Aarhus是北歐國(guó)家丹麥的第二大城市，人口規(guī)模約30萬(wàn)，距丹麥?zhǔn)锥几绫竟腥齻€(gè)多小時(shí)的車程。這里有一座叫Marselisborg 的污水廠，很多當(dāng)?shù)鼐用窆烙?jì)也從未聽過(guò)。不過(guò)在2016年國(guó)際能源署(IEA)發(fā)布了《世界能源展望2016》之后，這座污水廠吸引了世界各地專家團(tuán)的拜訪。原因是由于這座污水廠的改造，Aarhus成為全球首個(gè)用污水處理回收的能量來(lái)滿足本地自來(lái)水供給服務(wù)能耗需求的城市。

　　圖. Marselisborg污水廠 | 圖源：Aarhus Vand
　　污水廠實(shí)現(xiàn)100%的能量自給，也不算新聞了。在污水廠內(nèi)蓋太陽(yáng)能板，安裝風(fēng)力發(fā)電機(jī)，以及添加外源餐廚垃圾和污泥協(xié)同消化都可以算是污水廠的產(chǎn)能途徑。
　　但在水務(wù)同行看來(lái)，這幾種實(shí)現(xiàn)能量自給的方式都有“作弊”嫌疑。Marselisborg污水廠的特別之處在于，它僅從進(jìn)水中蘊(yùn)含的能量就能實(shí)現(xiàn)能量盈余。它是怎么做到的呢？
　　長(zhǎng)期規(guī)劃
　　為山九仞,豈一日之功。Aarhus水務(wù)早在2006年就開始積極籌劃水務(wù)運(yùn)營(yíng)的節(jié)能減耗大計(jì)。首先，他們將當(dāng)?shù)?4座污水處理廠精簡(jiǎn)為4座，未來(lái)將進(jìn)一步縮減為2座，包括最大的Marselisborg污水廠和十多公里外的Egaa污水廠。Marselisborg污水廠日平均處理量為27,500m3，約20多萬(wàn)的人口當(dāng)量。通過(guò)10年的優(yōu)化，該污水廠在沒(méi)有添加外來(lái)有機(jī)廢物的情況下，從污水中回收沼氣，選擇中溫厭氧消化工藝(38°C)，再將沼氣通過(guò)熱電聯(lián)產(chǎn)回收能量。該污水廠在2016年的污水產(chǎn)電量就能滿足自身的能耗，而且還有約50%（2014年為40%）的電力盈余。除此以外，還有2.5GW的熱能可輸送給當(dāng)?shù)氐墓┡到y(tǒng)。經(jīng)過(guò)對(duì)污水處理廠系統(tǒng)的不斷優(yōu)化，Aarhus水務(wù)的水圈已經(jīng)實(shí)現(xiàn)完全的能量中和。
　　多管齊下
　　顯然，僅僅使用傳統(tǒng)的厭氧消化是不足以幫助Marselisborg污水廠實(shí)現(xiàn)能量盈余的，它的運(yùn)行優(yōu)化是全方位的。
　　SCADA系統(tǒng)是其中的基礎(chǔ)。SCADA是數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制系統(tǒng)的英文縮寫，總投入40萬(wàn)歐元。Aarhus水務(wù)的總工程師Per Overgaard Pedersen說(shuō)：“SCADA的優(yōu)化包括了對(duì)氨氮、磷水平的監(jiān)控，以及一些設(shè)備上的變頻器控制，這些優(yōu)化是電耗可以降低的最大貢獻(xiàn)來(lái)源。這部分投資的回報(bào)期只需2-3年?！?Pedersen先生說(shuō)的變頻器(VFD)幾乎安裝在了污水廠的所有旋轉(zhuǎn)設(shè)備中，包括鼓風(fēng)機(jī)、提升泵、攪拌設(shè)備和脫水泵。變頻器幫助工廠以最大的靈活性來(lái)適應(yīng)每日污水進(jìn)水負(fù)荷的變化。他們使用的是Danfoss的VLT?變頻器。

　　圖. Marselisborg污水廠70%的節(jié)能歸功于先進(jìn)的SCADA控制系統(tǒng) | 圖源:IWA
　　2014年，Marselisborg污水廠對(duì)污泥處理線進(jìn)行了升級(jí)，引進(jìn)了先進(jìn)的側(cè)流厭氧氨氧化DEMON?工藝，投資成本約40萬(wàn)歐?！斑@套系統(tǒng)的一個(gè)好處是它每年能讓我們節(jié)省約8萬(wàn)歐的污水稅，因?yàn)樗苁刮鬯畯S的出水總氮值減少2mg/L?！?Pedersen評(píng)論道。此外，厭氧氨氧化工藝也為污水廠每年節(jié)省5萬(wàn)kWh的電耗。
　　之后，他們新增購(gòu)了一臺(tái)污泥脫水離心機(jī)，對(duì)消化反應(yīng)器的剩余污泥進(jìn)行脫水。這些污泥最終還會(huì)成為農(nóng)用肥料。能效更高的離心機(jī)能為廠區(qū)每年節(jié)省5萬(wàn)KWh電耗。
　　除了節(jié)流，Aarhus污水廠也很重視開源的工作。污水廠有三個(gè)厭氧消化反應(yīng)器。為了提高產(chǎn)電效率，他們新購(gòu)了兩臺(tái)250kW和一臺(tái)355kW的熱電聯(lián)產(chǎn)單元，總投資約170萬(wàn)歐。
　　Marselisborg污水廠能耗優(yōu)化措施一覽：
　　實(shí)施SCADA系統(tǒng)，在線控制曝氣、氨氮、硝態(tài)氮和磷的水平，以及對(duì)硝化/反硝化工藝的控制
　　用ABS HST渦輪壓縮機(jī)取代高真空渦輪鼓風(fēng)機(jī)(HV Turbo Blower)，提高曝氣的效率
　　用能效更優(yōu)的丹麥Alfa Laval G3替代老的離心機(jī) Alfa Laval 550
　　用三個(gè)熱電聯(lián)產(chǎn)的沼氣燃機(jī)(CHP) 取代舊款燃?xì)獍l(fā)電機(jī)
　　測(cè)流厭氧氨氧化工藝DEMON?的應(yīng)用，主流線也有厭氧氨氧化工藝(Nitrite Shunt)

　　圖. 更高效的渦輪壓縮機(jī)、熱電聯(lián)產(chǎn)內(nèi)燃機(jī)、熱交換器和變頻器 | 圖源:Aarhus Vand
　　改進(jìn)成果
　　正如上述所說(shuō)，SCADA的引入對(duì)污水工藝的許多細(xì)節(jié)進(jìn)行了優(yōu)化，加上其他設(shè)備的升級(jí)，污水廠的年電耗一共節(jié)省了約1GWh，污水廠電耗從2005年的4.2GWh降至2016年的3.15GWh,減幅約25%，相當(dāng)于節(jié)省了8.7萬(wàn)歐元的電費(fèi)，處理一噸水的能耗降至0.25kWh/m3。
　　2016年，Marselisborg污水廠的總產(chǎn)電量4.8GWh，這意味著廠區(qū)的發(fā)電量比電耗多出53%，這些多余的電能會(huì)賣給國(guó)家電網(wǎng)，此外還有大約2.5GWh的多余的熱能直接用于地區(qū)供熱，創(chuàng)收約5.5萬(wàn)歐元。這些成效是在沒(méi)有添加外來(lái)的餐廚垃圾等有機(jī)廢棄物或碳源的情況下取得的。通過(guò)這些能源交易，污水廠的產(chǎn)能能夠抵消水務(wù)公司其他業(yè)務(wù)的能耗，包括地下水開采、飲用水處理、飲用水和污水運(yùn)輸以及污水廠自身的運(yùn)行。

　　據(jù)Pedersen介紹，整個(gè)項(xiàng)目花費(fèi)約300萬(wàn)歐元。其中90%由水務(wù)公司自己投資，10%由政府資助。但掐指一算，因?yàn)橛嚯姾陀酂岬匿N售每年可收入約32.6萬(wàn)歐元，節(jié)能設(shè)備能每年減少約20.6萬(wàn)歐元，加上每年8萬(wàn)歐元排污稅的節(jié)省，污水廠每年一共可節(jié)省超過(guò)60萬(wàn)的費(fèi)用，也就是說(shuō)這筆投資不用5年就能回收成本。因?yàn)榫S護(hù)成本的降低和并網(wǎng)電量的增加，這項(xiàng)目也得到了市民的支持，因?yàn)樗麄兪亲罱K的受益者——水價(jià)降低了！

　　下一個(gè)十年?
　　Marselisborg污水廠在2006-2016年間的升級(jí)改造顯然已經(jīng)相當(dāng)成功。但Aarhus水務(wù)并不滿足以此。他們已經(jīng)為未來(lái)做好了準(zhǔn)備——“在未來(lái)10年，我們會(huì)進(jìn)一步將目前的4個(gè)污水廠減至2個(gè)，我們還打算打造一個(gè)全新的、處理能力更大的Marselisborg污水廠，為50萬(wàn)人服務(wù)”， Aarhus水務(wù)的總工程師Pedersen先生說(shuō)?！斑@里確實(shí)沒(méi)有多余的擴(kuò)建空間，但新的污水廠會(huì)給我們一個(gè)機(jī)會(huì)，將目前我們知道的最好的技術(shù)方案與實(shí)踐融入其中，而且不僅是污水處理本身，還包括資源回收等等方面。”

　　圖.Marselisborg 污水廠已經(jīng)改名為Aarhus Rewater
　　Pedersen先生指的最好的技術(shù)方案包括了更好的碳捕捉、主流厭氧氨氧化、ORC廢氣能量回收等工藝技術(shù)和更先進(jìn)的控制系統(tǒng)，涉及的公司包括了Salsnes、EssDe? 和 DEMON ? 等。為了更好地對(duì)外宣傳Marselisborg 污水廠，Aarhus水務(wù)也賦予了它一個(gè)新的名字--Aarhus Rewater。
　　Marselisborg污水廠的升級(jí)工作早在2010年就開始了，經(jīng)過(guò)多年的努力終于打造成了全球水務(wù)行業(yè)的新標(biāo)桿?！癆arhus模式”顯然吸引到了世界各地的效仿：過(guò)去幾年里，除了北歐鄰國(guó)，Pederson先生也已經(jīng)接待過(guò)來(lái)自法國(guó)、塞爾維亞、以及更遠(yuǎn)的阿根廷、南非、印度、美國(guó)的代表團(tuán)。
　　中國(guó)的污水廠是否也為下個(gè)十年做好準(zhǔn)備了呢？相信中國(guó)不少地方也想復(fù)制這個(gè)“丹麥童話”。2021年5月的IWA世界水大會(huì)將在丹麥?zhǔn)锥几绫竟e辦，屆時(shí)大家將有機(jī)會(huì)通過(guò)技術(shù)參觀對(duì)Aarhus水務(wù)的Marselisborg污水廠有更多的了解。

　　視頻：2020IWA 世界水大會(huì)（丹麥哥本哈根）宣傳片