污水處理實現(xiàn)碳中和的技術路徑

污水處理實現(xiàn)碳中和的技術路徑自我國提出2060年全社會爭取實現(xiàn)“碳中和”目標后，各行各業(yè)對“碳中和”的討論持續(xù)高漲、熱度不減。一方面，這無疑推動了“碳中和”概念和知識的推廣宣傳，大大推動了“碳中和”構建的第一階段目標進程一一明晰什么是“碳中和”，即“知其然”！另一方面，隨著對“碳中和”概念的不斷理解和清晰，對如何實現(xiàn)行業(yè)“碳中和”也打上了大大的問號。對于污水處理廠來說，盡管國外已經存在完全實現(xiàn)“能量平衡”或“碳中和”運行的污水處理廠實際案例，但國內依然存在對污水處理廠能否實現(xiàn)“碳中和”的擔憂和質疑。從技術角度講，通過能量回收直接反哺或間接補償污水廠的碳排量是實現(xiàn)“碳中和”的主要方式，而這些擔憂和質疑大多聚焦于“污水處理廠真的有那么多可回收能量去實現(xiàn)'碳中和’嗎？”正所謂“知其然更應知其所以然”，只有厘清了污水處理廠可用的“家底”（能量）才能更有信心地朝著“碳中和”方向努力。實際上，“中-荷中心”團隊負責人郝曉地教授早在2010年就已經對污水處理廠可用的“家底”和能否支撐“碳中和”的實現(xiàn)進行了較為詳細的前瞻性探究，當下對污水處理廠仍然具有非常大的指導意義。因此，本文基于團隊2015年的一項工作，同大家分享并厘清國內污水處理廠實現(xiàn)“碳中和”的可用能量來源以及相應的技術思路。提到污水中的能量，人們往往首先想到的即是污水中的有機物（COD），而回收這部分能量最簡單的方式就是對污泥實施厭氧消化，產生甲烷后用于熱電聯(lián)產，以此減少污水廠對外部能源的需求，繼而間接降低CO2的排放量。理論上講，生活污水中所含的有機物能量可達污水處理消耗能量的9~10倍，這一振奮人心的“家底”能否助力污水廠實現(xiàn)“碳中和”呢？除此之外，污水處理廠生物處理池及初沉池、二沉池等單元具有龐大的表面面積，這似乎為太陽能光伏發(fā)電創(chuàng)造了必要的場地條件。如果光伏組件能被巧妙地布置在這些處理單元上，不僅可以向樓宇屋面一樣實現(xiàn)太陽能發(fā)電，而且還能在冬季時利用光伏板來覆蓋這些處理單元，實現(xiàn)對生物處理的保溫作用和臭氣收集。那“太陽能”會成為污水廠實現(xiàn)“碳中和”的實力擔當么？另外，市政污水本身具有流量穩(wěn)定、水量充足、帶有余溫等特點。如果向污水處理廠引入水源熱泵技術進行熱能的提取回收，潛力會

有多大呢？帶著這些思考和疑問，我們選取了北京某污水處理廠為例，對其廠內這三種“家底”（圖1）的可用潛力進行了匡算分析。余溫熱能有機能量 光伏發(fā)電國1珞春k的；神睦色回收擔徑進水有機物能量回收潛力為匡算進水中有機物濃度與通過厭氧消化可回收的有機物能量，我們以物料平衡為基礎，將水質與能量指標進行耦合，構建了能量平衡模型和分析函數(shù)，以評價污水處理廠能量消耗與回收之間的平衡情況。模型的輸入變量如表1所示，包括進出水水量/水質和污泥量/有機質含量共計12個參數(shù)。能量相關的過程單元則包括了提升水泵、曝氣系統(tǒng)和厭氧消化池加熱系統(tǒng)導致的能量消耗，以及污泥厭氧消化/熱電聯(lián)產產生的能量補償。

不上丹水廠琵墾衡箕模型自去量參教項目自變量項目自變星水■皇水是進水SCOD出水SCOD凱氐瓦凱氏虱硝志嬴硝態(tài)氮相沉泥是泥晝污昵SCOD污泥SCOD蠣:削H-I?-,11.iiL；b?■匕【I成"— JKtU'iltiH模型構建完畢后，我們對案例水廠實際運行的能量狀況進行了評價分析。圖2是案例污水廠的工藝流程和部分點的實測參數(shù)，模型匡算結果總結于表2中。由結果可知，經過模型計算得到的提升泵和鼓風機能耗數(shù)值(147000MJ/411429MJ)與實測數(shù)值(142560MJ/379209MJ)相差不大，但通過污泥厭氧消化回收的有機物能量(425848MJ)卻遠遠高于實測數(shù)值(107142MJ)【I成"— JKtU'iltiH11:避木-~，［相響:m以口.:牯ri訂:sihjbn?)孑牌啊曲)囹2污水「能晝街尊模型目查量參數(shù)

表2臬例污水廠每天能量件耗/回收模型核算著果頃目理論能瑟突際爵瑟/MJ碟排放/kg實潮能耗/MJ棵升至A232014700022108142560鼓風圳5348541142961878379209消化睥19273D24明7529567消化回收齦墾-壯6-425484-S8626-107142衡算-拓7地3739195692S平衡率270%53.2%從最終的能量匡算結果來看，此案例污水廠從剩余污泥回收的能量可以提供能耗總量的53.2%，也就是說案例污水廠如果僅僅依賴污水中的有機物通過厭氧消化回收能量，距“能量平衡”目標尚且有一半的差距。另外，從所構建的模型來看，污泥厭氧消化回收污水中有機物能量的多寡完全取決于進水中的有機物濃度，即進水COD濃度越高，可回收的有機物能量潛力便越大。繼而我們利用所構建模型針對不同的進水COD濃度進行了能量核算，結果如圖3所示。在我國污水處理廠平均進水COD濃度水平（283mg/L），通過污泥厭氧消化能量回收只能實現(xiàn)約42%的能量平衡率；而當進水COD濃度增至600mg/L時（歐洲平均水平），則回收的能量可以補償總能耗的68.9%。匚二I能量衡算T-匚二I能量衡算T-能量平衡率44■29380. —— 1 —— 2860。（歐洲水平）3"案例水.廠〕283（0內水平〕進水CT1D濃度施/! ?二*?業(yè)型中和細圖M污k能量衡其摸型自變量參數(shù)總之，我國污水處理廠由于進水有機物濃度較低，剩余污泥厭氧消化回收有機物能量難以實現(xiàn)污水廠的“能量平衡”，更別提支撐“碳中和”的實現(xiàn)。同時，需要強調的是，剩余污泥中蘊藏的“家底”通過厭氧消化來補償一半的運行能量消耗是完全可行的。另外，根據(jù)我們最近的研究結果，厭氧消化并不是回收污泥中有機能量的最佳手段，污水處理廠應當考慮跳過厭氧消化單元，直接將污泥干化后進行焚燒發(fā)電，可進一步提高有機能量的回收效率。污水廠光伏發(fā)電潛能光伏發(fā)電可回收的能量多少主要取決于可用于安裝光伏板的面積大小。對于污水處理廠來說，各個處理單元的頂部均可用于光伏板的安裝，且面積較為可觀。為了解我國污水處理廠設計規(guī)范下可用的光伏板安裝面積，我們總結了處理規(guī)模不同的污水處理廠部分單元構筑物的面積，如表3所示?？芍?，我國污水處理廠處理單位萬噸污水對應的主要構筑物的平面面積在1147?1576m2之間，平均值為1402m2。由于規(guī)模效應的存在，這一數(shù)值是隨著處理水量的增大而減少的。表3國內部方污水廠主要構筑桁占旭面積項目所在地設計京量e'/H面枳rr^單位術量上海10139361395.6西安20315281576.4長春39590161513.^重慶60827251378.S上海2002294861147.4按照E20-327型光伏板性能、案例污水廠所在地的光照條件，單塊光伏板每天產生的能量約為1.09kWh（單板占地面積為4.65m2）。如果在案例污水廠主要構筑物平面（表4）上安裝E20-327型光伏板，可計算得其可回收的太陽能總量為82725MJ/d，僅僅能滿足案例污水廠運行能耗的10.4%，即通過光伏發(fā)電可獲取的能量顯得有些“微不足道”！表4目內部位污水廠主要構筑韌占地面積眠寸g.污水源熱泵能量回收潛力在我們之前發(fā)布的文章中，已多次分享闡述了污水中存在的卻一直以來被忽視的能量，即熱能。我們的匡算分析也已明確，污水中的熱能儲量遠高于污水中的化學能（有機物能量），實際可回收熱能為化學能的9倍之多。為更直觀的體現(xiàn)污水中熱能回收的巨大潛力，我們在此也基于案例污水廠對可回收的熱能進行了計算。北京地區(qū)污水廠二級出水在6~9月份的平均水溫為23.4?26.5°C，比同時期平均氣溫低4~5C；二級出水水溫在供暖季（11月?次年3月）平均在12.9~20.7C，比氣溫高10~20C。這一條件均能滿足《水源熱泵機組》（GB/T19409—2003）要求。通過計算可知（表5），水源熱泵系統(tǒng)每利用1萬噸二級出水的制冷量和制熱量分別為1.68X105MJ和2.74MJ，考慮水源熱泵機組自身能耗（通過COP定義得出），則二級出水在夏季和冬季凈產能當量分別為14148kWh/萬m3和23213kWh/萬m3。由此可知，污水中的熱能是污水廠最大的能量“家底”。據(jù)此匡算，案例污水廠每天僅利用8萬噸二級出水（即13.3%的出水量）作為污水源熱泵的冷、熱源，就可滿足污水廠運行能耗的51%（制冷）和83.6%（制熱）。加上上述提及的污泥厭氧消化和太陽能回收，案例污水廠已可實現(xiàn)“能量平衡”。表5水源熱親每萬盹水產生的當屋電能目 14.164.24制冷/熱量MJ）1.682.74電能當星（kWh）1862530377機組能ft（kWh）啜爨，7164凈產率能能星（kWh）1414823213需要說明的是，污水源熱泵所產生的冷、熱源一般均為直接利用，并非是像甲烷一樣用于發(fā)電。所以，上述測算中所產生的能量中絕大部分還是要靠輸出廠外供其他商業(yè)或民用用戶使用，以“碳交易”方式折算能量與碳排放的平衡。結語我們通過考慮剩余污泥能量回收、光伏發(fā)電和水源熱泵能量回收，分別核算出各自能量回收方式對運行能耗的貢獻率。結果表明，污水源熱泵