原創(chuàng)研究 | 污水處理實現(xiàn)“碳中和”技術(shù)路徑已明晰
正所謂“知其然更應(yīng)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(zé)人郝曉地教授早在2010年就已經(jīng)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(dāng)下對污水處理廠仍然具有非常大的指導(dǎo)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(nèi)污水處理廠實現(xiàn)“碳中和”的可用能量來源以及相應(yīng)的技術(shù)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(chǎn)生甲烷后用于熱電聯(lián)產(chǎn)，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(dān)當(dāng)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(shù)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(nèi)這三種“家底”（圖1）的可用潛力進行了匡算分析。
圖1 污水處理廠三種能量回收路徑
1. 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(chǔ)，將水質(zhì)與能量指標(biāo)進行耦合，構(gòu)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(zhì)和污泥量/有機質(zhì)含量共計12個參數(shù)。能量相關(guān)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(dǎo)致的能量消耗，以及污泥厭氧消化/熱電聯(lián)產(chǎn)產(chǎn)生的能量補償。
圖2 污水廠能量衡算模型自變量參數(shù)
另外，從所構(gòu)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(gòu)建模型針對不同的進水COD濃度進行了能量核算，結(jié)果如圖3所示。在我國污水處理廠平均進水COD濃度水平（283 mg/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(dāng)進水COD濃度增至600 mg/L時（歐洲平均水平），則回收的能量可以補償總能耗的68.9%。
圖3 污水廠能量衡算模型自變量參數(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(diào)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(jié)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(yīng)當(dāng)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。2. 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(shè)計規(guī)范下可用的光伏板安裝面積，我們總結(jié)了處理規(guī)模不同的污水處理廠部分單元構(gòu)筑物的面積，如表3所示�？芍覈鬯幚韽S處理單位萬噸污水對應(yīng)的主要構(gòu)筑物的平面面積在1147~1576 m2之間，平均值為1402 m2。由于規(guī)模效應(yīng)的存在，這一數(shù)值是隨著處理水量的增大而減少的。
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(xué)能（有機物能量），實際可回收熱能為化學(xué)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 ℃，比同時期平均氣溫低4~5 ℃；二級出水水溫在供暖季（11月~次年3月）平均在12.9~20.7 ℃，比氣溫高10~20 ℃。這一條件均能滿足《水源熱泵機組》（GB/T 19409—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1.68×105 MJ和2.74 MJ，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(chǎn)能當(dāng)量分別為14148 kWh/萬m3和23213 kWh/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”。
結(jié)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(jié)果表明，污水源熱泵僅需使用較小的水量（<15%）便可以產(chǎn)生出至少一半以上的運行能耗，完全可以彌補剩余污泥轉(zhuǎn)化能源不足形成的能源赤字。相形之下，光伏發(fā)電可獲得的能量則顯得有些“微不足道”。由此可知，污水熱能才是污水處理廠實現(xiàn)“碳中和”的實力擔(dān)當(dāng)�？傊覈姓鬯幚韽S一般可通過剩余污泥轉(zhuǎn)化能源和污水源熱泵方式便完全可以滿足“碳中和”運行的目標(biāo)，該研究結(jié)論可為我國市政污水廠想著低碳運行方向發(fā)展奠定理論基礎(chǔ)。
該研究相關(guān)成果發(fā)表在《Water Research》，原文參考:
Xiaodi Hao, Ranbin Liu, Xin Huang. Evaluation of the potential for operating carbon neutral WWTPs in China. Water Research, 2015, 87, 424-431, https://doi.org/10.1016/j.watres.2015.05.050.
Xiaodi Hao, Ji Li, Mark C.M. van Loosdrecht, Han Jiang, Ranbin Liu, Energy recovery from wastewater: Heat over organics. Water Research, 2019, 74-77, https://doi.org/10.1016/j.watres.2019.05.106.
作者： 郝曉地、劉然彬等
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