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碳中和背景下 污水處理是否已陷入了技術-環境悖論?

時間:2021-03-15 09:51

來源:水進展

作者:劉智曉

評論(

  很久以來,一直在思考一個話題,就是污水廠排放標準與環境友好的問題。

  作為水務行業,正常的思維和技術邏輯是:排放標準越高,那麼受納水體的水環境質量越好!因此,近些年來,有了越來越高的“地方排放標準”問世,甚至直接與地面水水環境質量標準的主要水質指標掛鈎,如“準四類”、“準三類”,目前該趨勢,談不上愈演愈烈,但並沒有明顯的剎車跡象。

  問題提出來,按目前做法,水是乾淨了,但是“大氣”怎麼樣?“碳中和”戰略下,我們這種不斷加碼排放標準的做法,是否是“環境友好”和“可持續”的?

  一、不同排放標準對温室氣體(GHG)排放量的影響

  首先看圖1:污水廠排放標準對GHG排放量的影響。

  顯然,隨着排放標準的提升,污水廠向大氣中排放的GHG呈逐漸提高甚至指數式上升的趨勢。

  圖2,不同等級的排放標準下藻類生長勢與温室氣體排放量關係,按照這個邏輯,排放標準高,水環境質量的表徵指標-藻類生長勢越低,而大氣承受的温室氣體排放越高。也就是説水環境和大氣環境是“蹺蹺板",改善了水環境則增加了碳排放,這顯然與“碳中和”理念和碳減排的戰略是相違的。

  當然,會有人説,污水廠排放那麼點GHG,不會對全社會或者在人類活動中排放的GHG佔比很小,但是這裏有幾組數據,説明污水行業的GHG排放佔比情況:

  1)下圖3是“全球甲烷行動(GWI)”統計的污水甲烷排放量全球前十國家,我們國家不但赫然在列,而且排名第一(估計有人不解?)

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  2)Globally, methane from wastewater contributedan estimated512 MMTCO2E of methane emissions in 2010, acing for approximately7 percent of total global methane emissions.(在全球範圍內,2010年廢水產生的甲烷排放量估計為512億噸二氧化碳,約佔全球甲烷排放總量的7%)。

  3)Around 5% (290 million tons) of totalannual GHG emissionsin theU.S.A. originate in the water sector (SattenspielandWilson,2009).(美國每年約有5%(2.9億噸)的温室氣體排放來自水行業(Sattenspiel和Wilson, 2009)。

  4)Global anthropogenic GHG contribution Waste and wastewater category –2.8%

  (IPCC, 2007)(政府間氣候變化專門委員會2007年估算數據,污水和有機廢物處理領域GHG貢獻率2.8%)

  基於以上數據,看來,我們尚不能輕視污水收集和污水處理過程GHG的排放問題,在全社會眾多行業裏也算是GHG排放大户,因此,污水行業的碳減排和碳中和從全社會GHG排放貢獻率角度,還是要重視的。

  二、革新性的處理工藝一定會給我們帶來“環境友好”嗎?

  一些革新性處理工藝,如主流厭氧氨氧化,側流厭氧氨氧化等工藝,是近十年以來很多研究機構和水務公司趨之若鶩的熱點研究領域;同時,一些污水廠採用協同厭氧消化耦合主流厭氧氨氧化或側流厭氧氨氧化等工藝組合技術,已經實現了污水廠能耗完全自給,甚至成為電能輸出廠,如奧地利Strass污水廠,已經成為國際污水廠運營能量自給的標杆。但是,最近,透過國際一些關於污水廠GHG排放的研究結果看,這些採用厭氧氨氧化的工藝並實現“電中和”的污水廠,探究起來,可能並沒有實現“碳中和”,之前被認為“環境友好”的這些污水廠,已經受到質疑,如果不能解決厭氧氨氧化過程N2O的排放問題,諸如Strass能量自給的這類“高大上”的項目其“環境友好”性大打折扣甚至是被否定的。

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  支撐這個觀點的研究結論圖4所示(參加文獻2),橫座標為不同處理工藝,1為模擬Stass污水廠“主流-側流”DEMON工藝;2為A-B法,其中側流工藝採用DEMON,6為傳統A/O工藝且無側流消化液處理。最終的比較結果看,側流-主流都採用了厭氧氨氧化工藝,雖然實現了完全能耗自給,但是其GHG排放量卻是上述工藝中最高的;反而是採用了傳統工藝,GHG卻是最低的。

  這個研究結論,似乎顛覆了我們對“碳中和”污水廠的傳統認知。國際“碳中和”先驅STRASS污水廠主流側流DEMON模式從温室氣體排放角度,這種處理工藝反而是最高的。換句話説,如果不能解決N2O的問題,“電中和”可能相對容易實現了,未必能最終實現“碳中和”。

  De Haas博士(參考文獻2)引用Schaubroek博士發表在Water research上的論文(參考文獻3)並結合自己的研究結果提出,如果應用全生命週期(LCA)評價STRASS污水廠工藝模式,這個被稱為能量完全自給的且實現資源回收的“最佳實踐”案例,雖然的確帶來了一些效益;但是如果以大環境角度看,如果不能解決N2O的問題,STRASS模式遠不能稱之為“環境友好”,因為其處理工藝通過直接排放大量的N20而對氣候變化形成了潛在影響。

  於是,基於上述幾方面的問題,是需要我們回答和思考的:

  1)“碳中和”背景下,污水排放標準走向何方?標準具體指標如何制定,如何平衡水環境質量改善與大氣質量改善之間的關係,如何響應“碳中和”戰略、“碳減排”策略?污水行業排放標準提高意味着碳增量,排放標準越高,GHG排放指數式上升,某種意義上講,不能協同好“水-氣”問題,可以説是污水處理過程無意中實現了污染物向大氣的部分“污染轉嫁”,水相中的部分C、N轉嫁到大氣形成温室氣體。既要滿足水質的達標排放,又要考慮碳中和、碳減排,這個度如何把控?

  2)其次,未來準確識別和定義“能耗中和”(Energy neutrality)和“碳中和”(carbon neutrality)關係,是具有現實意義的;兩者不能等同,否則電中和掩蓋了“碳增量”;

  3、技術本身層面,未來的厭氧氨氧化如何應用過程中最大限度解決好N2O的排放問題,要知道,N2O的CO2當量是CO2的298倍,是一個直接影響其未來應用前景的問題,環境友好,綠色低碳可持續,是未來污水處理技術發展的根本方向,我們“碳中和”戰略下,節能環保行業是重點“減排”領域。目前看,似乎傳統N/DN模式要比Anammox具有更少的N2O排放潛能,那Anammox的未來前景如何?如何在未來的技術發展中解決N2O的問題,這是下一步厭氧氨氧化必須面對和考量的問題。否則,N2O會使其大打折扣。

  如果不能解決好上述問題,那我們就陷入了這個技術-環境悖論。決策部門,該如何平衡上述關係呢。我們從哪裏來?我們又要往何處去?

編輯:王媛媛

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