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摘要：針對碳中和引發廣泛而深刻的系統性變革，每個行業都須明確各自的碳減排路徑，污水處理行業的碳中和運行勢在必行。因此，高校給排水科學與工程專業人才培養須把碳中和理念融入到“污水廠課程設計”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、污水廠光伏發電潛能開發、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，做到減污降碳協同增效。
關鍵詞：碳中和；污水廠；給排水；課程設計；碳足跡
在2020年9月第七十五屆聯合國大會上，我國向世界作出莊重承諾，我國二氧化碳排放將力爭于2030年前實現碳達峰、2060年前實現碳中和[1]。隨后，生態環境部印發的《關于統籌和加強應對氣候變化與生態環境保護相關工作的指導意見》指出，突出協同增效，推動實現減污降碳協同效應[2]。住房和城鄉建設部舉辦了“城鄉建設綠色低碳發展”專題講座。講座從綠色低碳發展的要求、目前發展的主要問題、減少碳排放的目的、實現減碳和轉型發展的任務、落實任務的保障措施等方面，指出我們應共同為之努力減少直接碳排放和間接碳排放[3]。作為城鄉水體減污主要抓手之一的污水廠，雖然這些年一直在強調節能減排，但是目前仍舊主要以高能耗高碳排換取高水質的傳統模式在運行。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的未來發展方向和考評體系，即力爭實現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的人才培養，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教師，認為這些問題是不可回避的。下面將以“污水廠課程設計”這門專業實踐課程為例，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、團體或個人測算在一定時間內直接或間接產生的溫室氣體排放總量，然后通過植物造樹造林、節能減排等形式，抵消自身產生的二氧化碳排放量，實現二氧化碳“零排放”[5]。同時，碳中和又是一個非常復雜的系統工程，需要通過多種技術渠道及各行各業努力去減少碳排放。那么，具體到污水處理行業，污水處理碳中和意味著什么，又該如何實現呢？首先，需要明確的是，目前我國污水處理行業是耗能大戶。據統計，我國2014年污水廠電耗占全國總電耗的0.26%，算上工業廢水處理和污泥處理處置，所占比例將超過2%。全國城鎮污水處理管理信息系統數據顯示，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增長，2020年市政污水處理全行業耗電更是達到約184億度[6]。曾經行業內就有人發出過“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，我國市政污水行業的溫室氣體排放量在2016年已達到5414萬噸二氧化碳當量，同期整個污水處理行業的碳排放量約為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。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，故污水處理行業的碳排放不容忽視。然而，從能量利用的本源上分析，根據污水化學能與熱能計算顯示，城鄉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能量自給與碳中和運行的污水廠實際案例[9]。所以，為實現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。
二、“污水廠課程設計”教學現狀
“污水廠課程設計”是培養給排水科學與工程專業學生工程設計能力和創新能力實踐教學重要環節之一，是對“水質工程學”理論課教學的重要補充。通過“污水廠課程設計”的學習，加深學生對有關廢水處理理論的理解，使學生學會文獻和設計資料使用方法，掌握水處理工藝選擇與工藝計算的方法，掌握平面布置圖、高程圖及主要構筑物的繪制方法，學會有關工程設計文件的編制方法，培養學生具備一定的設計和工程制圖能力。此外，“污水廠課程設計”是給排水科學與工程專業本科畢業設計的先行課程，將為學生更好地完成本科畢業設計打下良好的基礎。目前“污水廠課程設計”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其他課程設計一樣，在設計開始前，教師先向學生分發設計任務書，并告知相關設計資料的查找和收集方法；學生根據設計任務書的要求，進行資料收集、工藝比選和設計計算，最后再進行CAD繪圖。在課程設計過程中，尤其是在選擇污水處理和污泥處理處置工藝時，主要依據進出水水質、處理規模、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“污水廠課程設計”教學模式的原因是，我國這些年在污水處理工程設計和運營領域，污染物降解及出水指標穩定達標一直是教師關注和考核的重點，當然，這些都是水健康良性循環的重要基礎和保障。因而“污水廠課程設計”的教學，也就始終圍繞水質達標和污染物減量在展開，同時盡量優化設計，降低污水廠運行的能耗和藥耗。然而，這種教學模式下設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、“污水廠課程設計”教學中融入碳中和理念與實踐
鑒于“污水廠課程設計”的教學現狀，以及我國污水處理碳中和的現實需求，今后我國污水廠不僅要繼續減污，還要同時降碳。因此，很有必要在目前“污水廠課程設計”教學方案的基礎上融入碳中和理念與實踐。根據已有研究表明，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，今后污水處理實現碳中和技術路徑主要通過有機能量利用、余溫熱能回收、光伏發電反哺、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，做到減污降碳協同增效。
一是污水廠有機能量回收與利用。傳統污水處理是將進水中的COD大部分好氧轉化為二氧化碳，一部分以剩余污泥等方式排出系統，小部分被厭氧消化轉化為甲烷。目前“污水廠課程設計”也是基于上述傳統理念進行教學。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”轉向為“能源化利用途徑”，這樣不僅能最大化地實現污水中有機能源的回收，而且還可使后續生化曝氣的能耗降至最低。那么，要實現污水中“碳源轉移”，設計時就須在污水處理前端最大程度地實現對原污水中有機碳源的捕獲與分離，前端工藝設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、厭氧生物膜反應器等來濃縮提取碳源。然后，再采用高效厭氧消化和熱電聯產耦合實現COD有機化學能轉化為電能。此外，由于原污水中的大部分COD在污水處理前端被“提取”轉移到能源化利用，這就會導致后續處理單元有機碳源缺乏，污水碳氮比較低，常規生物脫氮工藝就無法高效脫氮。所以，設計時須采用新型自養生物脫氮技術，如短程硝化—厭氧氨氧化技術等。
二是污水余溫熱能回收與利用。據測算，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電。所以，絕大部分污水余溫熱能要靠輸到廠內外供社會生活利用，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“污水廠課程設計”中，我們須設置水源熱泵機組，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部使用（如辦公場所空調、厭氧消化池加熱等），也可將之送往附近工業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已經屢見不鮮，正在為北京市的碳減排作貢獻。
三是污水廠光伏發電潛能開發。污水廠充分利用廠內建筑物和各處理單元頂部空間安裝光伏板，通過太陽能光伏發電為污水廠提供一定的電能供給，充分發揮“水務+光伏”的天然優勢，以實現削峰填谷與清潔發電，降低污水廠用電成本，從而減少污水廠電耗產生的間接碳排。當前我國政府積極鼓勵污水處理企業綜合利用場地空間，開展立體的太陽能光伏面板的鋪設及相關儲能設施與并網設施建設，采用“自發自用、余量上網”模式建設光伏發電項目。尤其是在太陽光日照時間長、強度大地區設計污水廠時，“污水廠+光伏模式”潛能巨大。當然，因為污水廠光伏發電設計已超越了給排水工程的設計范圍，所以要想完成污水廠分布式光伏電站設計，必須借助電力設計院的專業設計，讓市政設計院和電力設計院聯手，打通設計的“最后一公里”。那么，對于“污水廠課程設計”的教學而言，首先，須讓學生了解太陽能光伏發電的基本知識，并優化設計構筑物頂部空間，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，以便于和電氣設計專業工程師進行高效溝通；最后，建議在“污水廠課程設計”的先導課程“水質工程學”和“給排水儀表與控制”中，引入污水廠光伏發電的有關內容。
四是污水的水力利用。污水水力利用是指在污水廠管道內安裝水力渦輪機進行水力發電，利用流動污水的液壓能量推動渦輪發電機，繼而產生電力。這樣不僅有助于節省污水廠的電費開支，還能利用水力發電，間接減少化石能源發電產生的碳排放。當然，此種污水水力渦輪發電模式需要污水廠內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，可產生的電力愈大。據文獻報道，香港特別行政區政府渠務署在昂船洲污水廠（全港處理污水量最大的污水廠）安裝了一套水力渦輪發電系統，并于2018年底成功投產。系統平均每月可產電量超過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電是充分利用了該廠每天245萬噸的超大處理規模和46座雙層沉淀池垂直豎井內的水位落差而實現的[12]。因此，在“污水廠課程設計”教學中，須向學生明確指出，要想實現污水的水力發電，必須滿足兩個基本條件：一是污水廠處理規模較大，二是廠內水流存有較大的水位落差或水頭富余，否則會因發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域，例如農業灌溉用水、景觀用水、沖廁用水及生態補水等，實現水資源的循環使用，從而極大地提高水資源利用率。這樣就可以在節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置了單獨的再生水廠，并在城市和小區內鋪設了專用的再生水管道，即俗稱的中水管。另外，部分高校的“污水廠課程設計”中，已覆蓋了污水的再生回用設計。
四、結論
碳中和是一場廣泛而深刻的系統性變革，也是未來各國科技創新的競爭高地。因此，每個行業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重要保障之一的污水處理行業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人才培養就須把碳中和理念融入課程教學。“污水廠課程設計”作為培養給排水科學與工程專業學生工程設計能力和創新能力實踐教學的重要環節之一，要根據污水處理碳中和的現實需求，在目前“污水廠課程設計”教學方案的基礎上，從污水廠有機能量回收與利用、污水余溫熱能回收與利用、污水廠光伏發電潛能開發、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，做到減污降碳協同增效。
作者：李振華 黃金陽 單位：廈門大學嘉庚學院