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      雙碳之下水務技術產品或將加速分層,哪些將進階?

        “雙碳”戰略下,業界能夠越來越深刻感知到,城鎮水務的碳達峰,碳中和實施路徑,是行業發展的分水嶺和推動力。對于身在一線的企業來說,影響變得更為直觀銳利——在新的評價體系下,技術優劣、產品潛力、市場空間,或將出現全新的變化。曾經的“一招鮮”可能面臨失效,初見平平的產品或將站上風口。避雷和押寶,成了新形勢下水務企業不得不考慮的問題。

        未來新水務專家組專家、北京建筑大學教授郝曉地指出,城鎮給水處理廠和污水處理廠運行階段,碳排放活動主要包括給水處理廠取水、處理和輸配水產生的電耗和藥耗(包括運輸),以及污水處理過程直接產生的非二氣體排放(CH4與N2O)、電耗藥耗(包括運輸)、污泥外運等。這些碳排放的構成,均一定程度影響著行業對于技術產品的取向。

        基于N2O:短程硝化工藝減分,精準曝氣市場縮減

        N2O(氧化亞氮)在人為碳排放量中的占比高達40%,且N2O全球變暖潛能值是CO2的273倍??梢灶A見,在雙碳戰略的中后期,N2O將成為管控重點。

        水務行業中,與N2O有直接關聯的是硝化、反硝化環節,在好氧條件下利用硝化細菌將含氮物質轉化為硝酸鹽(NO3-),再在缺氧條件下利用反硝化細菌將硝酸鹽還原成氣態氮(N2)。而Royal Haskoning DHV公司發表的《Let‘s start with reducing nitrous oxide emissions today》白皮書指出,污水處理廠中N2O來源已被廣泛研究了至少20年。最新研究認為,低溶解氧(DO)、高氨氮峰值、亞硝酸鹽(NO2-)積累和不足曝氣會觸發硝化過程中產生N2O。在反硝化過程中,碳源不足也會導致反硝化止于N2O。

        據此,通過降低DO、追求N2O穩定積累的短程硝化工藝,在控制N2O產生原則下,可能面臨著“減分”?!叭缌蜃责B反硝化工藝,表面看NO3-是去除了,但有可能很多都轉變成為N2O而不是N2?!焙聲缘乇硎荆骸坝嬎泔@示,采用硫自養反硝化工藝,30mg NO3--N/L中只要有2%(0.6mg NO3--N/L)駐留N2O,產生的CO2當量就已超過硫自養反硝化不投加碳源而節省的碳排放量?!?/span>

        與此相關,還將帶來精準曝氣市場的縮減及產品導向的變化。未來新水務研究中心高嵩認為:“此前,在不依賴精準曝氣設備的情況下,行業普遍把DO控制在2mg/L左右??紤]到后續工藝脫氮效果,實際將DO控制在0.5mg/L左右,出水效果也很好。這樣就產生了75%的可優化空間,催生了精準曝氣設備市場。這個市場的技術導向就是比拼誰能將精準曝氣量穩定控制在更低的水平。而如今考慮N2O問題,DO至少需要維持在1.5mg/L以上,設備應用空間大大收縮?!?/span>

        反之,便捷、低成本的曝氣設備或將更受關注。水技術在線(Aquatech)在2022年推薦的30種助力零碳排的儀器、設備中,就包含一種高效、便捷、低成本的氧氣傳質和混合曝氣器——VorTech旋流動力曝氣器,它兼具DO監測和控制功能,能夠在水體達到預定DO量時自動切斷電源;可通過環形射流渦輪機系統回收高達20%的輸入能量,并回用于泵中。

      旋流動力曝氣器(圖源Aquatech)

        基于能耗:緊湊型工藝、污泥協同焚燒獲青睞

        當前水務企業雖屬于非控碳排行業,但已經受到區域碳達峰及聯交所碳披露等政策行業管控要求。其中,碳達峰主要指標為企業電力及化石燃料燃燒帶來的CO2排放??梢钥闯?,自身節能降耗及化石燃料清潔能源替代,將成為水務企業完成政治任務的主要手段。

        據此,一些能耗較大的工藝及產品設備,包括水處理主體工藝、污泥處理工藝、單元技術產品等,其能耗劣勢或將放大,甚至掩蓋其它方面的優勢,從而進一步遭受質疑。如,郝曉地在一篇對于MBR工藝碳排放進行定量評價的文章中提到,膜生物反應器(MBR)因其單位體積生物量高、占地節省、出水水質好等優點迅速進入國人視野,但在雙碳戰略下,膜污染以及由此而引起的膜通量下降所導致的能耗過高問題勢必會造成污水處理碳排放量強勢增加;膜清洗/頻率高、膜絲(有機纖維膜)斷裂/更換頻繁等一系列問題也會間接增加碳排放量,過高能耗與運行費用會抵消其在良好出水水質與緊湊占地方面的優勢。

        與之相反,緊湊型污水處理工藝被視為“低碳排工藝”的代表。污水處理過程中,生物反應器運行需要攪拌、曝氣并回流,會消耗大量電能從而產生的間接碳排放,約占污水處理廠碳排放總量的18%。因此,通過提高水處理效率與負荷,縮小反應器體積,則可減少其規劃建設中工程及建材消耗產生的碳排放量,以及運行維護中各類機械運行消耗電能、處理消耗藥劑等產生的間接碳排放量。

        例如,好氧顆粒污泥(AGS)工藝,利用了微生物團聚形成的密實結構,其密度及生物量較傳統工藝都有明顯提高。其反應器占地面積僅為同規模污水處理工藝的1/4,整體設計簡約緊湊。而其運行維護中生化反應產生的N2O水平與傳統污水處理廠相當。但其需要的機械設備較少,不需污泥回流泵等設備,可節約25%-30%總能耗。加之其工藝過程需求曝氣量更低,可節約30%的能耗。因而AGS工藝總體可減少約30%能量消耗,且不需額外投加化學藥劑。

        好氧顆粒污泥結構及大體脫氮過程

        從能源回收角度,對污水處理廠進行能源挖潛,也可打開負碳空間。與此相關的市場包括水源熱泵、污泥協同焚燒等。2022年以來歐洲熱泵市場大幅增長間接驗證了這一點。污泥方面,日前發布的《關于推進污水處理減污降碳協同增效的實施意見》中也明確將“利用垃圾焚燒廠、火力發電廠、水泥窯等設施處理能力協同焚燒處置污泥”,定義為“低碳處理工藝”。

        此外,基于CO2及CH4的排放管控,還將進一步打開智慧水務、數字孿生、管網清淤等市場空間。由于不涉及技術工藝的選擇導向,在此不做贅述,有興趣的讀者可點擊閱讀“被雙碳戰略串起來的城鎮水務新產業鏈”。

        值得注意的是,本文分析是基于雙碳戰略下的系列評價指標,對相關技術工藝在這一維度上的評價與判斷。在實際工程項目決策中,需要考量的要素更為多元,應結合企業戰略、成本優勢、運營水平等方面綜合考慮。


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