双碳目标下城镇污水处理的智慧化、资源化新业务发展启示

2020年，习总书记强调，要把碳达峰、碳中和纳入生态文明建设整体布局。2021年，《中华人民共和国国民经济和社会发展第十四个五年规划和2035年远景目标纲要》指出“完善水污染防治流域协同机制，加强重点流域、重点湖泊、城市水体和近岸海域综合治理，推进美丽河湖保护与建设，化学需氧量和氨氮排放总量分别下降8%，基本消除劣Ⅴ类国控断面和城市黑臭水体。” 基于此，城镇污水处理行业将向着可持续发展的目标前进，以缓解生态环保压力，为加快建设美丽中国奠定基础。

背景与现状

十三五期间全国地表水总体水质状况

十三五期间，全国地表水监测的水质断面（点位）中，Ⅰ-Ⅲ类水水质断面逐步上升，劣Ⅴ类水逐步下降，如下图，可以得到，十三五末期的Ⅰ-Ⅲ类水占比已达83.4。

十三五期间全国地表水总体水质状况

近年废水中主要污染物排放情况

根据2013-2017年《中国统计年鉴》，我国废水排放总量保持在700亿吨，其中废水中COD、氨氮（NH4+）、总氮（TN）、TP排放量如下图，可见2015年国务院发布了《水污染防治行动计划》（简称“水十条”）后，这几种污染物排放量得到了削减。

近年废水中主要污染物排放量

注：其中2015、2016年数据为初步数。2015年“水十条”指出了敏感区域（重点湖泊、重点水库、近岸海域汇水区域）城镇污水处理设施于2017年底前全面达到一级A排放标准。

行业发展历程

Q：1、建国以来中国污水处理行业历经了怎样的发展过程？

Q：2、面向未来的污水处理行业将走向何方？

我国污水处理行业发展过程

Q：目前存在哪些机遇与挑战？

中国已形成全链条、规模庞大的污水行业，污水管理模式也从单一的政府主导建设运营转变为政府和企业共同参与的多元体制。但是，也存在诸多挑战：

1、污水处理厂设计和运营不符合可持续发展的需求。

2、县级下水道系统发展滞后。

3、污水处理厂的污水排放标准与当地需求不匹配

4、中国的污水管理实践缺乏人与自然和谐发展的全球思维。

5、污泥处置不当；

6、邻避效应。

城镇污水及其处理现状

城镇污水指由城镇排水系统收集的生活污水、工业废水、部分城镇地表径流（雨雪水），是一种综合污水。污水所含的污染指标常分为物理、化学、生物三类，如下图，其中《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB18918-2002）对其中项目设置排放浓度限值。

污水污染指标

我国城镇污水处理现状，1、污水处理厂自控程度较低，缺少精细化管理；2、污水处理厂与污水管网建设不协调；3、污水厂运行管理水平亟需提高；4、基建与运行费用高；5、资源化应用较少；6、污泥处理量大，处理费用高。

智慧化、低碳化、资源化的污水处理技术

低碳化的污水处理模式

城镇生活污水处理系统是碳排放的重要来源之一。污水处理行业蕴含的高效减排潜力，将其列入碳减排重点领域，并探索出了一些可行的碳减排路径。观察发达国家的供水和污水处理行业，对我国污水处理行业有一定启示，如下图，以美国为例，在三个层面提高污水处理综合能效提出了路径。

在双碳目标的指引下，污水处理的主要环节应落实碳减排。其路径包括直接排放、间接排放。首先，减少曝气、搅拌、末端出水环节温室气体的释放、含碳有机物进入环境中。这要求更高效的机电设备、工艺。其次，减少能源与药品消耗，提高污泥处理处置、尾水回用率及适时应用光伏发电、水源热泵等工艺。

污水处理行业碳减排路径

资源化的污水处理模式

污水中蕴含着大量的能量，理论上是处理污水所需能量的很多倍。污水经处理后，其中的能量大部分转移到了污泥中，因此开发回收污泥中的能量具有极大的潜力。污泥能源化集中在厌氧方向，包括厌氧发酵产乙醇、厌氧发酵产氢和厌氧消化产甲烷三个技术路径，实践中普遍采用厌氧消化技术。

荷兰应用水研究基金会在2008年用“NEWs”概括未来污水处理厂的组成框架。“NEWs”是Nutrient（营养物）+Energy（能源）+Water factories（水工厂）的缩写，即营养物、能源、再生水三位一体的生产工厂。

营养物工厂概念工艺

能量工厂概念工艺

再生水厂概念工艺

智慧化在污水处理行业的应用启示

“智慧水务”是建设“智慧城市”的必要部分，是实现“美丽中国”的重要环节。随着物联网、大数据、人工智能等新技术融入污水处理行业，要确保居民用水安全，解决城市取水、供水、用水、排水等问题，必须应用新科技打造水务企业智能化运营平台，建立其在水资源方面的行业、企业大数据，为城镇水资源利用的布局、优化厂站及管网设计、高效率低成本运营提供基于数据驱动的决策依据。

近年，国内引进国外先进技术用于污水厂的自动控制系统，已广泛采用集散式监控系统，应用了自动化程度较高的检侧仪表，各种新工艺、新设备也大量出现并得到应用，取得了良好的效果。但污水处理厂自动化控制系统还应该在以下方面为水厂运营管理提供服务：1、自动化控制系统从经验式固定程序向智能化发展；2、污水处理自动控制系统中采用自动化控制系统，对数据进行统计、及挖掘分析，对污水处理工艺调整及优化、节约能源等方面提供辅助决策帮助。

行业发展趋势与展望

近几十年来，中国污水行业经历了高速增长，在基础设施建设、技术创新、人才培养等方面取得了进步，为未来的智慧化、低碳化、资源化发展奠定了坚实的基础。然而，未来仍然充满不确定性和挑战。预计随着人口的持续增长和城市化进程，水资源短缺将更加严重，而污水量将进一步增加。这将要求污水管理目标、政策和技术发生根本性变化，如下图：

污水处理行业展望

在不久的将来，中国正处于从发展中国家向发达国家的转型期，挑战和不确定性将更多。应对这些挑战，需要中国污水处理行业根据自身特点和需求，探索独特的可持续发展道路，包括开发注重资源回收、构建一体化和谐水生态的新概念工厂。

污水处理厂概念图