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摘要：针对碳中和引发广泛而深刻的系统性变革，每个行业都须明确各自的碳减排路径，污水处理行业的碳中和运行势在必行。因此，高校给排水科学与工程专业人才培养须把碳中和理念融入到“污水厂课程设计”教学中，可从污水厂有机能量回收与利用、污水余温热能回收与利用、污水厂光伏发电潜能开发、污水的水力利用和污水的再生回用五个方向展开探索，深挖污水厂的碳中和潜力，做到减污降碳协同增效。
关键词：碳中和；污水厂；给排水；课程设计；碳足迹
在2020年9月第七十五届联合国大会上，我国向世界作出庄重承诺，我国二氧化碳排放将力争于2030年前实现碳达峰、2060年前实现碳中和[1]。随后，生态环境部印发的《关于统筹和加强应对气候变化与生态环境保护相关工作的指导意见》指出，突出协同增效，推动实现减污降碳协同效应[2]。住房和城乡建设部举办了“城乡建设绿色低碳发展”专题讲座。讲座从绿色低碳发展的要求、目前发展的主要问题、减少碳排放的目的、实现减碳和转型发展的任务、落实任务的保障措施等方面，指出我们应共同为之努力减少直接碳排放和间接碳排放[3]。作为城乡水体减污主要抓手之一的污水厂，虽然这些年一直在强调节能减排，但是目前仍旧主要以高能耗高碳排换取高水质的传统模式在运行。这种处理过程消耗大量化石燃料并排放大量温室气体，与此同时污水中COD蕴含的巨大有机化学能又未被挖掘及利用[4]。因此，今后能量平衡与碳中和必须同时纳入我国污水处理行业的未来发展方向和考评体系，即力争实现污水厂能量中和与碳中和运行。那么，作为高校给排水科学与工程专业的人才培养，该如何“拥抱”双碳时代，该如何将碳中和理念融入具体课程教学，笔者作为一名给排水科学与工程专业教师，认为这些问题是不可回避的。下面将以“污水厂课程设计”这门专业实践课程为例，对碳中和理念融入该课程教学与实践展开探索。
一、污水处理碳中和的意义
碳中和是指企业、团体或个人测算在一定时间内直接或间接产生的温室气体排放总量，然后通过植物造树造林、节能减排等形式，抵消自身产生的二氧化碳排放量，实现二氧化碳“零排放”[5]。同时，碳中和又是一个非常复杂的系统工程，需要通过多种技术渠道及各行各业努力去减少碳排放。那么，具体到污水处理行业，污水处理碳中和意味着什么，又该如何实现呢？首先，需要明确的是，目前我国污水处理行业是耗能大户。据统计，我国2014年污水厂电耗占全国总电耗的0.26%，算上工业废水处理和污泥处理处置，所占比例将超过2%。全国城镇污水处理管理信息系统数据显示，2007—2018年我国污水处理单位电耗和削减单位污染物电耗在持续增长，2020年市政污水处理全行业耗电更是达到约184亿度[6]。曾经行业内就有人发出过“如何拯救耗电量如此之高的污水厂”的声音。其次，污水处理中还需要消耗大量燃料和药剂，间接排放大量温室气体，同时其处理过程本身也会直接排放部分温室气体。已有研究表明，我国市政污水行业的温室气体排放量在2016年已达到5414万吨二氧化碳当量，同期整个污水处理行业的碳排放量约为1.97亿吨二氧化碳当量，占全国总排放量的1.71%[7]。所以，从能量转化的角度来说，目前我国的污水处理模式基本是以能耗换水质。为了减少水污染，我们使用大量电能，间接导致大量二氧化碳排放，故污水处理行业的碳排放不容忽视。然而，从能量利用的本源上分析，根据污水化学能与热能计算显示，城乡污水中所蕴含的潜能（有机化学能和热能）值可达污水处理耗能的9~10倍[8]。换句话说，污水净化处理所需能耗完全是可以“自给自足”的，甚至还有富余能量可利用，使之“变身”为能量输出厂，以用于抵消部分碳排放。因此，污水处理其实具备很大碳中和运行潜力。目前国际上已存在能完全实现能量自给与碳中和运行的污水厂实际案例[9]。所以，为实现我国对世界碳中和的庄重承诺，我国污水厂的碳中和运行潜力亟待挖掘和开发。
二、“污水厂课程设计”教学现状
“污水厂课程设计”是培养给排水科学与工程专业学生工程设计能力和创新能力实践教学重要环节之一，是对“水质工程学”理论课教学的重要补充。通过“污水厂课程设计”的学习，加深学生对有关废水处理理论的理解，使学生学会文献和设计资料使用方法，掌握水处理工艺选择与工艺计算的方法，掌握平面布置图、高程图及主要构筑物的绘制方法，学会有关工程设计文件的编制方法，培养学生具备一定的设计和工程制图能力。此外，“污水厂课程设计”是给排水科学与工程专业本科毕业设计的先行课程，将为学生更好地完成本科毕业设计打下良好的基础。目前“污水厂课程设计”教学方案已实施多年，如图1所示。与给排水科学与工程专业其他课程设计一样，在设计开始前，教师先向学生分发设计任务书，并告知相关设计资料的查找和收集方法；学生根据设计任务书的要求，进行资料收集、工艺比选和设计计算，最后再进行CAD绘图。在课程设计过程中，尤其是在选择污水处理和污泥处理处置工艺时，主要依据进出水水质、处理规模、能耗和成本等因素来确定，而基本未从污水厂的碳排放与碳中和维度进行探究。形成目前“污水厂课程设计”教学模式的原因是，我国这些年在污水处理工程设计和运营领域，污染物降解及出水指标稳定达标一直是教师关注和考核的重点，当然，这些都是水健康良性循环的重要基础和保障。因而“污水厂课程设计”的教学，也就始终围绕水质达标和污染物减量在展开，同时尽量优化设计，降低污水厂运行的能耗和药耗。然而，这种教学模式下设计出的污水厂并不低碳，在实际运行时不仅会消耗大量能量，而且还会排放大量温室气体。
三、“污水厂课程设计”教学中融入碳中和理念与实践
鉴于“污水厂课程设计”的教学现状，以及我国污水处理碳中和的现实需求，今后我国污水厂不仅要继续减污，还要同时降碳。因此，很有必要在目前“污水厂课程设计”教学方案的基础上融入碳中和理念与实践。根据已有研究表明，污水厂各部分都存在碳排放，其中污水处理部分“贡献”了约60%的排放量，污泥处理处置单元“贡献”了约21%的排放量[7]。此外，污水厂碳足迹与减排潜力分析表明，今后污水处理实现碳中和技术路径主要通过有机能量利用、余温热能回收、光伏发电反哺、污水的水力利用和污水的再生回用五个方向来直接或间接补偿污水厂的碳排放[10]。那么，具体到“污水厂课程设计”的教学改革，我们也可从以下五个方向，探索碳中和理念与实践融入教学，深入挖掘污水厂的碳中和潜力，做到减污降碳协同增效。
一是污水厂有机能量回收与利用。传统污水处理是将进水中的COD大部分好氧转化为二氧化碳，一部分以剩余污泥等方式排出系统，小部分被厌氧消化转化为甲烷。目前“污水厂课程设计”也是基于上述传统理念进行教学。然而，这种模式不但能耗高，而且二氧化碳排放量大。尽管污水厂COD转化的二氧化碳因大多是生源性的，目前国际上一般不将其计入碳排放清单，但是若能使COD在污水处理中的碳足迹由“污染物降解途径”转向为“能源化利用途径”，这样不仅能最大化地实现污水中有机能源的回收，而且还可使后续生化曝气的能耗降至最低。那么，要实现污水中“碳源转移”，设计时就须在污水处理前端最大程度地实现对原污水中有机碳源的捕获与分离，前端工艺设计时可采用生物絮凝为主的高负荷活性污泥法、化学强化一级处理、厌氧生物膜反应器等来浓缩提取碳源。然后，再采用高效厌氧消化和热电联产耦合实现COD有机化学能转化为电能。此外，由于原污水中的大部分COD在污水处理前端被“提取”转移到能源化利用，这就会导致后续处理单元有机碳源缺乏，污水碳氮比较低，常规生物脱氮工艺就无法高效脱氮。所以，设计时须采用新型自养生物脱氮技术，如短程硝化—厌氧氨氧化技术等。
二是污水余温热能回收与利用。据测算，污水中的热能储量远高于污水中的有机能量，实际可回收的热能是污水中有机能量的九倍之多[11]。不过，污水余温热能只能被作为热与冷输出供热或制冷的低品位能源，它不能像甲烷那样用于发电。所以，绝大部分污水余温热能要靠输到厂内外供社会生活利用，可用于代替或弥补高品位能源（电、天然气等），从而减少大量社会碳排放，这些被节省的碳排放就可以用来抵消污水厂自身电耗的碳足迹。也就是说，污水余温热能供应社会生活的热与冷清洁能源可被作为一种“碳汇”，以“碳交易”方式折算能量来弥补污水厂的碳排。因此，在今后的“污水厂课程设计”中，我们须设置水源热泵机组，利用污水厂出水作为水源热泵制冷或制热的水源。污水厂通过季节性热量交换，从污水中获得的冷、热量不仅可以供污水处理内部使用（如办公场所空调、厌氧消化池加热等），也可将之送往附近工业与民用建筑作供热与制冷之用。这种通过污水源热泵对污水中的余温热能进行回收和利用的方式，在我国北京市的许多污水厂内已经屡见不鲜，正在为北京市的碳减排作贡献。
三是污水厂光伏发电潜能开发。污水厂充分利用厂内建筑物和各处理单元顶部空间安装光伏板，通过太阳能光伏发电为污水厂提供一定的电能供给，充分发挥“水务+光伏”的天然优势，以实现削峰填谷与清洁发电，降低污水厂用电成本，从而减少污水厂电耗产生的间接碳排。当前我国政府积极鼓励污水处理企业综合利用场地空间，开展立体的太阳能光伏面板的铺设及相关储能设施与并网设施建设，采用“自发自用、余量上网”模式建设光伏发电项目。尤其是在太阳光日照时间长、强度大地区设计污水厂时，“污水厂+光伏模式”潜能巨大。当然，因为污水厂光伏发电设计已超越了给排水工程的设计范围，所以要想完成污水厂分布式光伏电站设计，必须借助电力设计院的专业设计，让市政设计院和电力设计院联手，打通设计的“最后一公里”。那么，对于“污水厂课程设计”的教学而言，首先，须让学生了解太阳能光伏发电的基本知识，并优化设计构筑物顶部空间，以利于光伏板组件的安装；其次，学会看懂基本的电气工程图纸，以便于和电气设计专业工程师进行高效沟通；最后，建议在“污水厂课程设计”的先导课程“水质工程学”和“给排水仪表与控制”中，引入污水厂光伏发电的有关内容。
四是污水的水力利用。污水水力利用是指在污水厂管道内安装水力涡轮机进行水力发电，利用流动污水的液压能量推动涡轮发电机，继而产生电力。这样不仅有助于节省污水厂的电费开支，还能利用水力发电，间接减少化石能源发电产生的碳排放。当然，此种污水水力涡轮发电模式需要污水厂内水流具有较大的动能以带动涡轮机。换句话说，越高的水流流速及越高的有效水压力，可产生的电力愈大。据文献报道，香港特别行政区政府渠务署在昂船洲污水厂（全港处理污水量最大的污水厂）安装了一套水力涡轮发电系统，并于2018年底成功投产。系统平均每月可产电量超过1万千瓦时，约等于25个香港家庭每月平均用电量的总和。昂船洲污水厂的污水水力发电是充分利用了该厂每天245万吨的超大处理规模和46座双层沉淀池垂直竖井内的水位落差而实现的[12]。因此，在“污水厂课程设计”教学中，须向学生明确指出，要想实现污水的水力发电，必须满足两个基本条件：一是污水厂处理规模较大，二是厂内水流存有较大的水位落差或水头富余，否则会因发电量有限而得不偿失，反而大大提升了污水厂的投资和运营成本。
五是污水的再生回用。污水再生回用是指将污水进行深度处理达到一定回用标准后，回用到和人体非直接接触的用水领域，例如农业灌溉用水、景观用水、冲厕用水及生态补水等，实现水资源的循环使用，从而极大地提高水资源利用率。这样就可以在节约大量水资源的同时，降低用水的输送和净化成本，从而减少大量电耗碳足迹和药耗碳足迹，达到间接减碳的目的。与前述污水厂碳减排的四个探索方向相比，我国在污水再生回用设计和运营方面可以说是“驾轻就熟”了。目前，我国很多大中城市都设置了单独的再生水厂，并在城市和小区内铺设了专用的再生水管道，即俗称的中水管。另外，部分高校的“污水厂课程设计”中，已覆盖了污水的再生回用设计。
四、结论
碳中和是一场广泛而深刻的系统性变革，也是未来各国科技创新的竞争高地。因此，每个行业须对各自的碳减排路径了然于胸，对作为水体健康良性循环重要保障之一的污水处理行业的碳减排必须予以重视，污水厂的碳中和运行势在必行。那么，高校给排水科学与工程专业人才培养就须把碳中和理念融入课程教学。“污水厂课程设计”作为培养给排水科学与工程专业学生工程设计能力和创新能力实践教学的重要环节之一，要根据污水处理碳中和的现实需求，在目前“污水厂课程设计”教学方案的基础上，从污水厂有机能量回收与利用、污水余温热能回收与利用、污水厂光伏发电潜能开发、污水的水力利用和污水的再生回用五个方向探索碳中和理念与实践，并融入教学中，深入挖掘污水厂的碳中和潜力，做到减污降碳协同增效。
作者：李振华 黄金阳 单位：厦门大学嘉庚学院