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上海城投陳廣:技術不是紙上談兵,上海污水處理中“減污降碳”的實戰探索

時間:2021-09-30 15:55

來源:中國水網

作者:劉彤整理

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9月16日,在2021(第十三屆)上海水業熱點論壇現場,上海城投污水處理有限公司執行董事、總經理陳廣對“雙碳戰略下污水處理系統運行的‘上海探索’”這一話題進行了分享。

從《京都議定書》到《巴黎協定》,低碳一直是熱門話題,中國積極參與其中並履行大國責任和擔當。習近平總書記在中央財經委員會第九次會議上強調:“要把碳達峯、碳中和納入生態文明建設整體佈局,拿出抓鐵有痕的勁頭,如期實現2030年前碳達峯、2060年前碳中和的目標。”從今年3月到9月,半年的時間,全國很多省市都對雙碳目標進行了響應與探索。

9月16日,在2021(第十三屆)上海水業熱點論壇現場,上海城投污水處理有限公司執行董事、總經理陳廣對“雙碳戰略下污水處理系統運行的‘上海探索’”這一話題進行了分享。

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上海城投污水處理有限公司執行董事、總經理 陳廣

“雙碳”是不可迴避的話題和責任

雙碳從嚴格意義上講是指温室氣體排放,有六氟化硫(SP6)、全氟碳化物(PFCs)、氫氟碳化物(HFCs)、二氧化碳(CO2)、甲烷(CH4)、氧化亞氮(N2O)共六種温室氣體,其中碳減排、碳中和主要是研究CO2、CH4、和N2O三個指標。

陳廣指出,我國目前在二氧化碳排放的重點範圍還未出台標準,根據《2006年IPCC國家温室氣體清單指南》(2019修訂版)和《省級二氧化碳排放達峯行動方案編制指南》(生態環境部 環辦氣候函〔2021〕85號)第二章,整理得出,温室氣體核算範圍一共分為四個方面:範圍一直接排放,生產過程中直接排放的温室氣體;範圍二間接排放,因生產過程中消耗的能源或資源而間接排放的温室氣體;範圍三其他間接排放,參與生產過程的其他環節排放的温室氣體;範圍四生物源碳排放,處理處置過程中有機物分解釋放的二氧化碳。

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其中碳達峯的核算對象為範圍二中使用外購電能、熱能或蒸汽的過程。範圍一、範圍二和範圍三為碳中和的核算對象。碳足跡把範圍一到範圍四全部囊括其中。

為什麼碳達峯沒有範圍四?範圍四在IPCC定義中,是由生物分解產生的CO2為生物質碳(biogenic carbon),生物質碳最初來源是自然界的植物進行光合作用所吸收固定的大氣中的CO2,因此排放後不會導致大氣中CO2含量的淨增長。所以範圍四是碳足跡的核算範圍但不是碳達峯、碳中和的核算範圍。

全球共有233個國家,其中只有26個國家印發或實現雙碳承諾,我國於2020年9月第一次提出“30·60”的概念。

在國際碳行動夥伴組織(ICAP)2020年度全球碳市場進展報告中可以看出世界各類行業碳排放現狀能源消耗佔73.2%,2020年中國各類行業碳排放現狀中顯示能源佔77%,中國碳排放量約為103億噸,佔全球份額增至30%,其中廢水處理的碳排放量佔2%左右,約2億噸。污水處理行業碳排放總量可觀,實現污水行業碳中和是不可迴避的責任。

在這種國內、國際的形勢下,上海市制定了更加嚴格的目標,出台了《上海市城市總體規劃(2017-2035年)》、《上海市生態環境保護“十四五”規劃》、《上海市2021年節能減排和應對氣候變化重點工作安排》,以及全國碳交易市場今年也在上海上線。

陳廣介紹,上海碳達峯階段一共有五大發力方向:構建清潔低碳安全高效的能源體系、實施重點行業領域減污降碳行動、推動綠色低碳技術實現重大突破、完善綠色低碳政策和市場體系、提升生態碳匯能力。

瞭解碳排放現狀,探索“雙碳”目標下,水務的未來

在高目標要求下,上海在“碳達峯、碳中和”方向上的工作也在陸續的開展和推開。陳廣以具體項目運行實踐為案例,介紹了上海污水處理中心城區的碳排放現狀。

某污水處理廠採用污水處理類SBR工藝+污泥幹化焚燒工藝,處理規模是污水設計規模為40萬m³/d+污泥設計規模為72 tDs/d。工藝流程圖與水質指標如下:

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陳廣介紹,以該污水處理廠為例進行温室氣體核算。本次核算範圍包括範圍一CH4(污水預處理、污水生物處理)、N2O(污水預處理、污水生物處理、污泥焚燒)。範圍二電能、熱能、藥劑。由於範圍三涉及的上下游鏈條端企業多,數據較難掌握,以及範圍四是生物源碳排放,所以暫不納入本次計算。本次核算是經過精密的估算,電耗、藥耗等數據來源都是實際數據,其中排放因子是參考IPCC的推薦值和文獻研究的推薦值。具體核算公式及各指標核算公式如下:

在污水處理工藝段,參與核算的各數值如下表顯示:

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通過計算得出,按照核算範圍評估,能耗類間接排放量佔比最大達到80%,藥耗間接排放量佔17%,CH4和N2O的直接排放僅佔2%和1%。按照工藝段評估,生物處理段碳排放量佔比最大,已經超過50%。其次是深水處理段和輔助設施段的碳排放量,預處理段和出水段的碳排放量佔8.91%和3.62%。

污泥處理工藝段,參與核算的各數值如下表顯示:

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通過計算得出,按核算範圍評估,間接碳排放量佔比最大,其中電能和熱能間接碳排量為38%和27%。按工藝評估,污泥處理過程中,幹化段與焚燒段的碳排量最高,達到40%和35%。

通過以上的污水處理工藝段和污泥處理工藝段的數據進行總結髮現,污水處理段碳排放總量佔63%,污泥處理段碳排放總量佔37%,污水處理段的碳排放總量比污泥處理段高1.7倍。陳廣指出,直接排放佔11%,間接排放佔89%,所以間接碳減排是減碳的重點研究對象。

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結合以上分析,再來看上海的實際情況。目前上海中心城區污水量約610萬m³/d,污泥全量焚燒。2021年,上海中心城區污水處理碳排放強度達峯,達到0.45 kgCO2·eq/m³。上海中心城區污水處理碳排放總量在100萬噸/年。在“十四五”階段上海中心城區還會新增設備等,推測在2025年上海中心城區污水處理碳排放總量達峯,達到120萬噸/年。減碳的重點也要放在能耗上。

陳廣強調,改變現狀的方法一定是探索,目前已經有許多的減碳技術在探索和實踐。從下圖可以看出,技術越是接近原點,則技術越成熟。關於污水處理廠減碳技術的探索有很多方面的技術,例如節能降耗技術中的智能加藥、智能曝氣、餘熱利用污泥協同消化等,清潔能源替代技術中的光伏發電、水源熱泵、熱電聯產等,碳匯技術的中水回用、氮磷回收、灰渣資源化……

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上海城投實踐的項目中,大部分採用的是成熟的技術,有一些技術正處於研發階段,等技術成熟,也會進行項目實踐的嘗試。

技術從不是紙上談兵,一定是實戰操練

“實踐是檢驗真理的唯一標準”,判斷一個技術是否有效,不僅需要大量的研究,也需要更多的實踐經驗積累。論壇現場,陳廣以上海城投具體的實踐為例,重點介紹了相關技術在案例實踐中的效果。

泰和污水處理廠:智能曝氣技術+智能加藥技術

泰和污水處理廠的處理規模為40萬噸/天,技術特點是精確曝氣控制系統升級,增加氨氮優化模塊和低負荷模塊,進一步降低曝氣環節電耗。當進水高負荷時,系統將根據設定的氨氮值自動計算所需的溶解氧設定值,並驅動空氣閥和鼓風機自動調整;當進水低負荷時,系統將自動優化溶解氧設定值,防止過渡曝氣。

與初設相比,生物處理段電耗可降低15%以上,約每天節省電7000kwh。通過智能曝氣可達到年碳減排量約2013tCO2·eq/yr。

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該項目中,對於智能加藥環節採用的技術有除磷加藥和尾水消毒。除磷加藥:基於專家系統控制原理,設定出水TP目標值後系統根據高沉池進水流量,TP、SS以及出水TP的實時值自動計算出PAC投加量,在保證出水TP達到目標值的前提下減少了PAC的投加量。尾水消毒:採用前饋+反饋的閉環控制邏輯,根據瞬時流量和出水餘氯實時值自動調節次氯酸鈉投加量,兼顧消毒效果和餘氯達標的基礎上減少了次氯酸鈉投加量。

與初設相比,藥耗降低了30%~50%,其中PAC減少了7227噸/年,次氯酸鈉減少了1840噸/年。通過智能加藥可以達到年碳減排量2293tCO2·eq/yr。

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白龍港污水處理廠:水源熱泵技術+熱電聯產技術

白龍港污水處理廠水源熱泵技術應用規模為2.88萬噸/天污水量,服務範圍在辦公區域1800m³,採用供暖製冷方案。

該項目採用的水源熱泵技術體現如下特點:採用白龍港污水處理廠處理後的再生水作為熱泵系統的低品位熱源,利用熱泵技術實現為建築供暖製冷的目的。年可回收熱量:15582 GJ。年標煤減少423.28噸。通過水源熱泵技術可以達到年碳減排量約1109tCO2·eq/yr。陳廣介紹,在該項目中,水源熱泵技術做了很多嘗試,目前方案已經制定好,最晚明年會推出。

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白龍港污水處理廠熱電聯產環節的設計規模為5MW,年發電量2200萬kwh。技術特點:利用沼氣內燃熱電聯產技術,結合原有沼氣熱水鍋爐,實現發電和餘熱資源的最大化利用,綜合能源利用效率達到75%。通過熱電聯產技術可達到年碳減排量約2.09萬tCO2·eq/yr。該方案已經制定好,目前處於前期推進階段。

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白龍港、石洞口和竹園第二污水處理廠:光伏發電技術

在白龍港污水處理廠、石洞口污水處理廠以及竹園第二污水處理廠中,光伏發電的設計規模共計131MW,其中,白龍港廠108MW、石洞口廠8MW、竹園二廠15MW,三個廠的年發電總量為1.5億度。三個水廠的光伏發電技術特點包括:組件採用535Wp單晶單面半片組件,安裝傾角5°,通過柔性光伏支架安裝在水池上空。通過光伏技術可達到年碳減排量約CO2為10萬tCO2·eq/yr。

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城投污水公司:灰渣製備水泥原料

城投污水公司年灰渣使用量有10萬噸,灰渣是通過污泥焚燒,並得到資源化利用。產品類型有2種:水泥鐵質校正料符合《鋼鐵冶煉塵泥制鐵質校正料》(T∕CECS10079-2019)標準和複合粉煤灰符合《用於水泥和混凝土中的粉煤灰》(GB/T 1596-2017)標準,通過灰渣製備水泥原料可達到年碳減排量5.4萬tCO2·eq/yr。

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陳廣強調,技術從來都不是從書上抄來的,是查閲了很多文獻,並結合實際情況做出的具體方案。值得一提的是,泰和污水處理廠、白龍港污水處理廠等污水廠實行的技術和方案都得到了很好的運行,並在今年3月,白龍港污水處理廠、泰和污水處理廠以及石洞口污水處理廠獲得首屆“雙百跨越”污水處理標杆污水處理廠的榮譽。

大膽展望未來,期待合作共贏

在“雙碳”目標下,上海城投做了非常大膽的展望。“2025年節能降耗技術降10%的CO2排放量,碳匯技術降5%的CO2排放量,清潔能源替代技術降10%CO2排放量,2025年整體降25%;2030年降30%CO2排放量,2040年降90%CO2排放量,直到2050年政策與新技術的支持達到降低100%CO2排放量,實現我國的碳中和目標。”

“只有設立了更高的目標,行業和企業才會更加努力的去實現目標”。陳廣坦言,這樣目標的確立,也是基於上海城投做了許多嘗試,“十四五”期間,將陸續落地。到目前為止,這其中的很多方案都經過專家論證,結果是完全可以實現。


陳廣指出:“雙碳目標的實現,包括高質量發展的需求,都是考驗智力、耐力、定力的事。道阻且長、行則將至,行而不輟,未來可期!共勉。”

在“雙碳”目標下,要真正實現環保和低碳是一個很難的課題,需要行業共同的智慧。陳廣表示,目前上海城投已經做了很多嘗試和技術積累,他強調,上海城投期待與更多行業優秀企業合作和共贏。也歡迎更多有好的技術以及對其他技術有好的想法和構思的行業同仁,與上海城投聯繫和合作。


編輯:李丹

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