污水处理(lǐ)实现“碳中和”技术路径已明晰

自我國(guó)提出2060年全社会争取实现“碳中和”目标后，各行各业对“碳中和”的讨论持续高涨、热度不减。一方面，这无疑推动了“碳中和”概念和知识的推广宣传，大大推动了“碳中和”构建的***阶段目标进程——明晰什么是“碳中和”，即“知其然”！另一方面，随着对“碳中和”概念的不断理(lǐ)解和清晰，对如何实现行业“碳中和”也打上了大大的问号。对于污水处理(lǐ)厂来说，尽管國(guó)外已经存在完全实现“能(néng)量平衡”或“碳中和”运行的污水处理(lǐ)厂实际案例，但國(guó)内依然存在对污水处理(lǐ)厂能(néng)否实现“碳中和”的担忧和质疑。从技术角度讲，通过能(néng)量回收直接反哺或间接补偿污水厂的碳排量是实现“碳中和”的主要方式，而这些担忧和质疑大多(duō)聚焦于“污水处理(lǐ)厂真的有(yǒu)那么多(duō)可(kě)回收能(néng)量去实现‘碳中和’吗？”

正所谓“知其然更应知其所以然”，只有(yǒu)厘清了污水处理(lǐ)厂可(kě)用(yòng)的“家底”（能(néng)量）才能(néng)更有(yǒu)信心地朝着“碳中和”方向努力。实际上，“中-荷中心”团队负责人郝晓地教授早在2010年就已经对污水处理(lǐ)厂可(kě)用(yòng)的“家底”和能(néng)否支撑“碳中和”的实现进行了较為(wèi)详细的前瞻性探究，当下对污水处理(lǐ)厂仍然具有(yǒu)非常大的指导意义。因此，本文(wén)基于团队2015年的一项工作，同大家分(fēn)享并厘清國(guó)内污水处理(lǐ)厂实现“碳中和”的可(kě)用(yòng)能(néng)量来源以及相应的技术思路。

提到污水中的能(néng)量，人们往往首先想到的即是污水中的有(yǒu)机物(wù)（COD），而回收这部分(fēn)能(néng)量简单的方式就是对污泥实施厌氧消化，产生甲烷后用(yòng)于热電(diàn)联产，以此减少污水厂对外部能(néng)源的需求，继而间接降低CO2的排放量。理(lǐ)论上讲，生活污水中所含的有(yǒu)机物(wù)能(néng)量可(kě)达污水处理(lǐ)消耗能(néng)量的9~10倍，这一振奋人心的“家底”能(néng)否助力污水厂实现“碳中和”呢(ne)？除此之外，污水处理(lǐ)厂生物(wù)处理(lǐ)池及初沉池、二沉池等单元具有(yǒu)庞大的表面面积，这似乎為(wèi)太阳能(néng)光伏发電(diàn)创造了必要的场地条件。如果光伏组件能(néng)被巧妙地布置在这些处理(lǐ)单元上，不仅可(kě)以向楼宇屋面一样实现太阳能(néng)发電(diàn)，而且还能(néng)在冬季时利用(yòng)光伏板来覆盖这些处理(lǐ)单元，实现对生物(wù)处理(lǐ)的保温作用(yòng)和臭气收集。那“太阳能(néng)”会成為(wèi)污水厂实现“碳中和”的实力担当么？另外，市政污水本身具有(yǒu)流量稳定、水量充足、带有(yǒu)余温等特点。如果向污水处理(lǐ)厂引入水源热泵技术进行热能(néng)的提取回收，潜力会有(yǒu)多(duō)大呢(ne)？带着这些思考和疑问，我们选取了北京某污水处理(lǐ)厂為(wèi)例，对其厂内这三种“家底”（图1）的可(kě)用(yòng)潜力进行了匡算分(fēn)析。

1. 进水有(yǒu)机物(wù)能(néng)量回收潜力

為(wèi)匡算进水中有(yǒu)机物(wù)浓度与通过厌氧消化可(kě)回收的有(yǒu)机物(wù)能(néng)量，我们以物(wù)料平衡為(wèi)基础，将水质与能(néng)量指标进行耦合，构建了能(néng)量平衡模型和分(fēn)析函数，以评价污水处理(lǐ)厂能(néng)量消耗与回收之间的平衡情况。模型的输入变量如表1所示，包括进出水水量/水质和污泥量/有(yǒu)机质含量共计12个参数。能(néng)量相关的过程单元则包括了提升水泵、曝气系统和厌氧消化池加热系统导致的能(néng)量消耗，以及污泥厌氧消化/热電(diàn)联产产生的能(néng)量补偿。

模型构建完毕后，我们对案例水厂实际运行的能(néng)量状况进行了评价分(fēn)析。图2是案例污水厂的工艺流程和部分(fēn)点的实测参数，模型匡算结果总结于表2中。由结果可(kě)知，经过模型计算得到的提升泵和鼓风机能(néng)耗数值（147000 MJ/411429 MJ）与实测数值（142560 MJ/379209 MJ）相差不大，但通过污泥厌氧消化回收的有(yǒu)机物(wù)能(néng)量（425848 MJ）却遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于实测数值（107142 MJ），这是因為(wèi)案例污水厂2010年消化池平均进泥量仅為(wèi)340 m3/d，仅占设计进泥量的12%，如果按照2010年产气效率计算，当进泥量达到设计值时，甲烷产量与模型计算结果也近乎一致。可(kě)见，本研究构建的模型计算结果是可(kě)信的。

从最终的能(néng)量匡算结果来看，此案例污水厂从剩余污泥回收的能(néng)量可(kě)以提供能(néng)耗总量的53.2%，也就是说案例污水厂如果仅仅依赖污水中的有(yǒu)机物(wù)通过厌氧消化回收能(néng)量，距“能(néng)量平衡”目标尚且有(yǒu)一半的差距。

另外，从所构建的模型来看，污泥厌氧消化回收污水中有(yǒu)机物(wù)能(néng)量的多(duō)寡完全取决于进水中的有(yǒu)机物(wù)浓度，即进水COD浓度越高，可(kě)回收的有(yǒu)机物(wù)能(néng)量潜力便越大。继而我们利用(yòng)所构建模型针对不同的进水COD浓度进行了能(néng)量核算，结果如图3所示。在我國(guó)污水处理(lǐ)厂平均进水COD浓度水平（283 mg/L），通过污泥厌氧消化能(néng)量回收只能(néng)实现约42%的能(néng)量平衡率；而当进水COD浓度增至600 mg/L时（欧洲平均水平），则回收的能(néng)量可(kě)以补偿总能(néng)耗的68.9%。

总之，我國(guó)污水处理(lǐ)厂由于进水有(yǒu)机物(wù)浓度较低，剩余污泥厌氧消化回收有(yǒu)机物(wù)能(néng)量难以实现污水厂的“能(néng)量平衡”，更别提支撑“碳中和”的实现。同时，需要强调的是，剩余污泥中蕴藏的“家底”通过厌氧消化来补偿一半的运行能(néng)量消耗是完全可(kě)行的。另外，根据我们最近的研究结果，厌氧消化并不是回收污泥中有(yǒu)机能(néng)量的佳手段，污水处理(lǐ)厂应当考虑跳过厌氧消化单元，直接将污泥干化后进行焚烧发電(diàn)，可(kě)进一步提高有(yǒu)机能(néng)量的回收效率。

2. 污水厂光伏发電(diàn)潜能(néng)

光伏发電(diàn)可(kě)回收的能(néng)量多(duō)少主要取决于可(kě)用(yòng)于安装光伏板的面积大小(xiǎo)。对于污水处理(lǐ)厂来说，各个处理(lǐ)单元的顶部均可(kě)用(yòng)于光伏板的安装，且面积较為(wèi)可(kě)观。為(wèi)了解我國(guó)污水处理(lǐ)厂设计规范下可(kě)用(yòng)的光伏板安装面积，我们总结了处理(lǐ)规模不同的污水处理(lǐ)厂部分(fēn)单元构筑物(wù)的面积，如表3所示。可(kě)知，我國(guó)污水处理(lǐ)厂处理(lǐ)单位万吨污水对应的主要构筑物(wù)的平面面积在1147~1576 m2之间，平均值為(wèi)1402 m2。由于规模效应的存在，这一数值是随着处理(lǐ)水量的增大而减少的。

按照E20-327型光伏板性能(néng)、案例污水厂所在地的光照条件，单块光伏板每天产生的能(néng)量约為(wèi)1.09 kWh（单板占地面积為(wèi)4.65 m2）。如果在案例污水厂主要构筑物(wù)平面（表4）上安装E20-327型光伏板，可(kě)计算得其可(kě)回收的太阳能(néng)总量為(wèi)82725 MJ/d，仅仅能(néng)满足案例污水厂运行能(néng)耗的10.4%，即通过光伏发電(diàn)可(kě)获取的能(néng)量显得有(yǒu)些“微不足道”！

3. 污水源热泵能(néng)量回收潜力

在我们之前发布的文(wén)章中，已多(duō)次分(fēn)享阐述了污水中存在的却一直以来被忽视的能(néng)量，即热能(néng)。我们的匡算分(fēn)析也已明确，污水中的热能(néng)储量遠(yuǎn)高于污水中的化學(xué)能(néng)（有(yǒu)机物(wù)能(néng)量），实际可(kě)回收热能(néng)為(wèi)化學(xué)能(néng)的9倍之多(duō)。為(wèi)更直观的體(tǐ)现污水中热能(néng)回收的巨大潜力，我们在此也基于案例污水厂对可(kě)回收的热能(néng)进行了计算。

北京地區(qū)污水厂二级出水在6~9月份的平均水温為(wèi)23.4~26.5 ℃，比同时期平均气温低4~5 ℃；二级出水水温在供暖季（11月~次年3月）平均在12.9~20.7 ℃，比气温高10~20 ℃。这一条件均能(néng)满足《水源热泵机组》（GB/T 19409—2003）要求。

通过计算可(kě)知（表5），水源热泵系统每利用(yòng)1万吨二级出水的制冷量和制热量分(fēn)别為(wèi)1.68×105 MJ和2.74 MJ，考虑水源热泵机组自身能(néng)耗（通过COP定义得出），则二级出水在夏季和冬季净产能(néng)当量分(fēn)别為(wèi)14148 kWh/万m3和23213 kWh/万m3。由此可(kě)知，污水中的热能(néng)是污水厂大的能(néng)量“家底”。据此匡算，案例污水厂每天仅利用(yòng)8万吨二级出水（即13.3%的出水量）作為(wèi)污水源热泵的冷、热源，就可(kě)满足污水厂运行能(néng)耗的51%（制冷）和83.6%（制热）。加上上述提及的污泥厌氧消化和太阳能(néng)回收，案例污水厂已可(kě)实现“能(néng)量平衡”。

需要说明的是，污水源热泵所产生的冷、热源一般均為(wèi)直接利用(yòng)，并非是像甲烷一样用(yòng)于发電(diàn)。所以，上述测算中所产生的能(néng)量中绝大部分(fēn)还是要靠输出厂外供其他(tā)商(shāng)业或民(mín)用(yòng)用(yòng)户使用(yòng)，以“碳交易”方式折算能(néng)量与碳排放的平衡。

结语

我们通过考虑剩余污泥能(néng)量回收、光伏发電(diàn)和水源热泵能(néng)量回收，分(fēn)别核算出各自能(néng)量回收方式对运行能(néng)耗的贡献率。结果表明，污水源热泵仅需使用(yòng)较小(xiǎo)的水量（<15%）便可(kě)以产生出至少一半以上的运行能(néng)耗，完全可(kě)以弥补剩余污泥转化能(néng)源不足形成的能(néng)源赤字。相形之下，光伏发電(diàn)可(kě)获得的能(néng)量则显得有(yǒu)些“微不足道”。由此可(kě)知，污水热能(néng)才是污水处理(lǐ)厂实现“碳中和”的实力担当。总之，我國(guó)市政污水处理(lǐ)厂一般可(kě)通过剩余污泥转化能(néng)源和污水源热泵方式便完全可(kě)以满足“碳中和”运行的目标，该研究结论可(kě)為(wèi)我國(guó)市政污水厂想着低碳运行方向发展奠定理(lǐ)论基础。