原創(chuàng)研究 | 污水處理實(shí)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(shí)際上，“中-荷中心”團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人郝曉地教授早在2010年就已經(jīng)對(duì)污水處理廠可用的“家底”和能否支撐“碳中和”的實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了較為詳細(xì)的前瞻性探究，當(dāng)下對(duì)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(tuán)隊(duì)2015年的一項(xiàng)工作，同大家分享并厘清國(guó)內(nèi)污水處理廠實(shí)現(xiàn)“碳中和”的可用能量來(lái)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(jī)物（COD），而回收這部分能量最簡(jiǎn)單的方式就是對(duì)污泥實(shí)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(duì)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(jī)物能量可達(dá)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(shí)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(yáng)能光伏發(fā)電創(chuàng)造了必要的場(chǎng)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(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能發(fā)電，而且還能在冬季時(shí)利用光伏板來(lái)覆蓋這些處理單元，實(shí)現(xiàn)對(duì)生物處理的保溫作用和臭氣收集。那“太陽(yáng)能”會(huì)成為污水廠實(shí)現(xiàn)“碳中和”的實(shí)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(diǎn)。如果向污水處理廠引入水源熱泵技術(shù)進(jìn)行熱能的提取回收，潛力會(huì)有多大呢？帶著這些思考和疑問(wèn)，我們選取了北京某污水處理廠為例，對(duì)其廠內(nèi)這三種“家底”（圖1）的可用潛力進(jìn)行了匡算分析。
圖1 污水處理廠三種能量回收路徑
1. 進(jìn)水有機(jī)物能量回收潛力為匡算進(jìn)水中有機(jī)物濃度與通過(guò)厭氧消化可回收的有機(jī)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(jìn)行耦合，構(gòu)建了能量平衡模型和分析函數(shù)，以評(píng)價(jià)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(jìn)出水水量/水質(zhì)和污泥量/有機(jī)質(zhì)含量共計(jì)12個(gè)參數(shù)。能量相關(guān)的過(guò)程單元?jiǎng)t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(bǔ)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(lái)看，污泥厭氧消化回收污水中有機(jī)物能量的多寡完全取決于進(jìn)水中的有機(jī)物濃度，即進(jìn)水COD濃度越高，可回收的有機(jī)物能量潛力便越大。繼而我們利用所構(gòu)建模型針對(duì)不同的進(jìn)水COD濃度進(jìn)行了能量核算，結(jié)果如圖3所示。在我國(guó)污水處理廠平均進(jìn)水COD濃度水平（283 mg/L），通過(guò)污泥厭氧消化能量回收只能實(shí)現(xiàn)約42%的能量平衡率；而當(dāng)進(jìn)水COD濃度增至600 mg/L時(shí)（歐洲平均水平），則回收的能量可以補(bǔ)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(guó)污水處理廠由于進(jìn)水有機(jī)物濃度較低，剩余污泥厭氧消化回收有機(jī)物能量難以實(shí)現(xiàn)污水廠的“能量平衡”，更別提支撐“碳中和”的實(shí)現(xiàn)。同時(shí)，需要強(qiáng)調(diào)的是，剩余污泥中蘊(yùn)藏的“家底”通過(guò)厭氧消化來(lái)補(bǔ)償一半的運(yùn)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(jī)能量的最佳手段，污水處理廠應(yīng)當(dāng)考慮跳過(guò)厭氧消化單元，直接將污泥干化后進(jìn)行焚燒發(fā)電，可進(jìn)一步提高有機(jī)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(duì)于污水處理廠來(lái)說(shuō)，各個(gè)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(guó)污水處理廠設(shè)計(jì)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?，我國(guó)污水處理廠處理單位萬(wàn)噸污水對(duì)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(lái)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(chǔ)量遠(yuǎn)高于污水中的化學(xué)能（有機(jī)物能量），實(shí)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?cè)诖艘不诎咐鬯畯S對(duì)可回收的熱能進(jìn)行了計(jì)算。
北京地區(qū)污水廠二級(jí)出水在6~9月份的平均水溫為23.4~26.5 ℃，比同時(shí)期平均氣溫低4~5 ℃；二級(jí)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(jī)組》（GB/T 19409—2003）要求。
通過(guò)計(jì)算可知（表5），水源熱泵系統(tǒng)每利用1萬(wàn)噸二級(jí)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(jī)組自身能耗（通過(guò)COP定義得出），則二級(jí)出水在夏季和冬季凈產(chǎn)能當(dāng)量分別為14148 kWh/萬(wàn)m3和23213 kWh/萬(wàn)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(wàn)噸二級(jí)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(yùn)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(yáng)能回收，案例污水廠已可實(shí)現(xiàn)“能量平衡”。
結(jié)語(yǔ)
我們通過(guò)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(duì)運(yùn)行能耗的貢獻(xiàn)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(yùn)行能耗，完全可以彌補(bǔ)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(shí)現(xiàn)“碳中和”的實(shí)力擔(dān)當(dāng)?？傊?，我國(guó)市政污水處理廠一般可通過(guò)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(yùn)行的目標(biāo)，該研究結(jié)論可為我國(guó)市政污水廠想著低碳運(yùn)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