李振華　黃金陽

摘? ? 要：針對碳中和引發(fā)廣泛而深刻的系統(tǒng)性變革，每個行業(yè)都須明確各自的碳減排路徑，污水處理行業(yè)的碳中和運行勢在必行。因此，高校給排水科學與工程專業(yè)人才培養(yǎng)須把碳中和理念融入到“污水廠課程設(shè)計”教學中，可從污水廠有機能量回收與利用、污水余溫熱能回收與利用、污水廠光伏發(fā)電潛能開發(fā)、污水的水力利用和污水的再生回用五個方向展開探索，深挖污水廠的碳中和潛力，做到減污降碳協(xié)同增效。

關(guān)鍵詞：碳中和;污水廠;給排水;課程設(shè)計;碳足跡

中圖分類號：? G642? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? 文章編號：1002-4107（2022）05-0043-03

在2020年9月第七十五屆聯(lián)合國大會上，我國向世界作出莊重承諾，我國二氧化碳排放將力爭于2030年前實現(xiàn)碳達峰、2060年前實現(xiàn)碳中和[1]。隨后，生態(tài)環(huán)境部印發(fā)的《關(guān)于統(tǒng)籌和加強應(yīng)對氣候變化與生態(tài)環(huán)

境保護相關(guān)工作的指導意見》指出，突出協(xié)同增效，推動實現(xiàn)減污降碳協(xié)同效應(yīng)[2]。住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部舉辦了“城鄉(xiāng)建設(shè)綠色低碳發(fā)展”專題講座。講座從綠色低碳發(fā)展的要求、目前發(fā)展的主要問題、減少碳排放的目的、實現(xiàn)減碳和轉(zhuǎn)型發(fā)展的任務(wù)、落實任務(wù)的保障措施等方面，指出我們應(yīng)共同為之努力減少直接碳排放和間接碳排放[3]。作為城鄉(xiāng)水體減污主要抓手之一的污水廠，雖然這些年一直在強調(diào)節(jié)能減排，但是目前仍舊主要以高能耗高碳排換取高水質(zhì)的傳統(tǒng)模式在運行。這種處理過程消耗大量化石燃料并排放大量溫室氣體，與此同時污水中COD蘊含的巨大有機化學能又未被挖掘及利用[4]。因此，今后能量平衡與碳中和必須同時納入我國污水處理行業(yè)的未來發(fā)展方向和考評體系，即力爭實現(xiàn)污水廠能量中和與碳中和運行。那么，作為高校給排水科學與工程專業(yè)的人才培養(yǎng)，該如何“擁抱”雙碳時代，該如何將碳中和理念融入具體課程教學，筆者作為一名給排水科學與工程專業(yè)教師，認為這些問題是不可回避的。下面將以“污水廠課程設(shè)計”這門專業(yè)實踐課程為例，對碳中和理念融入該課程教學與實踐展開探索。

一、污水處理碳中和的意義

碳中和是指企業(yè)、團體或個人測算在一定時間內(nèi)直接或間接產(chǎn)生的溫室氣體排放總量，然后通過植物造樹造林、節(jié)能減排等形式，抵消自身產(chǎn)生的二氧化碳排放量，實現(xiàn)二氧化碳“零排放”[5]。同時，碳中和又是一個非常復(fù)雜的系統(tǒng)工程，需要通過多種技術(shù)渠道及各行各業(yè)努力去減少碳排放。那么，具體到污水處理行業(yè)，污水處理碳中和意味著什么，又該如何實現(xiàn)呢？

首先，需要明確的是，目前我國污水處理行業(yè)是耗能大戶。據(jù)統(tǒng)計，我國2014年污水廠電耗占全國總電耗的0.26%，算上工業(yè)廢水處理和污泥處理處置，所占比例將超過2%。全國城鎮(zhèn)污水處理管理信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)顯示，2007—2018年我國污水處理單位電耗和削減單位污染物電耗在持續(xù)增長，2020年市政污水處理全行業(yè)耗電更是達到約184億度[6]。曾經(jīng)行業(yè)內(nèi)就有人發(fā)出過“如何拯救耗電量如此之高的污水廠”的聲音。其次，污水處理中還需要消耗大量燃料和藥劑，間接排放大量溫室氣體，同時其處理過程本身也會直接排放部分溫室氣體。已有研究表明，我國市政污水行業(yè)的溫室氣體排放量在2016年已達到5 414萬噸二氧化碳當量，同期整個污水處理行業(yè)的碳排放量約為1.97億噸二氧化碳當量，占全國總排放量的1.71%[7]。所以，從能量轉(zhuǎn)化的角度來說，目前我國的污水處理模式基本是以能耗換水質(zhì)。為了減少水污染，我們使用大量電能，間接導致大量二氧化碳排放，故污水處理行業(yè)的碳排放不容忽視。

然而，從能量利用的本源上分析，根據(jù)污水化學能與熱能計算顯示，城鄉(xiāng)污水中所蘊含的潛能（有機化學能和熱能） 值可達污水處理耗能的9～10倍[8]。換句話說，污水凈化處理所需能耗完全是可以“自給自足”的，甚至還有富余能量可利用，使之“變身”為能量輸出廠，以用于抵消部分碳排放。因此，污水處理其實具備很大碳中和運行潛力。目前國際上已存在能完全實現(xiàn)能量自給與碳中和運行的污水廠實際案例[9]。所以，為實現(xiàn)我國對世界碳中和的莊重承諾，我國污水廠的碳中和運行潛力亟待挖掘和開發(fā)。

二、“污水廠課程設(shè)計”教學現(xiàn)狀

“污水廠課程設(shè)計”是培養(yǎng)給排水科學與工程專業(yè)學生工程設(shè)計能力和創(chuàng)新能力實踐教學重要環(huán)節(jié)之一，是對“水質(zhì)工程學”理論課教學的重要補充。通過“污水廠課程設(shè)計”的學習，加深學生對有關(guān)廢水處理理論的理解，使學生學會文獻和設(shè)計資料使用方法，掌握水處理工藝選擇與工藝計算的方法，掌握平面布置圖、高程圖及主要構(gòu)筑物的繪制方法，學會有關(guān)工程設(shè)計文件的編制方法，培養(yǎng)學生具備一定的設(shè)計和工程制圖能力。此外，“污水廠課程設(shè)計”是給排水科學與工程專業(yè)本科畢業(yè)設(shè)計的先行課程，將為學生更好地完成本科畢業(yè)設(shè)計打下良好的基礎(chǔ)。

目前“污水廠課程設(shè)計”教學方案已實施多年，如圖1所示。與給排水科學與工程專業(yè)其他課程設(shè)計一樣，在設(shè)計開始前，教師先向?qū)W生分發(fā)設(shè)計任務(wù)書，并告知相關(guān)設(shè)計資料的查找和收集方法;學生根據(jù)設(shè)計任務(wù)書的要求，進行資料收集、工藝比選和設(shè)計計算，最后再進行CAD繪圖。在課程設(shè)計過程中，尤其是在選擇污水處理和污泥處理處置工藝時，主要依據(jù)進出水水質(zhì)、處理規(guī)模、能耗和成本等因素來確定，而基本未從污水廠的碳排放與碳中和維度進行探究。形成目前“污水廠課程設(shè)計”教學模式的原因是，我國這些年在污水處理工程設(shè)計和運營領(lǐng)域，污染物降解及出水指標穩(wěn)定達標一直是教師關(guān)注和考核的重點，當然，這些都是水健康良性循環(huán)的重要基礎(chǔ)和保障。因而“污水廠課程設(shè)計”的教學，也就始終圍繞水質(zhì)達標和污染物減量在展開，同時盡量優(yōu)化設(shè)計，降低污水廠運行的能耗和藥耗。然而，這種教學模式下設(shè)計出的污水廠并不低碳，在實際運行時不僅會消耗大量能量，而且還會排放大量溫室氣體。

三、“污水廠課程設(shè)計”教學中融入碳中和理念與實踐

鑒于“污水廠課程設(shè)計”的教學現(xiàn)狀，以及我國污水處理碳中和的現(xiàn)實需求，今后我國污水廠不僅要繼續(xù)減污，還要同時降碳。因此，很有必要在目前“污水廠課程設(shè)計”教學方案的基礎(chǔ)上融入碳中和理念與實踐。根據(jù)已有研究表明，污水廠各部分都存在碳排放，其中污水處理部分“貢獻”了約60%的排放量，污泥處理處置單元“貢獻”了約21%的排放量[7]。此外，污水廠碳足跡與減排潛力分析表明，今后污水處理實現(xiàn)碳中和技術(shù)路徑主要通過有機能量利用、余溫熱能回收、光伏發(fā)電反哺、污水的水力利用和污水的再生回用五個方向來直接或間接補償污水廠的碳排放[10]。那么，具體到“污水廠課程設(shè)計”的教學改革，我們也可從以下五個方向，探索碳中和理念與實踐融入教學，深入挖掘污水廠的碳中和潛力，做到減污降碳協(xié)同增效。

一是污水廠有機能量回收與利用。傳統(tǒng)污水處理是將進水中的COD大部分好氧轉(zhuǎn)化為二氧化碳，一部分以剩余污泥等方式排出系統(tǒng)，小部分被厭氧消化轉(zhuǎn)化為甲烷。目前“污水廠課程設(shè)計”也是基于上述傳統(tǒng)理念進行教學。然而，這種模式不但能耗高，而且二氧化碳排放量大。盡管污水廠COD轉(zhuǎn)化的二氧化碳因大多是生源性的，目前國際上一般不將其計入碳排放清單，但是若能使COD在污水處理中的碳足跡由“污染物降解途徑”轉(zhuǎn)向為“能源化利用途徑”，這樣不僅能最大化地實現(xiàn)污水中有機能源的回收，而且還可使后續(xù)生化曝氣的能耗降至最低。那么，要實現(xiàn)污水中“碳源轉(zhuǎn)移”，設(shè)計時就須在污水處理前端最大程度地實現(xiàn)對原污水中有機碳源的捕獲與分離，前端工藝設(shè)計時可采用生物絮凝為主的高負荷活性污泥法、化學強化一級處理、厭氧生物膜反應(yīng)器等來濃縮提取碳源。然后，再采用高效厭氧消化和熱電聯(lián)產(chǎn)耦合實現(xiàn)COD有機化學能轉(zhuǎn)化為電能。此外，由于原污水中的大部分COD在污水處理前端被“提取”轉(zhuǎn)移到能源化利用，這就會導致后續(xù)處理單元有機碳源缺乏，污水碳氮比較低，常規(guī)生物脫氮工藝就無法高效脫氮。所以，設(shè)計時須采用新型自養(yǎng)生物脫氮技術(shù)，如短程硝化—厭氧氨氧化技術(shù)等。

二是污水余溫熱能回收與利用。據(jù)測算，污水中的熱能儲量遠高于污水中的有機能量，實際可回收的熱能是污水中有機能量的九倍之多[11]。不過，污水余溫熱能只能被作為熱與冷輸出供熱或制冷的低品位能源，它不能像甲烷那樣用于發(fā)電。所以，絕大部分污水余溫熱能要靠輸?shù)綇S內(nèi)外供社會生活利用，可用于代替或彌補高品位能源（電、天然氣等），從而減少大量社會碳排放，這些被節(jié)省的碳排放就可以用來抵消污水廠自身電耗的碳足跡。也就是說，污水余溫熱能供應(yīng)社會生活的熱與冷清潔能源可被作為一種“碳匯”，以“碳交易”方式折算能量來彌補污水廠的碳排。因此，在今后的“污水廠課程設(shè)計”中，我們須設(shè)置水源熱泵機組，利用污水廠出水作為水源熱泵制冷或制熱的水源。污水廠通過季節(jié)性熱量交換，從污水中獲得的冷、熱量不僅可以供污水處理內(nèi)部使用（如辦公場所空調(diào)、厭氧消化池加熱等），也可將之送往附近工業(yè)與民用建筑作供熱與制冷之用。這種通過污水源熱泵對污水中的余溫熱能進行回收和利用的方式，在我國北京市的許多污水廠內(nèi)已經(jīng)屢見不鮮，正在為北京市的碳減排作貢獻。

三是污水廠光伏發(fā)電潛能開發(fā)。污水廠充分利用廠內(nèi)建筑物和各處理單元頂部空間安裝光伏板，通過太陽能光伏發(fā)電為污水廠提供一定的電能供給，充分發(fā)揮“水務(wù)+光伏”的天然優(yōu)勢，以實現(xiàn)削峰填谷與清潔發(fā)電，降低污水廠用電成本，從而減少污水廠電耗產(chǎn)生的間接碳排。當前我國政府積極鼓勵污水處理企業(yè)綜合利用場地空間，開展立體的太陽能光伏面板的鋪設(shè)及相關(guān)儲能設(shè)施與并網(wǎng)設(shè)施建設(shè)，采用“自發(fā)自用、余量上網(wǎng)”模式建設(shè)光伏發(fā)電項目。尤其是在太陽光日照時間長、強度大地區(qū)設(shè)計污水廠時，“污水廠+光伏模式”潛能巨大。當然，因為污水廠光伏發(fā)電設(shè)計已超越了給排水工程的設(shè)計范圍，所以要想完成污水廠分布式光伏電站設(shè)計，必須借助電力設(shè)計院的專業(yè)設(shè)計，讓市政設(shè)計院和電力設(shè)計院聯(lián)手，打通設(shè)計的“最后一公里”。那么，對于“污水廠課程設(shè)計”的教學而言，首先，須讓學生了解太陽能光伏發(fā)電的基本知識，并優(yōu)化設(shè)計構(gòu)筑物頂部空間，以利于光伏板組件的安裝;其次，學會看懂基本的電氣工程圖紙，以便于和電氣設(shè)計專業(yè)工程師進行高效溝通;最后，建議在“污水廠課程設(shè)計”的先導課程“水質(zhì)工程學”和“給排水儀表與控制”中，引入污水廠光伏發(fā)電的有關(guān)內(nèi)容。

四是污水的水力利用。污水水力利用是指在污水廠管道內(nèi)安裝水力渦輪機進行水力發(fā)電，利用流動污水的液壓能量推動渦輪發(fā)電機，繼而產(chǎn)生電力。這樣不僅有助于節(jié)省污水廠的電費開支，還能利用水力發(fā)電，間接減少化石能源發(fā)電產(chǎn)生的碳排放。當然，此種污水水力渦輪發(fā)電模式需要污水廠內(nèi)水流具有較大的動能以帶動渦輪機。換句話說，越高的水流流速及越高的有效水壓力，可產(chǎn)生的電力愈大。據(jù)文獻報道，香港特別行政區(qū)政府渠務(wù)署在昂船洲污水廠（全港處理污水量最大的污水廠）安裝了一套水力渦輪發(fā)電系統(tǒng)，并于

2018年底成功投產(chǎn)。系統(tǒng)平均每月可產(chǎn)電量超過1萬千瓦時，約等于25個香港家庭每月平均用電量的總和。昂船洲污水廠的污水水力發(fā)電是充分利用了該廠每天245萬噸的超大處理規(guī)模和46座雙層沉淀池垂直豎井內(nèi)的水位落差而實現(xiàn)的[12]。因此，在“污水廠課程設(shè)計”教學中，須向?qū)W生明確指出，要想實現(xiàn)污水的水力發(fā)電，必須滿足兩個基本條件：一是污水廠處理規(guī)模較大，二是廠內(nèi)水流存有較大的水位落差或水頭富余，否則會因發(fā)電量有限而得不償失，反而大大提升了污水廠的投資和運營成本。

五是污水的再生回用。污水再生回用是指將污水進行深度處理達到一定回用標準后，回用到和人體非直接接觸的用水領(lǐng)域，例如農(nóng)業(yè)灌溉用水、景觀用水、沖廁用水及生態(tài)補水等，實現(xiàn)水資源的循環(huán)使用，從而極大地提高水資源利用率。這樣就可以在節(jié)約大量水資源的同時，降低用水的輸送和凈化成本，從而減少大量電耗碳足跡和藥耗碳足跡，達到間接減碳的目的。與前述污水廠碳減排的四個探索方向相比，我國在污水再生回用設(shè)計和運營方面可以說是“駕輕就熟”了。目前，我國很多大中城市都設(shè)置了單獨的再生水廠，并在城市和小區(qū)內(nèi)鋪設(shè)了專用的再生水管道，即俗稱的中水管。另外，部分高校的“污水廠課程設(shè)計”中，已覆蓋了污水的再生回用設(shè)計。

四、結(jié)論

碳中和是一場廣泛而深刻的系統(tǒng)性變革，也是未來各國科技創(chuàng)新的競爭高地。因此，每個行業(yè)須對各自的碳減排路徑了然于胸，對作為水體健康良性循環(huán)重要保障之一的污水處理行業(yè)的碳減排必須予以重視，污水廠的碳中和運行勢在必行。那么，高校給排水科學與工程專業(yè)人才培養(yǎng)就須把碳中和理念融入課程教學?！拔鬯畯S課程設(shè)計”作為培養(yǎng)給排水科學與工程專業(yè)學生工程設(shè)計能力和創(chuàng)新能力實踐教學的重要環(huán)節(jié)之一，要根據(jù)污水處理碳中和的現(xiàn)實需求，在目前“污水廠課程設(shè)計”教學方案的基礎(chǔ)上，從污水廠有機能量回收與利用、污水余溫熱能回收與利用、污水廠光伏發(fā)電潛能開發(fā)、污水的水力利用和污水的再生回用五個方向探索碳中和理念與實踐，并融入教學中，深入挖掘污水廠的碳中和潛力，做到減污降碳協(xié)同增效。

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