前沿关注 聊聊：有关污水处理碳中和技术-环境悖论的思考

作为水务行业，正常的思维和技术逻辑是：排放标准越高，那么受纳水体的水环境质量越好！因此，近些年来，有了越来越高的“地方排放标准”问世，甚至直接与地面水水环境质量标准的主要水质指标挂钩，如“准四类”、“准三类”，目前该趋势，谈不上愈演愈烈，但并没有明显的刹车迹象。


问题提出来，按目前做法，水是干净了，但是“大气”怎么样？“碳中和”战略下，我们这种不断加码排放标准的做法，是否是“环境友好”和“可持续”的？
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5 ~# J6 j4 z$ E# a1 D( U一、不同排放标准对温室气体(GHG)排放量的影响

  n2 w/ \( u3 z8 Z' ?/ l: a' x首先看图1：污水厂排放标准对GHG排放量的影响。
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: B/ n5 I$ a' J; @- w  R. w! }显然，随着排放标准的提升，污水厂向大气中排放的GHG呈逐渐提高甚至指数式上升的趋势。
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图2，不同等级的排放标准下藻类生长势与温室气体排放量关系，按照这个逻辑，排放标准高，水环境质量的表征指标-藻类生长势越低，而大气承受的温室气体排放越高。也就是说水环境和大气环境是“跷跷板"，改善了水环境则增加了碳排放，这显然与“碳中和”理念和碳减排的战略是相违的。
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图1.  不同排放标准对温室气体排放的影响
, ]  Z% X7 ]) {8 `3 [(*数据来源于美国方面的数据，中国由于C/N比过低，排放标准TN,TP高，因此，能耗/碳源/除磷药剂消耗量要远高于美国）
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图2. 不同等级的排放标准下藻类生长势与温室气体排放量关系
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) v! V& E0 J" g6 d# c当然，会有人说，污水厂排放那么点GHG，不会对全社会或者在人类活动中排放的GHG占比很小，但是这里有几组数据，说明污水行业的GHG排放占比情况：

1）下图3是“全球甲烷行动（GWI）”统计的污水甲烷排放量全球前十国家，我们国家不但赫然在列，而且排名第一（估计有人不解？）
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' l/ d" s- R) `8 S2 A7 `7 j2）Globally, methane from wastewater contributedan estimated512 MMTCO2E of methane emissions in 2010, accounting for approximately7 percent of total global methane emissions.（在全球范围内，2010年废水产生的甲烷排放量估计为512亿吨二氧化碳，约占全球甲烷排放总量的7%）。
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3）Around 5% (290 million tons) of totalannual GHG emissionsin theU.S.A. originate in the water sector (SattenspielandWilson,2009).（美国每年约有5%(2.9亿吨)的温室气体排放来自水行业(Sattenspiel和Wilson, 2009)。
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3 \0 i: ?7 I2 F$ X2 t' L% I, w4）Global anthropogenic GHG contribution  Waste and wastewater category –2.8%

(IPCC, 2007)（政府间气候变化专门委员会2007年估算数据，污水和有机废物处理领域GHG贡献率2.8%）

, g' q( I- n+ d8 C6 v基于以上数据，看来，我们尚不能轻视污水收集和污水处理过程GHG的排放问题，在全社会众多行业里也算是GHG排放大户，因此，污水行业的碳减排和碳中和从全社会GHG排放贡献率角度，还是要重视的。

二、革新性的处理工艺一定会给我们带来“环境友好”吗？

      一些革新性处理工艺，如主流厌氧氨氧化，侧流厌氧氨氧化等工艺，是近十年以来很多研究机构和水务公司趋之若鹜的热点研究领域；同时，一些污水厂采用协同厌氧消化耦合主流厌氧氨氧化或侧流厌氧氨氧化等工艺组合技术，已经实现了污水厂能耗完全自给，甚至成为电能输出厂，如奥地利Strass污水厂，已经成为国际污水厂运营能量自给的标杆。但是，最近，透过国际一些关于污水厂GHG排放的研究结果看，这些采用厌氧氨氧化的工艺并实现“电中和”的污水厂，探究起来，可能并没有实现“碳中和”，之前被认为“环境友好”的这些污水厂，已经受到质疑，如果不能解决厌氧氨氧化过程N2O的排放问题，诸如Strass能量自给的这类“高大上”的项目其“环境友好”性大打折扣甚至是被否定的。
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8 \3 h" `9 E& Z1 v图4. 不同处理工艺下能耗自给程度与GHG排放的关系（模拟）
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2 L& u# W% A! L支撑这个观点的研究结论图4所示（参加文献2），横坐标为不同处理工艺，1为模拟Stass污水厂“主流-侧流”DEMON工艺；2为A-B法，其中侧流工艺采用DEMON，6为传统A/O工艺且无侧流消化液处理。最终的比较结果看，侧流-主流都采用了厌氧氨氧化工艺，虽然实现了完全能耗自给，但是其GHG排放量却是上述工艺中最高的；反而是采用了传统工艺，GHG却是最低的。
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这个研究结论，似乎颠覆了我们对“碳中和”污水厂的传统认知。国际“碳中和”先驱STRASS污水厂主流侧流DEMON模式从温室气体排放角度，这种处理工艺反而是最高的。换句话说，如果不能解决N2O的问题，“电中和”可能相对容易实现了，未必能最终实现“碳中和”。
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De Haas博士（参考文献2）引用Schaubroek博士发表在Water research上的论文（参考文献3）并结合自己的研究结果提出，如果应用全生命周期（LCA)评价STRASS污水厂工艺模式，这个被称为能量完全自给的且实现资源回收的“最佳实践”案例，虽然的确带来了一些效益；但是如果以大环境角度看，如果不能解决N2O的问题，STRASS模式远不能称之为“环境友好”，因为其处理工艺通过直接排放大量的N20而对气候变化形成了潜在影响。

于是，基于上述几方面的问题，是需要我们回答和思考的：

1）“碳中和”背景下，污水排放标准走向何方？标准具体指标如何制定，如何平衡水环境质量改善与大气质量改善之间的关系，如何响应“碳中和”战略、“碳减排”策略？污水行业排放标准提高意味着碳增量，排放标准越高，GHG排放指数式上升，某种意义上讲，不能协同好“水-气”问题，可以说是污水处理过程无意中实现了污染物向大气的部分“污染转嫁”，水相中的部分C、N转嫁到大气形成温室气体。既要满足水质的达标排放，又要考虑碳中和、碳减排，这个度如何把控？

# {1 i3 i4 T, y4 r- A2）其次，未来准确识别和定义“能耗中和”（Energy neutrality）和“碳中和”（carbon neutrality)关系，是具有现实意义的；两者不能等同，否则电中和掩盖了“碳增量”；

3、技术本身层面，未来的厌氧氨氧化如何应用过程中最大限度解决好N2O的排放问题，要知道，N2O的CO2当量是CO2的298倍，是一个直接影响其未来应用前景的问题，环境友好，绿色低碳可持续，是未来污水处理技术发展的根本方向，我们“碳中和”战略下，节能环保行业是重点“减排”领域。目前看，似乎传统N/DN模式要比Anammox具有更少的N2O排放潜能，那Anammox的未来前景如何？如何在未来的技术发展中解决N2O的问题，这是下一步厌氧氨氧化必须面对和考量的问题。否则，N2O会使其大打折扣。

  n  l7 {& K+ F如果不能解决好上述问题，那我们就陷入了这个技术-环境悖论。决策部门，该如何平衡上述关系呢。我们从哪里来？我们又要往何处去？

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