污水處理廠碳中和運行的潛力分析

現(xiàn)階段我國污水處理規(guī)模體量巨大，碳中和在未來污水廠中的運行中必將成為一大趨勢，其對推動行業(yè)乃至社會的綠色發(fā)展具有重大意義。然而，受限于污水行業(yè)技術(shù)水平低等諸多因素限制，我國目前尚未建成真正意義上的“碳中和”污水廠。

本次推薦的參考文獻是以北京某污水廠為實例，從理論上分析了當前AAO工藝條件下污泥厭氧、水源熱泵以及太陽能利用對碳中和運行的貢獻潛力，并得出污泥厭氧能量自給率僅達53%的結(jié)論。

在我國污水有機物含量低不利于能量回收的情況下，如何制定碳中和發(fā)展之路?值得深思。摒棄AAO工藝，利用碳源濃縮技術(shù)、主流Anammox技術(shù)以及高效厭氧技術(shù)，組建低能耗、高能源回收的新型污水處理工藝或許是未來的解決途徑之一。

在全球溫室效應(yīng)及氣候變化背景下，污水廠污水處理碳中和將會是未來污水處理行業(yè)的發(fā)展趨勢。

目前，一方面污水處理屬于高耗能行業(yè)，勢必會導(dǎo)致較高的碳排放足跡;另一方面，污水中本身蘊含較多的能量(有機物、熱能等)，為實現(xiàn)污水處理過程能源自給及碳中和運行提供了客觀基礎(chǔ)。展望污水處理的未來前景，多個國家已經(jīng)陸續(xù)發(fā)布了污水廠碳中和技術(shù)路線圖。

美國水環(huán)境研究基金(Water Environment Research Foundation)提出了2030年美國所有污水處理廠均要實現(xiàn)碳中和運行的目標。歐洲一些國家也相繼發(fā)布了污水廠能源管理手冊。在世界范圍內(nèi)，部分污水廠已經(jīng)通過技術(shù)升級實現(xiàn)了能量自給及碳中和運行(表1)

表1 目前國際上實現(xiàn)能量自給/碳中和的污水廠案例

研究人員以北京一座處理規(guī)模為60萬噸的污水廠為實例(AAO工藝)，對污水廠碳中和運行進行了潛力分析。研究人員主要從以下三個角度，考慮了污水廠實現(xiàn)碳中和的途徑。

回收污水中有機物的能量。

利用水源熱泵技術(shù)回收污水中熱能。

基于目前污水廠一般占地面積較大，沉淀池和曝氣池的表面可以用于鋪設(shè)太陽能光伏發(fā)電板，利用太陽能發(fā)電。

污水中有機物能量回收主要依靠針對污泥的厭氧過程實現(xiàn)。污水處理過程中會產(chǎn)生初沉污泥和二沉污泥，污泥經(jīng)過厭氧處理(Anaerobic digestion, AD)產(chǎn)生沼氣，沼氣經(jīng)過熱電聯(lián)產(chǎn)(CombinedHeat and Power, CHP)產(chǎn)生電能和熱能。

“污泥厭氧產(chǎn)沼氣+熱電聯(lián)產(chǎn)”AD-CHP過程中產(chǎn)生的電能可以用于補償污水廠的能耗，從而降低污水廠的碳足跡排放，甚至實現(xiàn)碳中和運行。

研究人員基于一定系統(tǒng)邊界和理想假設(shè)，建立了一套模擬計算污水廠物質(zhì)流平衡和能量消耗的模型。

通過對污水廠幾個主要耗能工藝流程(曝氣能耗、污水提升泵耗和厭氧加熱能耗)的分析，驗證該模型計算結(jié)果與實際能耗基本吻合。其中厭氧產(chǎn)能部分的實際值比理論值低，主要原因是厭氧污泥量僅為設(shè)計值的38%，這從側(cè)面反映出目前污水廠污泥厭氧處理負荷不足的現(xiàn)狀。

該模型針對北京污水廠的實際污水水質(zhì)，模擬計算了“污泥厭氧產(chǎn)沼氣+熱電聯(lián)產(chǎn)”過程對水廠總體能源自給的影響，其貢獻值僅為53%。需要注意的是，在不考慮設(shè)備引起的能量損失情況下，碳中和率可以達到270%。

理論值和實際值產(chǎn)生巨大差異的重要因素是設(shè)備效率低(提升泵、曝氣泵)和工藝過程有待優(yōu)化(污泥厭氧產(chǎn)甲烷過程)。

圖1 能量消耗與回收、碳排放與補償

除回收污水有機質(zhì)所蘊含的能量外，還可以考慮污水熱能和太陽能。水源熱泵技術(shù)已經(jīng)在建筑物室內(nèi)溫度控制上得到成功應(yīng)用。

基于北京地區(qū)污水廠案例研究，污水廠出水水溫夏季平均溫度低于環(huán)境溫度4-5℃(6-9月)，冬季平均溫度高于環(huán)境溫度10-20℃(10-3月)。大部分月份的溫度差能夠滿足水源熱泵技術(shù)的應(yīng)用條件，為利用水源熱泵回收污水熱能提供了基礎(chǔ)。

根據(jù)模擬計算結(jié)果，1噸出水溫度降低1℃時，水源熱泵回收的熱量若由燃煤鍋爐產(chǎn)生，等效于產(chǎn)生0.26kwh煤電時的燃煤消耗。僅利用出水量的1/5所回收的能量足以彌補有機質(zhì)能回收不足帶來的能耗缺口。

然而，水源熱泵并不能直接產(chǎn)生電能，富裕熱能供給周邊地區(qū)也存在經(jīng)濟半徑(6.5公里以內(nèi))。熱能的輸出利用的同時依托與市政供熱網(wǎng)絡(luò)的互動，以及碳交易市場的發(fā)展。

太陽能的利用可以直接提供電能。根據(jù)北京幾座大型污水廠的情況，每萬噸污水處理規(guī)?？晒┨柲茕佋O(shè)的反應(yīng)池表面積在1147-1576m²之間。

基于商業(yè)化光伏太陽能板的產(chǎn)電效率(覆蓋4.65m²時產(chǎn)電能力1.09kwh/d)，污水廠太陽能利用可以補償10%的能耗損失。其對碳中和運行的貢獻有限，且投資費用較高。

作者簡介：宮徽，清華大學(xué)環(huán)境學(xué)院博士生，從事水處理創(chuàng)新技術(shù)研究。曾獲“我心中的城市污水處理概念廠”校園創(chuàng)意設(shè)計大賽全國總冠軍、出版有譯注《通往可持續(xù)環(huán)境保護之路——UASB之父Lettinga的厭氧故事》。