节能降碳 | 30种助力零碳排“神器”

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编者按：欧美国家水务行业碳中和路线图早已制定，很多国家均制定了到2030年前实现水业碳中和的计划。这就促使水业低碳、甚至“净零（Net-zero）”碳排放成为目前水技术研发的重要目标。除大规模“开源”（余温热能、化学能、太阳能）外，“节流”手段也必不可少。因此，开发出一系列助力零碳排的“神器”。水技术在线（Aquatech）最近推荐了30种已在欧美应用的仪器、设备。“水业碳中和资讯” 分三篇予以分别介绍。

上 篇

一个雄心勃勃的承诺

碳减排角逐已经开始。英国水务行业将在8年时间内达到“净零 （Net-zero）”碳排放目标。

“净零”意味着什么呢？

各水务公司已集体承诺在2050年前减少1 000万t温室气体排放。要知道，在正常运行情况下，该行业到2050年将只产生240万t二氧化碳 （CO 2 ） 当量温室气体。

行业机构Water UK预计，到2030年，该行业可能将花费高达40亿英镑成本来实现碳减排。

由于需要在10年内减少数百万t碳排放量，所以，水务部门在11月公布了10项碳减排路线图，包括：

• 保障客户权益
• 政府牵头与企业协作
• 应急措施
• 重点区域
• 透明度
• 绿色岗位 （Green jobs） 与绿色技术 （Green skills）
• 全经济战略转移
• 低碳运营政策支持
• 优先考虑净零相关的创新
• 采用基于自然的解决方案。

时间不多了

Karyn Georges认为，采用新的创新将是英国公共服务行业实现2030年减碳目标的基础。

Isle UK总裁告诉我们：“随着气候和生态危机来临，留给我们改变投资方式和改善水资源管理的时间已经不多了”。

“创新者和企业家已经开始迎接挑战。在Isle，我们每天都可以看到能够帮助该行业履行其净零碳排义务和实现减碳目标的技术……，这些公司经常面临的挑战是解决方案具有较长的实施周期，这可能会导致许多良好的技术被搁置。”

近期，在马德里，由国际环保平台 （Global Water Intelligence, GWI）举办的全球水峰会 （Global Water Summit）上，Isle展示了30种零碳排“神器”。

这30项技术在“速火 （Rapid-fire）”互动环节中被予以展示，展开对其可行性探讨，旨在助力“水务行业加速应用相关技术，以便早日实现净零碳排放”，Georges补充道。

以下是各项技术的简要介绍。

测量和监测碳排放

一、QLM——TDLidar气体传感器

图1 TDLidar气体传感器（图源原 ）

QLM研发了一种用于连续式自动化工业气体监测的单光子 （Single-photon）LiDAR气体成像仪。这个“轻巧”的仪器可 连续监测设备气体泄漏情况。

• 特点：能够实时为企业提供作业现场气体排放和泄漏信息，以便他们能够有计划地减少相关碳排放；
• 技术成熟度：8/9；

二、Aeromon——机载气体排放监测与 告设备

图2 机载气体排放监测与 告设备（图源原 ）

Aeromon开发了一种安装在无人机上的具有20种参数的传感器。它能够利用云服务 对实时数据进行分析，并使用分级统计图将其进行可视化。

• 特点：它能够轻易对工作人员难以到达的位置进行气体检漏；
• 技术成熟度：9/9；

三、Unisense Environment——N 2 O监测仪

图3 N 2 O监测仪（图源原 ）

这是一种可 实时监测污水中溶解态N 2 O的在线过程传感器 。目前，该技术已被用于200个污水处理厂，并帮助他们减少了高达80%的碳足迹。这也促使10个具有两年监测项目的丹麦污水处理厂确立了一个新的温室气体排放指标。

• 特点：支持对过程控制进行优化与拓展；
• 技术成熟度：9/9；

减少和控制设备运行期间碳排放

一、VorTech——旋流动力曝气器

图4 旋流动力曝气器（图源原 ）

这是一种高效、便捷、低成本的氧气传质和混合曝气器。它兼具同步溶解氧 （DO）监测和控制功能，能够 在水体达到预定DO量时自动切断电源。

• 特点：可通过环形射流涡轮机系统回收高达20%的输入能量，并回用于泵中；
• 技术成熟度：9/9；

二、Prosper——气体扩散器（Gas inFusion）

图5 气体扩散器（图源原 ）

Prosper研发的这一款能够满足污水处理过程中BOD和COD需求的气体扩散生物反应器 （Gas Infusion Biological Reactor, GIBR）可实现高达85%的节能效果。它的工作原理是 污水进入该反应器后，通过无泡供氧实现93%的O 2 传质效率 。

• 特点：它能够使水体中O 2 饱和度超过200 mg/L；
• 技术成熟度：7/9；

三、Cobalt Water Global——N 2 ORisk DSS

图6 N 2 ORisk DSS（图源原 ）

N 2 ORisk DSS能够利用 人工智能（AI）和 机器学习来测定在污水处理厂运行过程中的N 2 O排放情况，并制定相应控制策略，以降低N 2 O排放风险。其中，输入模型是来自污水处理厂SCADA系统的运行/水质数据。

• 特点：无需校准或花费高昂的运行检测费用；
• 技术成熟度：8/9；

四、pani——人工智能指导（AI Coach）

图7 人工智能指导（图源原 ）

AI Coach是一个基于云的机器学习平台，它可用于优化自来水、污水和海水淡化工厂处理过程。它能够 收集整个处理厂的数据（例如，PLC/DCS、SCADA、LIMS），以 提供实时、主动的操作说明，从而最大限度地减少能源和化学药品消耗，延长设备寿命，缩短工厂宕机时间。

• 特点：能够为优化工厂能效提供实质性反馈和指导；
• 技术成熟度：9/9；

五、Typhoon Treatment Systems——紫外 LED系统

图8 紫外LED系统（图源原 ）

这是一款使用紫外LED的超高效消毒系统。这为传统汞灯系统提供了一种具有可行性的无毒替代方案，并 可用于对COVID-19消杀处理以提供安全卫生的饮用水。

• 特点：大型号紫外LED系统的处理速度能够高达750 m 3 /h；
• 技术成熟度：9/9；

减少逸散性排放——温室气体移除与捕获

一、Elioquo——EloVac

图9 EloVac（图源原 ）

EloVac是一种 兼具磷回收的真空脱气系统。它可从消化污泥中吸取沼气，在提高能源回收效率的同时，可防止CH 4 排放到大气中。

• 特点：使用EloVac时，将氯化镁直接投加至反应器中，可同时回收磷；
• 技术成熟度：8/9；

二、蓝色甲烷（Bluemethane）——从水中捕集CH 4

图10 从水中捕集CH 4 （图源原 ）

这是一种感应、捕集和量化水体CH 4 排放的技术。它能够有效捕集水中的CH 4 并加以利用。在大规模部署时，它可捕集高达660 t CO 2 当量的CH 4 。此外，它是 采用被动/静态运行模式的原理来捕集溶解态CH 4 。这使其具有较低的能量输入而能够使系统整体净能量为正。该技术使用 闭环电路捕集CH 4 ，适用于CH 4 浓度>1 g/m 3 的环境体系。

• 特点：捕集的CH 4 可用作新能源回收，且模块化设计使其处理速度能够高达50 m 3 /s；
• 技术成熟度：6/9；

三、4E系统（Four-E Systems）——GasFrak

图11 GasFrak（图源原 ）

GasFrak是用于沼气厂中CH 4 的选择性脱气技术。其维护量少，且不含化学品的使用，广泛适用于天然气，市政和工业污水处理。该技术 可额外提高87%的CH 4 回收率 。

• 特点：能耗低，约为0.018 kWh/m 3 ；
• 技术成熟度：9/9；

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减少逸散性排放——新型低碳处理方案

一、Microvi：MNE平台

图1 MNE平台（图源原 ）

MNE平台是一种用于选择性去除给水和污水中污染物的微生物载体。它利用不同生物催化剂复合材料 （Biocatalyst composite）来驯化和富集具有特定污染物 （N、P、BOD、COD及新兴污染物等）去除能力的高密度纯菌种。它 占地面积小，且几乎不产生二次污染。这就大大降低了处理过程中碳排放风险及相关能源成本，提高了系统韧性及能源生产效率。

• 特点：该系统可整合到既有处理工艺流程中，以增强污水处理性能，提高处理量和/或出水质量；
• 技术成熟度：9/9；

二、I-PHYC Industrial Phycology：藻类反应器（Algal Reactor）

图2 藻类反应器（Algal Reactor）（图源原 ）

藻类反应器是一种通过消耗CO 2 来去除营养物质、COD和新兴污染物 （Emerging pollutants）之新型生物系统。它产生的藻类生物质具有多种增值途径，如，生产沼气等。

• 特点：藻类生物质具有多种用途；
• 技术成熟度：8/9；

三、Innoqua：Daphina过滤器

图3 Daphina过滤器（图源原 ）

Daphina过滤器的工作原理是分别利用浮游动物及生物膜实现过滤和生物脱氮除磷 （Biological Nutrient Removal, BNR）。 该系统可替代其它污水深度处理工艺（Tertiary wastewater treatment processes），同时能够实现75~90%的节能效果。

• 特点：在西班牙，正在进行的中试装置 （1.5 m 3 /d） 能够实现61% TSS，>30% COD和BOD 5 ，54% NH 4 + -N和11% TP去除效率；
• 技术成熟度：7/9；

四、Bamboo for Life：竹根自然净化

图4 竹根自然净化（图源原 ）

由于具有高密度根茎及相对稳定的地下条件，这使得竹根成为大量细菌的栖息地。Bamboo for Life便利用了竹子这一特点来实现高效污水处理。它能够 将经过预处理的污水富集在竹根中进行自然净化。

• 特点：可用于处理工业废水和生活污水；
• 技术成熟度：9/9；

五、英菲尼特水科技（Infinite Water）：海卓神（Hydroxon）

图5 海卓神（Hydroxon）（图源原 ）

海卓神是一种用于给水消毒处理的高级催化氧化工艺 （Advanced catalytic oxidation process）。该系统能够 产生适用于不同水环境的羟基自由基，从而 取代高能耗的臭氧或紫外线处理。

• 特点：相比于传统消毒处理工艺，该系统能够节省高达50%的设备成本和70%的运营成本；
• 技术成熟度：8/10；

利用现有资源进行可再生能源发电

一、Inpipe energy：In-PRV? System管道减压阀发电系统

图6 In-PRV? System管道减压阀发电系统（图源原 ）

In-PRV?是一种能够利用减压阀发电的系统。它能够 将原本会被浪费的压力转换为电能，并用于直接回用、紧急储备甚至能量外输。该系统第一套装置位于俄勒冈州 （Oregon）的希尔斯伯勒体育场 （Hillsboro Stadium）。

• 特点：它能够实现20万kWh/a节能效率，且运行期间的各项费用仅需110万美元；
• 技术成熟度：9/9；

二、dph Solarfaltdach Horizon：HORIZON光伏屋顶

图7 HORIZON光伏屋顶（图源原 ）

HORIZON是一种用于处理厂的 可伸缩太阳能屋顶。它能够 使处理厂能量自给率平均提升到50%。由于它是可伸缩的，这使得起重机能够直接对厂内设备进行相关操作，并且在恶劣天气下也能够及时关闭。其最小安装面积为1 100 m 2 。

• 特点：它能够通过抑制藻类生长、减少紫外线辐射和热量来优化工厂运营；
• 技术成熟度：9/9；

三、Cryo Pur：低温燃料（Cryo Fuel）

图8 低温燃料（Cryo Fuel）（图源原 ）

低温燃料 （Cryo Fuel）是基于沼气向生物液化天然气 （Bio-LNG）和液态CO 2 （Liquid CO 2 ） 转化的低温升级产品，即，在-90 °C至-120 °C条件下对CO 2 进行冻融，使其与甲烷 （CH 4 ） 分离。这一工艺具有低电耗/能耗 （仅消耗活性炭）之优势。

• 特点：对低温燃料工艺中制冷系统的热能回收可以满足污水处理厂中100%厌氧消化工艺的加热需求；
• 技术成熟度：9/9；

四、Graforce Hydro：Plasmalysis等离子体电解技术

图9 Plasmalysis等离子体电解技术（图源原 ）

Plasmalysis是一种用于污水、CH 4 和CO 2 的等离子体电解技术。由于能够 有效降低污水中氨的结合能（氨分解制氢），它可将每单位氢气的生产电耗减少50%。若将所生产的氢气与沼气混合制为混氢天然气 （HCNG），则可用作天然气车辆、地区供暖和燃气发电厂的燃料，并且仅有纯净水和氧气作为“废物”排放。

• 特点：可以降低污水中的COD含量；
• 技术成熟度：8/9；

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资源新规划

1、制水专家(Elemental water makers)：水之源(Elemental water source)

图1 水之源（Elemental water source）（图源原 ）

作为一种太阳能海水淡化系统，水之源可用于缺水地区水处理，可节省高达70%制水成本，且具有良好的减排效果（生产1200 m 3 /d水成本仅需1.30 美元/m 3 ，且其重力进水系统能够减少25 t CO 2 /a碳排放量）。

• 特点：该系统能够实现远程监控；
• 技术成熟度：9/9；

2、无影响水（Impact-free Water）：波浪能海水淡化系统（Wave Powered Desalination）

图2 波浪能海水淡化系统（Wave Powered Desalination）（图源原 ）

这是一种集波浪能海水淡化、发电和大容量/低压海水输送为一体的系统，可以在500~1 000 m深海底工作。其中，海水由波浪能水泵和海底管道运送至地表，并通过反渗透设备和涡轮机实现淡水生产和发电。

• 特点：多功能一体化；
• 技术成熟度：7/9；

3、天空之水（Water from Heaven）

图3 天空之水（Water from Heaven）（图源原 ）

这是一种针对雨水处理的分散式低能耗超滤系统，通过重力流生物反应器与膜处理屋面收集雨水，并将出水储存于水箱中供后续使用。此系统无需任何能量、化学药剂等输入。

• 特点：不产生废物（Waste stream），无需能源输入
• 技术成熟度：7/9；

4、德萨（desah）：desah BV

图4 desah BV（图源原 ）

desah BV是一种源分离污水处理系统。其中，真空马桶使用使其能够节省25%用水量，且它使用UASB作为主要处理工艺，能够产生污泥、沼气、鸟粪石（磷酸盐化合物）等供回收和再利用。

• 特点：相较于传统系统，总处理量为35 m 3 /d的desah BV能够降低81%的温室效应贡献率；
• 技术成熟度：8/9

副产物增值化再利用

1、REA：地沟油回收方案（Total FOG Solutions）

图5 地沟油回收方案（Total FOG Solutions）（图源原 ）

地沟油（Fats, Oils, and Greases, FOG）回收方案是一种将地沟油转化为生物柴油再生利用技术。通过连续式处理反应器，地沟油被回收并被运送至当地生物柴油加工厂，用以生产B100生物柴油。

• 特点：在当前能源市场转型背景下，该技术具有极大应用潜力
• 技术成熟度：8/9；

2、黑泽尔集团（Hazer Group）：Hazer

图6 Hazer（图源原 ）

Hazer是一种低碳排氢气与合成石墨生产技术。它能够将天然气中的碳以固体石墨形式进行捕获，从而生产“清洁”氢气。

• 特点：氢产品纯度高达99.99%，合成石墨总石墨含量（Total Graphitic Content, TGC）可达80~95%
• 技术成熟度：7/9；

3、SHARC Energy Systems：热能回收系统

图7 热能回收系统（图源原 ）

SHARC污水热能回收系统能够从污水中提取热能来实现经济、高效且环保的区域温度调节和自来水加热。该系统减排效果可高达700 t CO 2 /a。

• 特点：该系统可覆盖整个社区空调需求
• 技术成熟度：9/9

4、CCm技术

图8 CCm技术（图源原 ）

CCm技术可通过将工业发电过程中产生的CO 2 用于固定各种材料，以产生新型肥料产品，且具有极低的碳和资源足迹（Carbon and resource footprint）。

• 特点：CCm肥料具有优良肥效，并能够提升土壤肥力；
• 技术成熟度：9/9；

5、奥加尼克斯（Organics）：有机热氨汽提塔（Organics Thermal Ammonia Stripper）

图9 有机热氨汽提塔（Organics Thermal Ammonia Stripper）（图源原 ）

有机热氨汽提塔（OTAS）能够将污水处理过程中的氨氮以氢氧化铵或液氨形式去除并回收。该过程不产生污泥，也无需添加pH值调节药剂或额外碳源。且OTAS无需额外处理步骤便可去除高达98.5%的氨氮。

• 特点：可以避免产生氧化亚氮（N 2 O）；
• 技术成熟度：9/9；

6、C-Green：氧动力水热碳化技术（OxyPower HTC）

图10 氧动力水热碳化技术（OxyPower HTC）（图源原 ）

氧动力水热碳化技术可将湿生物废弃物转化为固体水热碳化（HydroThermal Carbonization, HTC）生物质煤。该工艺结合了水热碳化、湿式氧化和生物处理3种技术，其污泥处理能力可高达25000 t/a。

• 特点：在破坏废弃物中病原菌的同时，具有优良节能效果，并能够回收营养元素与碳；
• 技术成熟度：8/9

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