节约药剂90%以上，全过程碳排放减少50%以上，为未来实现城市污水处理厂能源自给和能源供给提供支撑。北京排水集团自主研发了系统性厭氧氨氧化技術体系，已在北京五个污泥处理中心建成世界最大规模的厌氧氨氧化污泥消化液脱氮工程，总处理规模15 900立方米/天，每年因降低耗电量可减少碳排放1.05万吨（见表2）
1.3.2.4 其他探索性工藝
具體包括：
1）免滅菌合成聚羟基脂肪酸酯技術。免滅菌合成聚羟基脂肪酸酯（PHAs，俗稱可降解生物塑料）技術，即利用汙泥消化液制備可降解生物塑料。北京排水集團已建成汙泥合成PHAs中試系統（250升/天），利用1噸汙泥（80%含水率）可生産8千克PHAs，開辟了市政汙泥資源化利用新途徑，從而替代石油基塑料。
2）厭氧序批式消化工藝。此工藝可深挖汙泥生物質能回收潛力，提高可再生能源産率，北京排水集團已在研究開發厭氧序批式消化工藝（ASBR）、微電壓驅動高速厭氧消化工藝等，預計將提升産氣率10%～15%，節省厭氧消化池池容50%以上，通過微電壓強化可提升産甲烷速率50%以上，停留時間可縮短25%以上。
3）超磁分离+低碳双泥龄复合脱氮工艺。首创股份东坝污水处理厂是首创股份打造的国内首个应用“3R WATER未来污水处理技术”的污水处理厂，涵盖资源转化、能源回收、低碳和谐三要素，核心工艺采用超磁分离+低碳双泥龄复合脱氮工艺，有效提高了污水处理厂的能源自给率，实现了高品质碳源、高纯磷资源及污水热能的回收和再利用。
1.4 廠內太陽能面板鋪設與發電情況
汙水處理作爲高耗能行業，光伏發電系統在汙水處理廠的應用對緩解汙水處理廠高耗能問題具有重要意義。目前，我國汙水處理廠與光伏發電項目的結合尚處于發展階段，部分企業已在探索利用汙水處理廠的初沈池、曝氣池、膜池、清水池等構築物上方空間安裝光伏發電設備，以實現削峰填谷、清潔發電。
一些典型案例如下：
1）截至“十三五”末，北京排水集團已在小紅門、清河、酒仙橋三座再生水廠運行分布式光伏發電項目，總裝機容量達到18.7兆瓦，年均發電量2400萬度，可降低二氧化碳排放約1.45萬噸。“十四五”期間，北京排水集團將進一步擴大再生水廠及管網泵站分布式光伏發電設施建設，預計新建總裝機容量17兆瓦，年發電量達1800萬度，每年可降低二氧化碳排放約1.1萬噸。
2）中環水務已在多個汙水處理廠運行分布式光伏發電項目，並對降低二氧化碳的排放做出了明顯貢獻。蚌埠第二汙水處理廠的光伏發電量占水廠總用電量的10%。肥城市康龍汙水處理廠二期，處理規模爲4萬噸/天，光伏發電量占水廠總用電量的15%。淇縣城南汙水處理廠，處理規模爲3萬噸/天，光伏發電量占水廠總用電量的29%。淇縣城南新建汙水處理廠，處理規模爲3萬噸/天，光伏發電量占水廠總用電量的7%。淇縣城北汙水處理廠，處理規模爲3萬噸/天，光伏發電量占水廠總用電量的28%。
3）金風環保的陽谷國環水廠項目裝機容量峰值爲1336.28千瓦，光伏首年峰值小時數爲1340.46小時，25年年均發電量爲133.7萬度；項目廠區年用電量約800萬度，通過遠程能源監管平台對用電行爲的監察，降低用電量5%。截至目前，水廠的綠電使用率已達16.2%，節能達15.8%。
4）創業環保春柳河汙水處理廠利用生物池及車間房屋頂設置光伏發電系統，設計光伏系統的總面積爲4130平方米，光伏系統總裝機容量峰值爲1.177兆瓦，年發電量約爲66萬度。目前，光伏發電項系統已投入使用，日均發電量2923度，約占日總用電量的16%。
5）首創集團對汙水處理廠的分布式光伏發電項目亦有所布局。合肥市的十五裏河汙水處理廠、小倉房汙水處理廠和陶沖汙水處理廠廠內建設了分布式光伏發電項目，利用汙水處理廠建築物的頂面和廠區空地面積鋪設太陽能光伏板，項目總投資3840萬元，總裝機容量約9.7兆瓦，其中小倉房汙水處理廠約3.9兆瓦、陶沖汙水處理廠約2.1兆瓦、十五裏河汙水處理廠約3.7兆瓦。
6）北控水務目前已有超過42家汙水處理廠采用光伏發電，總裝機容量超過32.19兆瓦。以江蘇宜興汙水處理廠分布式光伏發電項目爲例，江蘇宜興汙水處理廠分布式光伏發電項目位于宜興市，覆蓋宜興市城市汙水處理廠、宜興市新建汙水處理廠、宜興市官林汙水處理廠、宜興市南漕汙水處理廠、宜興市徐舍汙水處理廠、宜興市西渚汙水處理廠、宜興市張渚汙水處理廠和宜興市和橋汙水處理廠8個汙水處理廠，利用廠區內汙水池、沈澱池、絮凝池上方空間，辦公樓屋面，新建廠區道路光伏通廊和光伏車棚建設光伏電站，總安裝容量約8.1兆瓦，采用0.4千伏電壓等級並網、“自發自用，余電上網”模式，于2017年年底完成並網。
7）上海城投的白龍港汙水處理廠計劃在生反處理池上方加裝光伏板，實施光伏發電，設計光伏裝機容量峰值爲108兆瓦，設計年均發電量約爲1億度，預計年均25%的總用電量可實現綠色能源替代。
2 我國市政汙水處理行業低碳發展的潛力與現實問題
2.1 汙水熱能利用的前景與現實問題
發達國家已普遍將汙水源熱泵用于一定範圍內居民的供熱及制冷。例如，芬蘭圖爾庫市的Kakolanm?ki市政汙水處理廠于2009年投産，通過建造熱泵站，每年的制熱輸出量爲2000萬度，制冷輸出量爲200萬度，滿足圖爾庫市14%的供暖需求和100%的制冷需求，每年可爲該市減少8萬噸的碳排放；荷蘭烏特勒支市市政汙水處理廠計劃于2021年投入運行的25兆焦的新型水源熱泵系統，出水溫度可達到75℃～83℃，每年可從出水中交換約40萬吉焦的熱量，占烏特勒支市總供熱量的10%～15%，可持續供應當地1萬戶居民冬季取暖供熱需求，每年可減少1萬～2萬噸的碳排放。
我國已建成多處汙水源熱泵系統，部分項目制冷及制熱的綜合性能系數超過了5.5，在國際上處于比較優秀的水平。未來，汙水源熱泵的應用將成爲市政汙水處理行業的低碳發展主流，且除滿足自身的能源需求外，還可與廠外實現供熱系統聯動，擴大輸出範圍，節能潛力大。
但我國目前汙水的熱能利用存在如下現實問題需要解決：
1）汙水所含熱能屬于低品位能源，難以直接用于發電，目前只能用于廠區或周邊3～5千米範圍內的供熱、制冷。
2）供熱和制冷企業對汙水入戶的接受程度有限，加上地方政府大多未制定汙水熱能的廠外輸出利用規劃，汙水的區域性供冷和供熱難以推動。
3）現有的市政汙水處理廠特別是老舊市政汙水處理廠，難以承受低碳改造的建設成本和低碳運行的運營成本。
2.2 沼氣和汙泥熱能利用的前景與現實問題
發達國家的沼氣熱能技術特別是汙泥厭氧消化沼氣熱電聯産系統的研發起步較早，如奧地利Strass市政汙水處理廠的汙泥厭氧消化熱電聯産效率達40%左右，沼氣發電量約爲2.3度/立方米，沼氣産量爲5800立方米/天，沼氣的甲烷含量爲62%，電能産生量爲8490度/天，市政汙水處理廠的能源自給率可達108%；芬蘭Viikinmaki市政汙水處理廠汙泥厭氧消化每年産生沼氣1340萬噸，産電量2.5341億度，爲水廠提供64%的電力和100%的熱能，實現了熱能的自給自足。在汙泥熱能利用方面，發達國家普遍采用幹化焚燒工藝，有的也將汙泥制作爲燃料棒（熱值約爲3000卡/克以上），或與廚余垃圾、餐廚垃圾協同處理，實現熱能利用最大化。荷蘭和德國的汙泥焚燒比例在2015年便超過40%，日本目前超過60%的汙泥采用焚燒技術進行處置。
我國市政汙水處理廠的沼氣利用技術，如“厭氧消化+沼氣利用”的汙泥沼氣利用技術，目前已有較爲成熟的應用，如上海白龍港汙水處理廠等項目厭氧消化能源自給率已達100%；北京排水集團位于北京的五座汙泥處理中心沼氣熱電聯産設施未來預計可替代汙水汙泥處理全過程18%～20%的電能。在汙泥熱能利用方面，目前我國已實現自持焚燒，部分項目甚至能利用余熱發電。除自用外，多余電量可上網。按照汙泥快速減量化的要求，汙泥幹化焚燒將成爲主流的汙泥處置路線，現已有一些地區要求優先采用該技術路線。應用新技術可全面提高我國市政汙水處理廠的沼氣産量及沼氣向熱能的轉化效率，提高汙泥的焚燒或者發電率，促進市政汙水處理行業汙水、汙泥處理的能源自給，因此前景非常好。
但目前我國市政汙水處理廠沼氣和汙泥的熱能利用遇到如下現實問題需要解決：
1）市政汙水處理廠進水的有機物濃度和汙泥有機質含量相對較低，汙泥厭氧消化碳源不足，會在一定程度上影響熱電聯産的單位産電量。
2）我國汙泥的熱值總體相對較低，限制了汙泥燃料棒的生産和應用。
3）汙泥熱能利用成本相對較高，國家和地方目前尚未制定相應的價格和收費支持機制。
4）部分市政汙水中混有含重金屬的工業廢水，汙泥焚燒工藝一般會添加熔融工序，容易造成二次汙染。
5）目前汙泥的跨行政區域運輸和處置監管嚴格，開展區域集中的焚燒發電有難度。
2.3 企業運營節能的前景與現實問題
精细化智能管控系统的研发能降低能耗和药耗，促进出水的安全稳定达标，因此应用空间很大。宜兴概念污水处理厂预计于2021年中期全部建成投运，其设计集水质永续、能量自给、资源循环、环境友好于一体，采取污水精细化管控模式。在节能方面，可在目前耗能基础上减少50%以上，实现能源自给；在资源循环方面，利用污泥与有机废弃物结合发电、制沼气，可实现污泥的无害化和资源化；在环境友好方面，出水、出料、出气都达到对生态环境的无害要求。如结合实际应用精细化智能管控系统，我国精细化智能管控的发展前景将十分广阔。新技术的研发对城市市政污水处理厂实现节能降耗、碳减排甚至能源自给与外供提供了支撑。我国在好氧顆粒汙泥技術、同步硝化反硝化技術、生物脱氮技术、厭氧氨氧化技術等领域或环节目前已走在世界前沿，将来也会得到进一步的发展。
目前，我國市政汙水處理行業在運營節能方面遇到一些現實問題需要解決。在精細化智能管控系統的建設方面：
1）市政汙水處理企業粗放式管理未得到改善，卻過分追求硬件投入。
2）缺乏市政污水处理企业运营能耗管理的评价标准，节能降耗成果的行业水平难以衡量。截至2019年年底，我国县级及以上城市区域（不含建制镇）已建设市政污水处理厂4140座，年污水处理量达5 258 594万立方米。因为工艺不一，各企业运营中每吨污水的电耗差距较大，总体介于0.12～0.69度，行业均值在0.35度左右，需建立相应的能耗管理与评价标准，促进全行业减少能耗。
3）缺乏對市政汙水處理行業低碳的達標規劃和對于市政汙水處理企業的考核機制。
在新技術研發方面：
1）低碳新工藝和新技術在工程應用階段不可避免地會影響出水水質的穩定性，一些企業不願意嘗試。
2）目前仍有一些先进技术如从污水中回收利用不可再生资源磷，在我国未得到重视。2016年欧盟出台的新版《化肥管理条例》把市政污水处理企业回收的鸟粪石等磷酸盐产物纳入化肥生产的原料，并针对此类磷肥制定了標准規範，德国规定污水和污泥中磷的回收量要在2020年前达到磷矿石进口总量的50%，而我国的相关工作仍处于探索阶段。
2.4 廠內太陽能面板鋪設的前景與現實問題
发达国家的市政污水处理行业目前仅在部分项目上安装应用了太阳能光伏系统。美国Hill Canyon市政污水处理厂建设了500千瓦的热电联产机和584千瓦直流电（500千瓦交流电）的太阳能光伏系统，可为厂内提供65%的电量；美国Moorpark再生水厂每天处理约8330吨污水，2012年该水厂光伏系统投入使用后每年产电230万度，节省水厂80%的电网购电。总体来看，发达国家市政污水处理行业应用太阳能光伏系统处于发展阶段。
截至2019年年底，我國城鎮市政汙水處理廠的電耗均值約爲每噸0.35度，按此計算，我國城鎮市政汙水處理廠全年耗電約爲184億度。若按照光伏發電10%的能源替代率計算，每年可産生18.4億度電，因此我國低碳發展的效益巨大。目前我國太陽能面板與汙水處理廠相結合的技術應用仍然處于探索中，存在設計、安裝與運行標准不健全；經濟效益和低碳效益的核算不一致；各地相關財政補貼和溫室氣體減排績效獎勵等政策不統一等問題，需要盡快得到解決。此外，由于行業內尚未建立完善的低碳標准體系，一些企業在系統改造和低碳設備建設方面的動力明顯不足。
3 我國市政汙水處理行業開展低碳發展轉型的建議
3.1 我國市政汙水處理行業開展低碳發展轉型的總體建議
（1）摸清市政汙水處理廠的底數和低碳發展潛力，制定低碳轉型目標和階段性任務。首先，全面摸清全國城鎮市政汙水處理企業汙水能源利用、汙泥熱能利用、企業運營節能、光伏發電的底數，核算各環節和全環節低碳發展的潛力。然後，在高質量發展和2030年碳達峰、2060年碳中和的背景下，制定我國市政汙水處理行業2030年低碳發展轉型的目標，並針對該目標，設立2023年、2025年、2027年、2030年四個階段的轉型目標，針對每個階段規定節能、減排、降耗、發電、供熱、制冷方面的具體任務。
（2）健全市政汙水處理行業與綠色、循環標准體系相銜接的低碳發展標准體系。目前，針對市政汙水處理廠的考核指標一般包括綠色與循環類標准。綠色類標准包括出水汙染物排放標准、汙泥排放標准和大氣汙染物排放標准，循環類標准包括水資源的循環利用標准等，鑒于目前的一些汙水處理工藝符合綠色、循環標准但未必低碳，建議國家發展改革委、住房和城鄉建設部、生態環境部等有關部門針對市政汙水處理行業統籌建立綠色、低碳、循環的標准體系，使市政汙水處理企業的運行在成本核算的前提下，既綠色、循環也低碳。在低碳發展指標方面，要設立汙水能源利用、汙泥熱能利用、企業運營節能、光伏發電、企業碳彙建設五類指標。這意味著新的標准體系發布後，市政汙水處理行業須進行系統的工藝改造和技術升級。對于三類指標都達標的市政汙水處理廠，在市政汙水處理行業低碳發展轉型過渡期才能享受獎勵、補貼和優惠。
（3）基于市政汙水處理企業的減排貢獻、能源轉化效果建立汙水處理價格調整及運營補貼機制。老舊市政汙水處理廠進行全面的低碳轉型難度大，建設和運營成本高，建議國家發展改革委、財政部、住房和城鄉建設部、生態環境部等有關部門針對新建市政汙水處理廠和老舊市政汙水處理廠出台分類支持的獎勵補貼政策。已建市政汙水處理企業的低碳轉型需進行工藝的改造、技術的革新和設備的升級，爲了減少投資成本和運行成本，防範技術風險，建議國家和地方抓住行業低碳改造的“牛鼻子”，制定汙水處理收費、發電並網等方面的價格和收費支持政策，調動企業的積極性。立足各地綠色、低碳、循環發展的目標，對區域發展水平、行業高效發展、市政汙水處理企業的成本與收益、政府補助限度、排汙者的支付能力定期開展調研，評估市政汙水處理企業對成本的壓力反應，爲市政汙水處理行業科學調整汙水處理價格和實現可持續發展提供支撐。市政汙水處理企業在溫室氣體減排、能源轉化方面達到2023年、2025年、2027年、2030年的階段性轉型目標的，建議在現有汙水處理補貼的基礎上按照汙水處理的種類、總量和實際效果予以進一步的補貼或者獎勵，並給予環境保護稅和企業增值稅方面的優惠，增強企業低碳運行的可持續能力。對于老舊市政汙水處理廠的低碳改造和低碳運行，可以給予更高標准的補貼或者獎勵。
（4）允許市政汙水處理行業靈活利用節能指標、能源利用指標、發電指標和碳彙建設指標，提升其經濟效益。建議國家將城鎮和企業市政汙水處理廠的溫室氣體減排納入區域碳達峰和碳中和的減排指標體系，對于開展汙水能源利用、汙泥熱能利用、運營節能、光伏發電、碳彙建設的市政汙水處理企業，分別折抵該企業的碳排放指標、用熱指標、用電指標。對于對外供熱或者制冷以及發電上網的，可以獲得碳排放交易指標並在本省級行政區域交易。
（5）設立市政汙水處理行業低碳發展國家科技專項，通過試點示範樹立標杆企業，全面推動新工藝和新技術的發展。建議科技部廣泛征求市政汙水處理行業的意見，設立市政汙水處理行業低碳發展國家科技專項，下設綜合研究課題和汙水能源利用、汙泥熱能利用、企業運營節能、光伏發電、碳彙建設等專題研究課題，建設關鍵技術示範工程，推動智能管控系統的應用和升級，促進厭氧氨氧化、短程硝化反硝化、同步硝化反硝化等綠色、低碳新工藝和新材料的推廣利用，促進碳捕獲、磷回收等新技術的探索、開發和應用，增強市政汙水處理行業的可持續運營能力。建議修改《水汙染防治法》，規定企業在低碳發展改造和試運行期間，允許出水水質出現合理的波動；建議明確市政汙水處理企業的磷回收法律義務和回收比例，明確回收後的磷的資源化利用方式和目標。
（6）建立市政汙水處理行業綠色、低碳、循環發展的綜合考核機制。建議國家發展改革委、住房和城鄉建設部、生態環境部等有關部門針對2023年、2025年、2027年、2030年的階段性轉型目標，制定全國市政汙水處理行業綠色、低碳、循環發展的轉型規劃和相應的評估考核機制。將轉型情況納入對各級地方政府和有關部門的考核內容，並納入生態環境保護督察事項，對于限期未完成轉型任務的行政區域，督促其整改並停止審批其新增建設項目的環境影響評價文件。
3.2 加強我國市政汙水處理行業熱能利用的建議
在市政汙水處理企業汙水的熱能利用方面，對于需要開展區域供熱或制冷的區域，建議縣級以上城市的人民政府從區域能源利用統籌規劃的維度，統籌制定供熱與制冷規劃，在市政汙水處理廠周邊3～5公裏範圍內劃定汙水輸能區域，配套建設健全管網等設施，推動市政汙水處理企業熱能與廠外供熱系統的聯動。建議國家發展改革委和國家稅務總局等有關部門制定有利于推廣汙水輸能的價格和稅收機制，提升供熱和制冷企業對汙水輸能的接受度，並減輕終端用戶取暖和制冷的經濟負擔。
在市政汙水處理企業沼氣和汙泥的熱能利用方面，建議如下：
（1）重視廠網系統化治理並提高進水有機物的濃度。建議國家發展改革委、住房和城鄉建設部、生態環境部等有關部門制定城市汙水管網的汙水收集率目標考核文件，通過提升城市汙水管網的汙水收集率來提高市政汙水處理廠進水的有機物濃度，這樣既可減少外部碳源帶來的化學藥劑消耗，也可解決汙泥厭氧消化和熱電聯産過程中因碳源不足影響沼氣産生量和發電量的問題。對于城市市政汙水處理廠進水碳源不足的，建議適當引進易降解有機質含量高的特定類型工業汙水。不宜統一要求將汙泥制成燃料棒。
（2）支持汙泥與其他有機質的協同處置，提高原料的有機質含量。建議國家發展改革委、財政部、住房和城鄉建設部、生態環境部等有關部門制定優惠政策或者補貼機制，促進市政汙水處理企業或者與市政汙水處理廠簽訂汙泥處置協議的汙泥處理企業開展有機質的協同處置。目前我國汙泥的有機質含量較低，介于30%～60%；餐廚垃圾有機質含量較高，在80%左右；畜禽糞汙中有機質含量介于30%～75%，其中雞糞有機質含量可達70.76%。多種有機質協同處置可提高原料的有機質含量，提高産氣量，提高經濟效益。
（3）鼓勵生活汙水和工業廢水分開收集處置，促進市政汙泥焚燒的熱能利用。建議國家發展改革委、財政部、住房和城鄉建設部、生態環境部等有關部門通過財政獎勵、稅收優惠等方式引導各城市分開收集和處理生活汙水和工業廢水，鼓勵集中處理工業廢水，防止市政汙泥中出現工業重金屬，促進市政汙泥的焚燒處置和熱能利用。
（4）促進汙泥集中處置和收費機制的落地實施。在集中處置方面，對于開展跨區域運輸和集中焚燒處置汙泥的，審批後簡化每次運輸的監管程序。在收費機制方面，國家目前雖已出台相關文件規範汙水處理費的征收和使用，強調將汙泥的處置成本納入汙水處理費用，並由汙水排放者即居民承擔，但迄今爲止，只有少數地方的汙水處理費包含汙泥處置費用，大部分地方的汙泥無害化處置費用仍爲政府財政補貼或者支付。建議國家發展改革委和財政部等有關部門按照《關于創新和完善促進綠色發展價格機制的意見》的要求，加大引導和檢查的力度，督促地方依照文件的規定，將汙泥的處置成本全部納入汙水處理價格之中。
3.3 提升我國市政汙水處理行業運營節能效果的建議
（1）制定市政污水处理厂低碳运营的標准規範和达标促进措施。市政污水处理企业的低碳运行，主要是通过智能系统的优化管控和新技术的采纳，确保污水处理设施在高效、经济运行时，降低能耗、物耗和药耗，减少碳排放。建议国家发展改革委、住房和城乡建设部、生态环境部等有关部门立足于能源的全面节约和二氧化碳的全面减排，以现有企业的污水运营标准为基础，在市政污水处理行业绿色、低碳、循环发展的综合标准体系框架内，从物耗、药耗标准之外建立能耗方面的低碳运行標准規範，推荐示范企业的精细化智能管控系统和污水处理、污泥处理、热能利用、沼气生产、沼气发电等新技术，引导行业优化污水处理工艺，创新污水处理技术，升级污水处理设备。对于落后的运行工艺和设备，要限期达标；对于运行中节约能源和温室气体减排成效突出的示范项目，建议国家发展改革委、住房和城乡建设部、生态环境部等有关部门联合制定以减排效果为导向的奖励或者补贴政策，引导市政污水处理行业对运行节能和减排的重视。
（2）綜合平衡出水濃度和能耗的關系，合理確定出水的汙染物排放標准和汙泥處置標准。市政汙水處理廠既要追求汙染防治效益，也要追求節能和溫室氣體減排效益。市政汙水處理廠的出水標准與能源消耗呈正相關關系，確立合理的排放標准將實現經濟效益和環境效益的雙贏。
（3）开展工业废水的可生化性指标管理，控制难降解有机物进入市政污水系统。工业废水的混入会干扰市政污水处理厂的稳定运营，进水中如难降解有机物含量超标，不仅会影响易降解有机物的发酵和沼气的利用，还可能会导致出水不合格，建议严格工业废水排入生活污水系统的条件和审批程序，在《污水排入城镇下水道水质标准》（GB/T 31962—2015）中增加废水可生化性指标，控制难降解有机物进入市政污水系统。建议修改《水污染防治法》，针对市政污水规定难降解有机物的含量标准，并明确排放者超标的法律责任。
3.4 推廣我國市政汙水處理行業太陽能面板鋪設發電的建議
建議住房和城鄉建設部、生態環境部等有關部門出台市政汙水處理廠光伏發電設施設計、安裝與運行的標准，建議國家發展改革委、財政部、住房和城鄉建設部、生態環境部等有關部門制定溫室氣體減排績效評價和獎勵標准，在確保安全生産的前提下，引導已建市政汙水處理企業利用廠區地面剩余空間和辦公樓、停車棚、初沈池、曝氣池等建築物或者構築物的上方空間，安裝光伏發電設備，實現清潔發電、削峰填谷。對于新建市政汙水處理廠，需全面按照市政汙水處理廠綠色、低碳、循環建設和運營的標准體系，開展立體的太陽能光伏面板鋪設及相關的儲能設施與並網設施建設。
（感謝爲本研究提供相關資料和數據的汙水處理企業）
2021年是“十四五”的開局之年，也是開啓全面建設社會主義現代化國家新征程起步之年。這一年“碳達峰”和“碳中和”成爲熱詞。2022年作爲實施“十四五”的重要一年，“碳達峰”和“碳中和”依然是這一年的主旋律。
2021次政府工作報告指出，要在碳達峰、碳中和方面紮紮實實地完成各項工作，制定2030前實現碳達峰的行動計劃，優化産業結構和能源結構。碳達峰和碳中和將成爲未來40年影響中國經濟發展的重要戰略。爲實現“碳達峰”和“碳中和”的緊迫目標，中國將全面加快建設綠色低碳循環發展經濟體系，生態環境保護也將進入汙染與碳減排協同治理的新階段。因此，生態環境産業將迎來新一輪的重要窗口期。面對新的發展機遇，環保産業的機遇在哪裏？環保企業又該怎麽辦？
什麽是“碳達峰”和“碳中和”?
“碳達峰”和“碳中和”中的“碳”是指人類生産和生活中排放的各種溫室氣體。爲了便于統計計算，人們根據不同的影響程度將這些溫室氣體換算成二氧化碳當量，所以二氧化碳常被用來指代溫室氣體。
“碳達峰”是指一個地區或行業的年溫室氣體排放量達到曆史峰值。這是溫室氣體排放由增到減的曆史轉折點，標志著經濟發展由高能耗、高排放向清潔、低能耗模式轉變。
“碳中和”是指在一定時期（一般指一年）內，某一區域內人類活動直接或間接排放的碳總量，抵消通過造林和工業固碳吸收的碳總量，實現淨零碳排放。
“碳達峰”和“碳中和”作用相輔相成。由于造林和工業固碳吸收的碳總量相對固定，遠遠低于工業發展排放的碳，爲了實現碳中和的願景，我們必須通過制定和實施“碳達峰”計劃來扭轉二氧化碳排放的增長趨勢。
如何實現碳中和？
從廣義上講，碳中和包括節能、減排和技術回收。節能減排包括能源轉化、提高能源利用率和減少一次性用品的生産。
1、能源轉型
從能源生産和消費結構來看，世界能源已形成煤、油、氣、新能源“四分天下”格局，新能源已成爲碳中和的主導因素。目前，全球碳減排主要依靠減少化石能源在發電領域的使用，進行能源供給側改革，大力發展光伏風電等可再生能源的消納比重。同時，將提高幾個重要的能源終端消費部門——交通、建築和工業行業的電氣化率，以實現減少化石能源消費目標。對于航空、高耗能工業和其他電氣化無法完全替代的領域，生物燃料和氫能被用來取代化石燃料。爲實現上述目標，需要對能源消費基礎設施、新能源發電、電網、制氫設備、重要工業設施和化石能源發電進行大規模投資、開發和改造。同時，我們將攻克氫能制備、儲運、電動汽車、儲能設備、海上風電、負荷側響應機制和電力系統靈活性改善、電力市場化、生物能源開發等領域的關鍵技術問題。
2、技術回收
技術回收是狹義的碳中和，即“碳捕集”，捕捉排放到大氣中的二氧化碳，從而真正實現零排放。碳捕獲後，它可以密封和回收。
目前，碳捕獲有三種方式：一是生物捕獲，即植樹造林。二是常規捕集，如在煙囪上加裝吸附裝置。三是新興技術捕集，全世界15個實驗室正試圖直接過濾大氣。
汙水處理行業應如何參與到“碳達峰”和“碳中和”中？
從能量轉換的角度來看，傳統汙水處理模式的實質是以能耗換取水質。爲了減少水汙染，我們使用大量電能，並間接産生大量二氧化碳排放，這對全球生態環境産生了負面影響。因此，爲了減少碳排放，減少汙水處理的能耗和物耗，是産業升級的必然目標。
目前，世界上許多國家都發布了汙水處理廠碳中和技術路線圖，美國提出到2030年所有汙水處理廠都要實現碳中和。作爲重要的公用事業，我國的汙水處理率還沒有達到100%。減少水汙染仍然是生態環境保護的重中之重。可以預見，汙水處理行業短期內不具備承擔大規模減排任務的客觀條件。然而，從提升企業核心競爭力的角度來看，綠色低碳發展也是一條必然之路。同時，作爲政策驅動型産業，企業如果能夠盡早啓動低碳改革，將贏得更大的主動權和更廣闊的發展空間。
汙水處理工藝多種多樣，但其實質是通過生化反應去除水中的汙染物。因此，需要在處理過程中添加碳源和各種化學品。這些原材料在生産和運輸過程中消耗能源，在加藥過程中也消耗一些能源。因此，優化供料環節將有助于節約能源、降低消耗和減少碳排放。
在過去的200年裏，人類已經向大氣層排放了數以萬計的二氧化碳，這些二氧化碳就像給地球帶了一個大罩子，讓地球無法散熱，所以二氧化碳又叫溫室氣體，抑制全球變暖的首要任務就是減少二氧化碳的排放，當每年的碳排放量不再增加、達到峰值，就叫碳達峰。但人類活動終究是要排放碳的，我們就需要想辦法讓它被吸收中和掉，當二氧化碳的吸收量等于排放量，就實現了傳說中的碳中和。作爲生活在地球的個體，我們及時關電腦、打開一扇窗、自備購物袋、種一棵樹……只要你學會做減法：減排、減汙、減負、減速，就能爲碳中和、碳減排貢獻自己的力量。
