碳中和理念融入“污水廠課程設(shè)計”教學(xué)初探

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(xué)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(xué)中，可從污水廠有機(jī)能量回收與利用、污水余溫?zé)崮芑厥张c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(xiàn)標(biāo)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(dá)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(qiáng)應(yīng)對氣候變化與生態(tài)環(huán)

境保護(hù)相關(guān)工作的指導(dǎo)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(qiáng)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(yùn)含的巨大有機(jī)化學(xué)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(xué)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(xué)，筆者作為一名給排水科學(xué)與工程專業(yè)教師，認(rèn)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(xué)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(tuán)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(dá)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(dá)到5 414萬噸二氧化碳當(dāng)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(dāng)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(dǎo)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(xué)能與熱能計算顯示，城鄉(xiāng)污水中所蘊(yùn)含的潛能（有機(jī)化學(xué)能和熱能） 值可達(dá)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(xué)現(xiàn)狀

“污水廠課程設(shè)計”是培養(yǎng)給排水科學(xué)與工程專業(yè)學(xué)生工程設(shè)計能力和創(chuàng)新能力實踐教學(xué)重要環(huán)節(jié)之一，是對“水質(zhì)工程學(xué)”理論課教學(xué)的重要補(bǔ)充。通過“污水廠課程設(shè)計”的學(xué)習(xí)，加深學(xué)生對有關(guān)廢水處理理論的理解，使學(xué)生學(xué)會文獻(xiàn)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(xué)會有關(guān)工程設(shè)計文件的編制方法，培養(yǎng)學(xué)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(xué)與工程專業(yè)本科畢業(yè)設(shè)計的先行課程，將為學(xué)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(xué)方案已實施多年，如圖1所示。與給排水科學(xué)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(xué)生根據(jù)設(shè)計任務(wù)書的要求，進(jìn)行資料收集、工藝比選和設(shè)計計算，最后再進(jìn)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(jìn)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(jìn)行探究。形成目前“污水廠課程設(shè)計”教學(xué)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(biāo)穩(wěn)定達(dá)標(biāo)一直是教師關(guān)注和考核的重點，當(dāng)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(xué)，也就始終圍繞水質(zhì)達(dá)標(biāo)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(xué)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(xué)中融入碳中和理念與實踐

鑒于“污水廠課程設(shè)計”的教學(xué)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(xué)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(xiàn)”了約60%的排放量，污泥處理處置單元“貢獻(xiàn)”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(jī)能量利用、余溫?zé)崮芑厥?、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(bǔ)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(xué)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(xué)，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(jī)能量回收與利用。傳統(tǒng)污水處理是將進(jìn)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(jìn)行教學(xué)。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(jī)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(jī)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(fù)荷活性污泥法、化學(xué)強(qiáng)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(jī)化學(xué)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(dǎo)致后續(xù)處理單元有機(jī)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?zé)崮芑厥张c利用。據(jù)測算，污水中的熱能儲量遠(yuǎn)高于污水中的有機(jī)能量，實際可回收的熱能是污水中有機(jī)能量的九倍之多[11]。不過，污水余溫?zé)崮苤荒鼙蛔鳛闊崤c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?zé)崮芤枯數(shù)綇S內(nèi)外供社會生活利用，可用于代替或彌補(bǔ)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?zé)崮芄?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(bǔ)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(jī)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?zé)崮苓M(jìn)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(xiàn)。

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(dāng)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(qiáng)度大地區(qū)設(shè)計污水廠時，“污水廠+光伏模式”潛能巨大。當(dāng)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(xué)而言，首先，須讓學(xué)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(xué)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(jìn)行高效溝通;最后，建議在“污水廠課程設(shè)計”的先導(dǎo)課程“水質(zhì)工程學(xué)”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(jī)進(jìn)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(jī)，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(dāng)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(jī)。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(xiàn)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(xué)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(jìn)行深度處理達(dá)到一定回用標(biāo)準(zhǔn)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(bǔ)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(dá)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(xué)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(xué)。“污水廠課程設(shè)計”作為培養(yǎng)給排水科學(xué)與工程專業(yè)學(xué)生工程設(shè)計能力和創(chuàng)新能力實踐教學(xué)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(xué)方案的基礎(chǔ)上，從污水廠有機(jī)能量回收與利用、污水余溫?zé)崮芑厥张c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(xué)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。

參考文獻(xiàn)：

[1]習(xí)近平.在第七十五屆聯(lián)合國大會一般性辯論上的講話[J].中華人民共和國國務(wù)院公報，2020（28）.

[2]柴麒敏.全國“一盤棋”積極主動作為推動碳達(dá)峰碳中和[N].中國環(huán)境報，2021-01-25（2）.

[3]本刊.城鄉(xiāng)建設(shè)綠色低碳發(fā)展的思考——專訪住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部標(biāo)準(zhǔn)定額司司長田國民[J].建筑，2021（14）.

[4]劉智曉.未來污水處理能源自給新途徑——碳源捕獲及碳源改向[J].中國給水排水，2017（8）.

[5]鄧旭，謝俊，滕飛.何謂“碳中和”？[J].氣候變化研究進(jìn)展，2021（1）.

[6]常紀(jì)文，井媛媛，耿瑜，等.推進(jìn)市政污水處理行業(yè)低碳轉(zhuǎn)型，助力碳達(dá)峰、碳中和[J].中國環(huán)保產(chǎn)業(yè)，2021（6）.

[7]陸家緣.中國污水處理行業(yè)碳足跡與減排潛力分析[D].中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)，2019.

[8]Shizas I，Bagley D M.Experiment determination of energycontent of unknown organics in municipal wastewater?streams[J].J Energy Eng，2004（2）.

[9]郝曉地，程慧芹，胡沅勝.碳中和運行的國際先驅(qū)奧地利Strass污水廠案例剖析[J].中國給水排水，2014（22）.

[10]郝曉地，張益寧，李季，等.污水處理能源中和與碳中和案例分析[J].中國給水排水，2021（20）.

[11]郝曉地，黃鑫，劉高杰，等.污水處理“碳中和”運行能耗赤字來源及潛能測算[J].中國給水排水，2014（20）.

[12]胡國釗，杜鈞明，李宗良.香港首套通過污水流動發(fā)電的水力渦輪系統(tǒng)[J].中國給水排水，2020（22）.