污水潛能開發(fā),看看國外怎么做!
導(dǎo)讀
污水中含有大量化學(xué)能(COD)和熱能(余溫),其潛在含能值可達(dá)污水處理運行所消耗能量的9~10倍。轉(zhuǎn)化污水化學(xué)能和熱能其實可采用常規(guī)技術(shù),傳統(tǒng)污泥厭氧消化和水源熱泵技術(shù)即可奏效。然而,看似簡單而又成熟的厭氧消化與水源熱泵技術(shù)在我國污水處理行業(yè)應(yīng)用十分有限,并不普及。究其原因,技術(shù)顯然不是首要因素,政府管理層面意識和認(rèn)識滯后乃主要瓶頸,缺乏有效的政策/法律、經(jīng)濟補貼措施制約了對污水潛能的開發(fā)與利用。在這一問題上,歐美等發(fā)達(dá)國家或區(qū)域組織的作法與經(jīng)驗值(如政策制定、法律形成、經(jīng)濟補貼、稅收減免、市場調(diào)節(jié)等環(huán)節(jié))得學(xué)習(xí)和借鑒。
作者簡介:郝曉地(1960-),男,山西柳林人,教授,從事市政與環(huán)境工程專業(yè)教學(xué)與科研工作;主要研究方向為污水生物脫氮除磷技術(shù)、污水處理數(shù)學(xué)模擬技術(shù)、可持續(xù)環(huán)境生物技術(shù),F(xiàn)為國際水協(xié)期刊《WaterResearch》區(qū)域主編(Editor)。
1
國內(nèi)概況
我國對污水潛能開發(fā)、利用起步較晚,但技術(shù)發(fā)展已經(jīng)相對成熟,也曾出臺過一些政策、法規(guī)。但至今為止,污水潛能利用并不普及,污水源熱泵多用作示范,剩余污泥仍以填埋為主。盡管政府層面口頭、甚至?xí)嬷С,但污水潛能開發(fā)進(jìn)程步履蹣跚,污水處理廠多擔(dān)心“買豆腐花了肉價錢”而沒有主動去發(fā)掘污水潛能。即使一些利用政府補貼建成的能量回收示范項目(污水源熱泵、污泥厭氧消化)也常因運行費用無法維持而“半途而廢”。
我國盡管已出臺一些相關(guān)政策、法規(guī),例如,2005年頒布的《可再生能源法》、2008年發(fā)布的《城市污水處理廠污水污泥處理處置最佳可行技術(shù)導(dǎo)則》征求意見稿)、2010年2月發(fā)布的《城鎮(zhèn)污水處理廠污泥處理處置污染防治最佳可行技術(shù)指南》(試行)以及 2012 年公布的《可再生能源發(fā)展“十二五 ”規(guī)劃》等。但是,這些政策法規(guī)顯得比較粗獷,大多是定性的,并沒有相應(yīng)的經(jīng)濟補貼或稅收減免定量措施。這便導(dǎo)致污水處理企業(yè)普遍認(rèn)為,開發(fā)污水潛能是個“好經(jīng)”,但念完后不但不會“解渴”,反而還會“挨餓”。可見,既要“念好經(jīng)”也要讓企業(yè)“喝足”、 “吃飽”。政府只有從宏觀層面看清污水潛能開發(fā)對低碳經(jīng)濟、甚至碳中和運行的好處,算清“大帳”,實施必要的經(jīng)濟補貼政策才能真正推動污水潛能開發(fā)。
2
國際背景
世界上許多國家和地區(qū)主要是通過促進(jìn)清潔能源、可再生能源發(fā)展而推動污水潛能開發(fā)與利用的。圖1 顯示了一些國家和地區(qū)可再生能源現(xiàn)狀。
圖1 一些國家或地區(qū)可再生能源現(xiàn)狀
在發(fā)展清潔能源與可再生能源的雙雙推動下,歐美等國家較早便開始了對污水潛能的開發(fā)與利用。其中,歐盟國家在歐盟政策框架指令下走在了世界前列。歐盟可再生能源利用的基礎(chǔ)是1997年歐盟理事會和歐洲議會通過的《白皮書社區(qū)戰(zhàn)略和行動計劃》。2003年歐洲議會又頒布了《生物燃料指令2003/30 / EC》,要求歐盟國家到2010年時交通運輸能耗中可再生能源和生物質(zhì)能源的比例至少達(dá)到4.4%。歐盟委員會后續(xù)又出臺了《歐洲能源政策COM(2007)》、《歐洲2020戰(zhàn)略智能、可持續(xù)和包容性增長COM(2010)2020》等政策、法令,對可再生能源比例做出了強制性要求。2015年,歐盟《可再生能源行動計劃》分析顯示,歐盟國家可再生能源使用預(yù)計從2005年的4 181 PJ (1PJ=1015 J)達(dá)到2020年時的10 255 PJ。
此外,歐盟還設(shè)立了歐盟區(qū)域發(fā)展基金(EU funding),用于組織和發(fā)展與可再生能源相關(guān)的教育性項目和多媒體競賽。這也促進(jìn)了人們對污水潛能的開發(fā),2016年底,波蘭政府利用該項基金在格但斯克(Gdansk)投資560萬歐元建設(shè)了新型污水處理廠,該廠剩余污泥通過厭氧消化產(chǎn)甲烷后以熱電聯(lián)產(chǎn)(CHP)形式回收能量,能源貢獻(xiàn)相當(dāng)于年發(fā)電量2.864 GW的發(fā)電廠(1 GW=109 W)。
2.1
政策、法律、法規(guī)
歐盟在污水潛能開發(fā)方面更加關(guān)注污泥利用和熱電聯(lián)產(chǎn)技術(shù),而在利用污水熱能方面(污水源熱泵)的特定政策、法規(guī)則顯得薄弱。歐盟《能源效率指令政策(2012/27/EU)》以構(gòu)建測量能源效率之共同框架去實現(xiàn)2020年能源效率提高的目標(biāo);該指令的關(guān)注點旨在能源供應(yīng)方面,并沒有單獨提及污水余熱利用。在此之前的《可再生能源指令(2009/28/EG)》、《能源指令(2010/31/EU)》也沒有提及對污水余熱的利用。有關(guān)污水余熱利用目前尚未列入歐洲立法。盡管如此,一些發(fā)達(dá)國家在發(fā)展可再生能源的大框架下先行一步,在污水潛能開發(fā)方面制定了各自相應(yīng)政策和相應(yīng)法律保障。
瑞典是世界上最早認(rèn)識到環(huán)境問題,并制訂相應(yīng)環(huán)保法規(guī)的國家之一。在《邁向2020無油國家》宣言中,瑞典提出將在2020年成為全球第一個不使用石油的國家。這個行動宣言也直接促進(jìn)對污水潛能的開發(fā),并使之邁入一個新的階段。
德國在歐盟國家中沼氣發(fā)電產(chǎn)業(yè)一直處于世界領(lǐng)先地位,這主要得益于其完善的政策支持和有效的法律保障。2002年,德國開始實施《熱電聯(lián)產(chǎn)(CHP)法》,主要目的是鼓勵CHP大規(guī)模工程應(yīng)用。經(jīng)多次修訂,該法適用范圍由最初的火力發(fā)電不斷擴展至垃圾、廢熱、生物質(zhì)能等領(lǐng)域。2012年,對CHP法再一次進(jìn)行了修訂,主要是對經(jīng)濟補貼的額度(有效期延長至2020年)進(jìn)行了修改,旨在2020年CHP發(fā)電量比例達(dá)25%年。2015年《可再生熱法(EWärmeG,2015)》明確提及通過熱泵技術(shù)利用的環(huán)境熱也是一種可再生能量源。2016年7月8日,德國又出臺了《2017年可再生能源法案》(EEG2017),預(yù)示著德國能源轉(zhuǎn)型將進(jìn)入全新階段,其投資利益回報將完全由市場進(jìn)行調(diào)節(jié)。全新的可再生能源法案已于2017年1月1日開始生效,不再以政府指導(dǎo)價格收購電量,而是通過市場競價來發(fā)放補貼,競價最低的企業(yè)便可以按此價格獲得新建設(shè)施入網(wǎng)補貼。
英國環(huán)境協(xié)會發(fā)布《污水處理設(shè)施碳減排舉證》要求提高污泥厭氧消化普及率,指出最佳污泥厭氧消化+CHP每年可減少102 000 t CO2/a二氧化碳排放量(前提是50%英國污水處理廠進(jìn)行升級改造),同時對產(chǎn)生的沼氣燃燒監(jiān)控、后續(xù)科研、技術(shù)投入也提出了建設(shè)性意見。
蘇格蘭于2014年6月成立了SHARC能源系統(tǒng)組織,專門從事污水熱量回收技術(shù)工作。該組織在英國和歐洲獨樹一幟,專門為商建、民建筑制冷、供熱提供兼顧節(jié)能、成本與環(huán)保的綜合解決方案。這個組織推廣的熱能系統(tǒng)即采用污水源熱泵提取能量,以達(dá)到節(jié)能、碳減排的目的。目前,這種系統(tǒng)在蘇格蘭已有一些實際應(yīng)用案例。
2010年頒布的《英格蘭和威爾士環(huán)境容量規(guī)定(2010修訂,EPR)》規(guī)定了設(shè)置污泥厭氧消化甲烷(CH4)燃燒設(shè)備的污水處理廠均需要燃燒許可證。這導(dǎo)致許多企業(yè)無法申請到適合熱量輸出<3 MW的燃燒許可證而嚴(yán)重阻礙了污泥厭氧消化的廣泛應(yīng)用。為解決這一許可證限制弊端,英國環(huán)境機構(gòu)準(zhǔn)備發(fā)布新的財務(wù)狀況監(jiān)管表,這將有利于燃燒許可證的發(fā)放,并會根據(jù)可能出現(xiàn)的實際情況繼續(xù)修訂,以利于污泥厭氧消化產(chǎn)能利用。
法國于2010年發(fā)布《國家可再生能源行動計劃》,對2020年可再生能源在能源結(jié)構(gòu)、制冷/制熱、交通運輸、電力結(jié)構(gòu)中所占的比例提出了具體要求,并對現(xiàn)行政策進(jìn)行了修訂。行政程序的修訂克服了可再生能源發(fā)展的行政壁壘,同時增加了對增值稅的減免成都,以發(fā)展建筑節(jié)能、提高能源效率。與此同時,法國還增加了贈款資助研究、開發(fā)項目,并提出在鐵路等基礎(chǔ)設(shè)施投資方面考慮利用可再生能源。該計劃從可再生能源角度促進(jìn)了污水潛能的開發(fā)與利用。
荷蘭在有機廢水厭氧消化領(lǐng)域研發(fā)與應(yīng)用處于世界領(lǐng)先地位,從污水、廢物中收集資源和能源乃荷蘭一種循環(huán)經(jīng)濟模式,亦有相應(yīng)政策、法律支持。2010年荷蘭發(fā)布了《面向2030年的污水管理路線圖》,預(yù)測未來污水處理廠將轉(zhuǎn)變?yōu)槟茉垂S(NEWs),并列出了2010年—2030年間具體的發(fā)展目標(biāo)和側(cè)重點,有效地促進(jìn)了污水潛能開發(fā)。該“路線圖”指出,通過轉(zhuǎn)換污水中的化學(xué)能(COD)為電能、熱能將使污水處理廠產(chǎn)生超過其自身能耗的能量;利用動物糞便與污泥共消化將提供更多的沼氣發(fā)電量,相關(guān)立法也將隨即修訂。同時,污水中的熱能也是非常重要的潛能。夏季可通過水源熱泵提取污水中熱量存儲于地下水系統(tǒng)中,冬季再利用熱泵交換出熱量為建筑物提供高質(zhì)量的熱能。荷蘭自2011年起實行《可再生能源激勵計劃(SDE +)》,向利用可再生能源發(fā)電企業(yè)和其他組織提供贈款(包括水務(wù)局在內(nèi)的非營利組織),以鼓勵可再生能源發(fā)展。
作為歐盟成員國之一,愛爾蘭對污水潛能開發(fā)相對滯后。為了改善這一狀況,愛爾蘭《全國污水污泥管理計劃(NWSMP)》給出了利用污泥的政策和指導(dǎo)方針,明確指出污水污泥除了用作肥料和土壤改良劑之外,因其富含能量而可視為一種寶貴資源。該計劃要求增大對污泥能量的回收,并從中提取其他有用資源;明確提出污泥厭氧消化產(chǎn)CH4發(fā)電可顯著降低污水處理廠的能源成本。
瑞士雖不在歐盟成員國之列,但是,其獨立的法律體系比歐盟國家更加支持對污水潛能的開發(fā)。早在2004年,瑞士聯(lián)邦能源辦公室便發(fā)布了《污水熱回收處置指南(BFE,2004年)》,提倡污水熱能利用。后期又出臺了《能源法(2014)》、《能量調(diào)節(jié)法(2015)》。前者在宏觀上構(gòu)建了能源供應(yīng)框架,后者從微觀角度詳細(xì)規(guī)定、規(guī)范了對污水處理廠余熱的利用。
美國慣以立法形式對能源比例作出要求,收效顯著,例如,《2009年美國清潔能源與安全法》中包括了清潔能源、能源效率、減少全球變暖與污染、向清潔能源經(jīng)濟轉(zhuǎn)型等4個方面的內(nèi)容。該法規(guī)定,從2012年開始,年發(fā)電量在100萬MW·h以上的電力供應(yīng)商每年必須有6 %的電力供應(yīng)來自于可再生能源,直至增加至2020年的20%;同時要求至2020年時,各州電力供應(yīng)中至少有15%以上電力供應(yīng)必須來自可再生能源。在該法的規(guī)定下,預(yù)計美國到2020年生物質(zhì)發(fā)電量將高達(dá)200 TWH。在鼓勵污水處理廠CHP方面,美國于2009年啟動了《復(fù)蘇與再投資法案》,建立了美國環(huán)境保護署(EPA)清潔水狀態(tài)周轉(zhuǎn)基金(CWSRF)項目。該項目可向初次安裝CHP系統(tǒng)的污水處理廠提供為期20年利率為1.625%的低息貸款。CHP融資通常來自國家或地方債券、當(dāng)?shù)毓檬聵I(yè)或第三方業(yè)主/運營商或州/聯(lián)邦的貸款和贈款。
早在 2001 年 4月,澳大利亞就制定了《強制性可再生能源目標(biāo)》;2009 年又對該目標(biāo)進(jìn)行了修訂,確定到2020 年可再生能源電力生產(chǎn)要占到其總電力供應(yīng)的20%。近年來,澳大利亞政府還多次修訂了《可再生能源(電力)法》和《可再生能源(電力)(收費)法》!2010 年可再生能源(電力)法》則要求通過簽發(fā)可再生能源證書,并要求電力特定購買者提交法定數(shù)量證書,以獲取年度電力來促進(jìn)可再生能源的發(fā)展。
2.2
技術(shù)扶持
雖然污水中含有大量化學(xué)能(COD)、熱能(余溫),但由于技術(shù)轉(zhuǎn)化效率、操作管理水平有限,使得能源化利用效果在實踐中顯得差強人意,這從另一角度也挫傷了污水處理企業(yè)開發(fā)潛能的積極性。因此,發(fā)達(dá)國家普遍高度重視可再生能源的研發(fā),并為此制定了許多技術(shù)扶持政策,這對我國具有很好的借鑒意義。
2.2.1
研發(fā)政策
德國是最早鼓勵新能源研發(fā)與示范的國家,多項可再生能源技術(shù)專利數(shù)量上居世界第一,其中包括含污水潛能開發(fā)在內(nèi)的生物質(zhì)能技術(shù)、風(fēng)力發(fā)電技術(shù)等。
英國政府為履行可再生能源義務(wù)責(zé)令成立了“國家能源研究中心”,以匯集各方精英協(xié)調(diào)研發(fā)活動,并實行數(shù)據(jù)共享。同時,英國正在籌備“可持續(xù)能源政策辦公室”,負(fù)責(zé)監(jiān)督和評價現(xiàn)行政策,并順應(yīng)形勢進(jìn)行戰(zhàn)略修訂。
倡導(dǎo)“能源獨立”的美國對生物質(zhì)能科研投資力度非常之大。截至2007年,對包括污泥厭氧消化產(chǎn)CH4發(fā)電在內(nèi)的生物質(zhì)能利用的研發(fā)投入已經(jīng)超過10億美元。并于2011年3月31日發(fā)布了《未來能源安全藍(lán)圖》,提出了確保美國未來能源供應(yīng)和能源安全的三大戰(zhàn)略:1)注重在清潔能源領(lǐng)域開展全球合作;2)推廣節(jié)能減排,提高能源利用效率;3)激發(fā)創(chuàng)新精神,加快發(fā)展清潔能源。該內(nèi)容的頒布有效推動污水潛能研發(fā)和投資進(jìn)程。
日本是亞洲較早開發(fā)污水潛能的國家。早在1997年—2008年期間,日本建有污泥厭氧消化設(shè)施的污水處理廠已達(dá)310座,占其污水處理廠總數(shù)的16 %。為了進(jìn)一步促進(jìn)污水潛能開發(fā),日本國土交通省在2005年推出了由其主導(dǎo)、為期3年的“下水道污泥資源化技術(shù)和先端技術(shù)引導(dǎo)(LOTUS)”項目。LOTUS包括“下水污泥生物質(zhì)燃料化”、“下水污泥和生物質(zhì)同時處理回收能源”、“促進(jìn)消化污泥減量和沼氣發(fā)電”等,極大地推動了污水潛能開發(fā)的工程應(yīng)用。
2.2.2
產(chǎn)業(yè)化政策
傳統(tǒng)厭氧消化產(chǎn)CH4的單一利用模式會限制污水潛能進(jìn)一步開發(fā)。為此,瑞典、瑞士等國家開發(fā)了沼氣提純、凈化后用作車用燃料和民用天然氣等利用新途徑,實現(xiàn)了能量開發(fā)產(chǎn)業(yè)化和商品化應(yīng)用。
自1996年起,瑞典開始提純沼氣作為汽車燃料使用,并制定了相關(guān)標(biāo)準(zhǔn),已成功地將沼氣用作汽車、火車燃料,也形成了良好的運作模式。此外,將污水熱能直接用作供熱或制冷應(yīng)用也比較普遍。瑞典是利用污水源熱泵供應(yīng)城市供熱取暖最早的國家。1981年6月世界上第一座污水源熱泵系統(tǒng)便在斯德哥爾摩Sala鎮(zhèn)投入運行,裝機容量為3.3 MW。瑞典首都斯德哥爾摩樓宇建筑物供熱方式中約有40 %釆用熱泵系統(tǒng),其中約10 %利用的是污水處理廠二級出水轉(zhuǎn)換的熱量。從處理后污水中交換的能量十分可觀:一個處理能力為1×104m3/d的污水處理廠,冬季從污水中提取7 ℃溫差的熱量,可滿足8.37 ×104m2建筑物供暖需要;夏季向污水中釋放12 ℃溫差的能量,可為6.5×104m2的建筑物供冷。
瑞士效仿瑞典模式,近年來在生物天然氣車用方面突飛猛進(jìn)。利用剩余污泥加入其它有機廢棄物共消化生產(chǎn)沼氣,不僅解決了污泥、固體廢棄物二次污染問題,又可取得相當(dāng)可觀的CO2減排效果。以首都伯爾尼市(30萬居民)為例 ,2010年已有1.5萬多輛汽車(主要為大型公交車)使用生物天然氣,其中一部分則來自該市污水處理廠生產(chǎn)、提純的沼氣。
2.3
經(jīng)濟政策
污水含能利用成本和發(fā)電電價較高,相對于化石能源價格缺乏市場競爭優(yōu)勢。為了鼓勵潛能開發(fā),可再生能源發(fā)電量或電價補貼政策已成國際慣例,稅收優(yōu)惠和其它費用減免也較為常見。
2.3.1
生產(chǎn)及上網(wǎng)補貼
德國是固定上網(wǎng)電價政策的發(fā)源地,也是歐盟中可再生能源補貼支出最高的國家之一。德國從FIT(固定價格)制度發(fā)展演變成FIP(獎勵+市場價格)制度,現(xiàn)已被歐洲國家廣泛采用。FIT制度是根據(jù)發(fā)電裝機容量從小到大分類遞減上網(wǎng)收購電價,也就是說發(fā)電規(guī)模越小收購電價越高,旨在保護發(fā)展初期的微小企業(yè)。逐漸更新后的FIP制度廢棄了原FIT制度中發(fā)電量全額義務(wù)收購的條例,轉(zhuǎn)為要求可再生能源發(fā)電量直接進(jìn)入電力市場銷售,對長期維持一定水平電價的企業(yè)進(jìn)行“售后”獎勵。自2009年起,德國沼氣工程基本發(fā)電并網(wǎng)補助為0.0779~0.1167歐元/ (kW·h)。利用動物糞便、生物垃圾(餐飲、市政固體垃圾)等作為原料的沼氣發(fā)電力工程可額外獲得最少0.03歐元/ (kW·h)補助,較2004年增加了0.01歐元/(kW·h);此外,還另享有技術(shù)創(chuàng)新補助0.02歐元/ (kW·h)。裝機容量低于70 kW的沼氣發(fā)電工程還可獲得15 000歐元的補助金或低息貸款。
2011年以來,法國開始實行沼氣工程發(fā)電注入天然氣電網(wǎng)的政策,并規(guī)定保持固定稅率在0.05~0.15歐元/kW·h之間15年不變。這里所指的沼氣(CH4)可以被任何燃?xì)夤⿷?yīng)商或上級買家購買,這種自由交易模式增加了市場活力。法國2016年頒布了《能源過渡法案》,建立了包括FIP(feed-in-premium)方案在內(nèi)的支持可再生能源發(fā)電計劃,相對于原有政策增加了細(xì)節(jié)性內(nèi)容。法案指出實行FIP方案的兩種途徑:一是與能夠簽訂15~20年合格技術(shù)方直接簽訂合同;二是通過競爭性招標(biāo)簽訂合同。對簽訂合同的企業(yè)也設(shè)置了準(zhǔn)入門檻,規(guī)定從垃圾填埋場、污水處理廠獲得沼氣發(fā)電量在500 kW以上的企業(yè)具有直接承包的技術(shù)資格;生物質(zhì)沼氣發(fā)電量在500 kW以上的單位則具有技術(shù)招標(biāo)資格。
如上所述,荷蘭在有機廢水厭氧消化領(lǐng)域研發(fā)與應(yīng)用處于世界領(lǐng)先地位,這完全依賴于政府財政在污水能源回收/利用(沼氣發(fā)電)方面的經(jīng)濟補貼。自2005年1月起,從動物糞便、剩余污泥等底物厭氧消化產(chǎn)生的沼氣發(fā)電量,可獲得政府0.091歐元/(kW·h)現(xiàn)金補貼,成為一種富有成效的發(fā)展可再生能源激勵措施。上文提及的《可再生能源激勵計劃(SDE +)》也有相應(yīng)的財政補貼規(guī)定;2014年該計劃發(fā)放專項資金總額達(dá)35億歐元;2017年該計劃預(yù)算高達(dá)60億歐元,面向風(fēng)能、太陽能、地?zé)崮、水能和生物質(zhì)能等各種可再生能源項目,而最高補貼額度從2016年0.15歐元/(kW·h)降至目前的0.13歐元/(kW·h),旨在激勵企業(yè)盡可能以低成本生產(chǎn)更多的可再生能源。
2.3.2
稅收抵扣及其他優(yōu)惠
丹麥Marselisborg污水處理廠是全球首個能單純從污水中回收能量并實現(xiàn)能量盈余的成功案例。污水處理之所以扭虧為盈與丹麥財政支持是分不開的。2010年丹麥制定的《2050年能源發(fā)展戰(zhàn)略》中提及,丹麥將大力發(fā)展可再生能源,計劃在2050年完全擺脫對化石燃料的依賴。根據(jù)2012年《能源協(xié)議》,丹麥給予沼氣發(fā)電工程建設(shè)補助由原來的20% 提高至39%,2013年—2015年間政府投資7 000萬丹麥克朗(約合1 000萬美元)用于混合燃料汽車加氣站等基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)。
瑞典對建設(shè)沼氣發(fā)電工程的企業(yè)/農(nóng)場給予工程投資30%的補貼,對沼氣純化后替代車用燃料免征化石燃油使用稅,減征沼氣企業(yè)增值稅,免征車輛擁堵稅(僅限斯德哥爾摩等大城市)。對 CO2超過一定排放量的車輛則征收車輛附加稅,起征車輛排放底限由2012年的120 g/km 降低至2013年的 117 g/km,而可再生能源環(huán)保車量起征點放寬至150 g/km。使用環(huán)保型燃料的車輛還也可享受國家購車補貼以及一些區(qū)域性優(yōu)惠政策,如,免費停車等。2013年起,瑞典開始實行對使用包括“人造”天然氣(CH4)在內(nèi)的環(huán)保車量免征5年車輛稅的政策。
為促進(jìn)污水潛能開發(fā)的迅速發(fā)展,歐美等發(fā)達(dá)國家還采用了約束性指標(biāo)、配額、綠色證書等方面的措施。在此方面,英國實行比例配額和義務(wù)證書(ROC)制度;比例配額指用電企業(yè)從電力企業(yè)購買的電量必須包含規(guī)定比例的“綠色電能”,否則企業(yè)將面臨10%的罰款;而ROC制度重點在于可再生能源(電力)義務(wù)證書,電力供應(yīng)商有義務(wù)供應(yīng)一定比例的可再生能源電力,提交 ROC 或購買 ROC, 以履行義務(wù)。瑞典、意大利、比利時、波蘭、挪威等國家也實行了類似的比例配額制度。
2.4
日趨完善的污水潛能開發(fā)政策
作為污水潛能發(fā)展的風(fēng)向標(biāo),政府政策具有極強的時效性和針對性。污水潛能開發(fā)政策從無到有、從略到細(xì),實現(xiàn)了以無害化處理污泥為主,到以獲取優(yōu)質(zhì)可再生能源為目的的戰(zhàn)略性轉(zhuǎn)向,反映出政府部門高屋建瓴,認(rèn)識水平不斷提高和轉(zhuǎn)變,污水潛能開發(fā)政策也與時俱進(jìn)。
2013 年12月8日,英國《能源法》正式引入差額支付合同制度(CfD),要求可再生能源電力企業(yè)義務(wù)在電力市場銷售電力,并與交易方(電力購買者)簽訂差額支付合同。當(dāng)市場價格超過合同基準(zhǔn)價格時,政府補貼電力企業(yè)合同差額,即,相對于合約價格實行“多退少補”。另外,對正在采用某種技術(shù)進(jìn)行可再生能源電力生產(chǎn)的企業(yè),規(guī)定用競標(biāo)形式確定基準(zhǔn)價位,進(jìn)而制定最大補助額值。英國改革方案的實施彌補了ROC政策下電力供應(yīng)商購買可再生能源義務(wù)證書積極性較差的缺陷。
德國自出臺相關(guān)政策以來,又進(jìn)行了多次修訂和補充,現(xiàn)行鼓勵污水潛能開發(fā)的政策如表1所示。
表1 德國鼓勵沼氣發(fā)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展的法律及政策措施
措施 |
熱電聯(lián)產(chǎn)(CHP) |
供熱 |
人造天然氣并網(wǎng) |
車用人造天然氣 |
目標(biāo) |
2020年可再生能源發(fā)電占總發(fā)電量20% |
2020年14%來自可再生能源 |
2020年注入 60×108 m3 |
生物燃油替代化石燃油路線圖 |
立法手段 |
REL促進(jìn)法:可再生能源發(fā)電量占17.1% |
市場推進(jìn)計劃:撥款、低息貸款 |
地位視同天然氣 |
2015年分別替代4.4%和3.6%柴油和汽油 |
經(jīng)濟激勵 |
根據(jù)可再生能源法(EEG)免除能源稅 |
免除能源稅 |
免除能源稅 |
免除能源稅,零售價低于柴油和汽油(等能量當(dāng)量) |
基礎(chǔ)設(shè)施 |
現(xiàn)成電網(wǎng) |
- |
擴建現(xiàn)有天然氣管網(wǎng) |
由天然氣/保險公司提供服務(wù) |
2016年4月1日起,日本全面放開電力零售市場,允許所有用戶自由選擇供電商;取消批發(fā)市場的價格管制,鼓勵供電商、十大區(qū)域電力公司和售電商同時進(jìn)入交易市場,在交易所(JEPX)中進(jìn)行余缺電力的交易。 市場化的改變?yōu)榭稍偕茉窗l(fā)電入網(wǎng)注入新的活力。
3
橫向思考
縱觀各個先行國家在污水潛能開發(fā)方面的舉措,從方針政策到法律法規(guī)、再到補貼納稅等等,總體上體現(xiàn)了政府通過制定政策、法律、法規(guī)而實施的宏觀調(diào)節(jié)作用,相應(yīng)的經(jīng)濟補貼、稅收減免措施則顯示了經(jīng)濟上“四兩撥千金”的效果,亦體現(xiàn)了社會的公平性。上有政策,下有好處;政策定位了企業(yè)的發(fā)展方向,經(jīng)濟補貼/稅收減免則保證了企業(yè)的收益;立法又能確保公平交易,且能根據(jù)實際情況及時作出改進(jìn)和修正。在此方面,德國經(jīng)驗值得借鑒;他們結(jié)合國情,從硬性規(guī)定過渡到軟性激勵;當(dāng)發(fā)展到一定階段時,又通過逐年減少甚至取消補貼優(yōu)惠政策來刺激電力供應(yīng)商不斷更新能源技術(shù)以降低成本,帶動可再生能源向更成熟階段發(fā)展。
我國對污水潛能開發(fā)起步較晚,目前基本處于劣勢狀態(tài)。政府相關(guān)政策頒布不及時、內(nèi)容不適時、無相應(yīng)經(jīng)濟補貼措施將使污水潛能發(fā)展進(jìn)一步受阻。現(xiàn)行有關(guān)政策、法律也只是給出了一個大致框架,企業(yè)實際操作性很弱。由于缺乏細(xì)節(jié)性內(nèi)容,對補貼和優(yōu)惠等激勵政策還沒有明確標(biāo)準(zhǔn),很難取得預(yù)期效果。可見,我國開發(fā)污水潛能的當(dāng)務(wù)之急是首先從國家和地方層面制定出適時的補貼、優(yōu)惠政策,其次才是從科技層面上鼓勵和指導(dǎo)污水潛能技術(shù)研發(fā)。
(更詳細(xì)內(nèi)容參見《中國給水排水》第12期:污水潛能開發(fā)取決于適時補貼政策,作者:北京建筑大學(xué) 郝曉地、羅玉琪、林甲、曹達(dá)啟)
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污水中確實蘊含著巨大的潛在能量 國內(nèi)污水潛能定量計算結(jié)果首次發(fā)布 來源:中國給水排水-cnww1985 郝曉地
國內(nèi)污水潛能定量計算結(jié)果首次發(fā)布
來源:中國給水排水 郝曉地
截至目前,國內(nèi)尚未發(fā)現(xiàn)對污水中潛能進(jìn)行定量計算的報道,對于污水潛能大多引用國外數(shù)據(jù),并引發(fā)一些質(zhì)疑。為此,北京建筑大學(xué)中—荷未來污水處理技術(shù)研發(fā)中心郝曉地教授團隊試圖通過之前已建立的能量平衡與計算模型,分別定量計算污水中蘊含的化學(xué)能與熱能含量,以詮釋污水潛能的蘊藏量以及可以回收利用的價值,讓業(yè)內(nèi)人士真正了解污水潛能的來源與豐量。
郝曉地(1960-),山西柳林人,教授,從事市政與環(huán)境工程專業(yè)教學(xué)與科研工作,主要研究方向為污水生物脫氮除磷技術(shù)、污水處理數(shù)學(xué)模擬技術(shù)、可持續(xù)環(huán)境生物技術(shù),F(xiàn)為國際水協(xié)期刊《WaterResearch》區(qū)域主編(Editor)。
污水中含有有機物(COD)化學(xué)能和余溫?zé)崮埽@種潛能一直不被人們所重視。計算表明,污水所含化學(xué)能、熱能理論值雖然前者小于后者,但相差倍數(shù)(3.33)不大,取決于進(jìn)水COD濃度。然而,COD化學(xué)能在能量轉(zhuǎn)化過程中有相當(dāng)一部分并不能回收或受限于能量轉(zhuǎn)化效率而不能全部轉(zhuǎn)化。
對某實際污水處理廠(COD=400mg/L)潛能轉(zhuǎn)化計算顯示,污泥厭氧消化產(chǎn)甲烷(CH4)后實施熱電聯(lián)產(chǎn)(CHP)可轉(zhuǎn)化的化學(xué)能折算電當(dāng)量僅為0.20kW˙h/m³,只能滿足實際運行耗能0.37kW˙h/m³的53.2%。因水源熱泵可轉(zhuǎn)換熱能(全部出水,4oC溫差)1.77kW˙h/m³(供熱)/1.18kW˙h/m³(制冷),所以利用不到15%的出水量(供熱9.8%、制冷14.7%)即可彌補46.8%碳中和運行赤字能量?傊瑢嵗龔S供熱時出水熱能與化學(xué)能所占總潛能值比例分別為90%和10%;折算電當(dāng)量后,總潛能值為1.97kW˙h/m³。
有關(guān)污水化學(xué)能與熱能計算顯示,城市污水中所蘊含的潛能(化學(xué)能+熱能)值可達(dá)污水處理耗能的9~10倍。同時也有人指出,城市污水中化學(xué)能約占總潛能值的10%,而90%的污水潛能由熱量產(chǎn)生;美國原污水中廢熱和化學(xué)能含量約為1500億kW˙h,其中80%為廢熱,20%為化學(xué)能。然而,這些被定量的污水潛能值在文獻(xiàn)中很難找到具體的估算方法或計算有誤,對大多數(shù)人來說似乎還是一個比較模糊的估計值,仍屬于“定性”范圍。
1污水潛能理論計算
1.1化學(xué)能計算
有關(guān)污水有機物中蘊含的化學(xué)能,一些研究者從不同角度進(jìn)行過定量評估;瘜W(xué)能評估大都基于生活污水所含有機物的COD值,以兩種方式表征:1)單位COD含能值;2)單位(m3)水量COD化學(xué)潛能值。本研究采用第二種方式計算污水有機物理論化學(xué)潛能值。污水有機物最大理論化學(xué)潛能值是指污水所含COD全部提。ú缓⑸锓纸猓┎⑥D(zhuǎn)化為甲烷(CH4)的能量值,且不考慮轉(zhuǎn)化過程的實際能量損失。假如城市污水COD含量為400mg/L,所含化學(xué)能可按CH4氧化計量方程計算,見化學(xué)計量式(1)。
根據(jù)公式(1),0.25gCH4氧化需要消耗1gO2。換句話說,1gCOD可以產(chǎn)生0.25gCH4。據(jù)此,COD=400mg/L的污水每m3可產(chǎn)CH4理論量為:
因為CH4燃燒熱為50200kJ/kg,所以,當(dāng)污水COD含量為400mg/L時,每m3污水理論最大化學(xué)潛能值為:
污水化學(xué)能顯然取決于進(jìn)水COD濃度,不同COD濃度下每m3污水所能獲取的理論最大化學(xué)潛能值可根據(jù)表1能源換算關(guān)系轉(zhuǎn)變成電當(dāng)量,具體計算結(jié)果如圖1所示。具體而言,COD=400mg/L時轉(zhuǎn)換的電當(dāng)量為0.56kW˙h/m3。
表1能源換算關(guān)系
1.2熱能計算
污水處理廠出水流量、水質(zhì)一般較為穩(wěn)定,且水溫變化不大,夏季在20~24℃之間(低于空氣環(huán)境溫度),冬季處于10~15℃范圍(高于空氣環(huán)境溫度)。因此,非常適合應(yīng)用水源熱泵工程。城市污水中所賦存的理論冷/熱量可用(4)式計算。
式中:A—城市污水冷/熱量,kJ
M—污水質(zhì)量,kg
Δt—污水進(jìn)出水源熱泵機組溫差,℃
C—污水比熱容,計算時取比熱容4.18kJ/(kg˙℃)
若取污水熱能溫差為4℃,則每m3污水中所含理論熱能值為:
將每m3污水中所含熱能值根據(jù)表1能源換算關(guān)系轉(zhuǎn)變成電當(dāng)量為1.85kW˙h/m3。
1.3熱能與化學(xué)能比值
圖1不同COD濃度下污水熱能與化學(xué)能比值以及每m3污水所含化學(xué)潛能理論值
2污水處理廠潛能轉(zhuǎn)化計算
2.1化學(xué)能轉(zhuǎn)化計算
不同污水處理工藝因運行工況和所需設(shè)備不同導(dǎo)致處理過程耗能以及最終可回收的能量存在一定差異。本研究以目前包括脫氮除磷在內(nèi)而廣泛使用的A2/O工藝為藍(lán)本,根據(jù)之前已構(gòu)建的能量轉(zhuǎn)化物料平衡,參考圖2所示的流程編號建立計算公式。假設(shè)污泥厭氧消化產(chǎn)生的沼氣以熱電聯(lián)產(chǎn)(CHP)方式利用,并以此計算化學(xué)能轉(zhuǎn)化值,主要計算公式列于表2;其中,能量消耗定義為正,能量回收顯示為負(fù)。
圖2化學(xué)能轉(zhuǎn)化模型參考工藝流程
表2化學(xué)能轉(zhuǎn)化計算公式
2.2熱能轉(zhuǎn)化計算
水源熱泵總供熱量/制冷量可用式(6)計算。
式中:AR/L—熱泵總供熱量/制冷量,kJ;下標(biāo)R/L分別代表供熱/制冷工況;
W—熱泵所消耗電能對輸出熱能的貢獻(xiàn)值。
根據(jù)相關(guān)研究,W可利用水源熱泵供熱/制冷系數(shù)COP(表示輸入1kW˙h電的熱量,可以產(chǎn)生多少kW˙h的熱量,無因次)計算,即A:W:AR/L=COP±1:1:COP(供熱時取“-”,制冷時取“+”);其中,COP表征了水源熱泵消耗電能轉(zhuǎn)化熱能的能力。
公式(6)中的“±”號選取根據(jù)不同目的而異。冬季供熱時,因水源熱泵消耗電能向污水轉(zhuǎn)化熱能,提高了輸出熱能值,所以取“+”,夏季制冷時,水源熱泵消耗電能向污水轉(zhuǎn)化熱能為負(fù),降低了輸出熱能值,因此取“-”。
3案例計算、分析
污水實際可以獲得的潛能與所處地域、工藝選擇、處理規(guī)模有關(guān)。本研究以具有地域代表性的北方城市北京為例,選擇目前廣泛采用的A2/O工藝,處理規(guī)模選大型污水處理廠,根據(jù)上述列出的化學(xué)能、
3.1案例污水處理廠概況
北京某市政污水處理廠采用A2/O工藝,處理規(guī)模為60萬m3/d。該廠全年平均進(jìn)/出水水質(zhì)以及相關(guān)運行參數(shù)列于表3。初沉與剩余污泥經(jīng)過厭氧消化穩(wěn)定后脫水減量,厭氧消化池產(chǎn)生的沼氣假定通過熱電聯(lián)產(chǎn)(CHP)加以利用。
表3案例污水處理廠水質(zhì)及運行參數(shù)
3.2化學(xué)能轉(zhuǎn)化計算
根據(jù)之前已經(jīng)建立的物料平衡模型,物料衡算中不考慮污泥外回流和混合液內(nèi)回流,忽略初沉池和二沉池排泥對水量的影響,并假定初沉池對COD截留不影響后續(xù)脫氮除磷效果,亦不考慮曝氣池內(nèi)COD揮發(fā)損失,對案例廠進(jìn)行物料衡算,得出厭氧消化池中產(chǎn)生甲烷量Sm=23.64kgCOD/m³。
據(jù)此,再根據(jù)表2相關(guān)計算公式,可對化學(xué)能轉(zhuǎn)化進(jìn)行計算,其中,c=4200J/(kg˙℃),ρ=1020kg/m3,α=0.8。案例廠厭氧消化池設(shè)計進(jìn)泥量為3000m³/d,Q8-9=Q7-8=3000m³/d。因為在消化池中溶解性COD(SCOD)并不能完全被降解(我國SCOD在消化池中的平均降解率為0.6),厭氧消化產(chǎn)沼氣熱電聯(lián)產(chǎn)的效率一般在65~90%(計算取值80%),所以,最后可得出案例廠工藝化學(xué)能轉(zhuǎn)化計算結(jié)果,列入表4。
表4案例污水處理廠工藝化學(xué)能轉(zhuǎn)化計算結(jié)果
表4計算結(jié)果顯示,污泥厭氧消化產(chǎn)CH4如果實施熱電聯(lián)產(chǎn),所產(chǎn)生的能量遠(yuǎn)高于厭氧消化池加熱所投入的能量,即,污泥厭氧消化確實是一種能量轉(zhuǎn)化并輸出的必要單元。產(chǎn)生的凈能量也就是污水有機物在完成基本污染物去除功能(脫氮除磷兼COD去除)后所獲得的實際化學(xué)能,可以抵消曝氣、回流、消化池加熱等環(huán)節(jié)的能量消耗,以減少對外部能源的依賴。
3.3熱能轉(zhuǎn)化計算
案例廠出水流量、水質(zhì)均較為穩(wěn)定;水溫變化不大,夏季在20~24℃之間(低于空氣環(huán)境溫度),冬季處于10~15℃范圍(高于空氣環(huán)境溫度)。因此,非常適合應(yīng)用水源熱泵工程。利用公式(4),取用案例廠處理后的出水(60萬m3),提取溫差設(shè)定Δt=4℃,則案例廠每天出水所含熱量計算如下:
根據(jù)綜合公式(6)和COP定義得到熱泵實際供熱量/制冷量的變形計算公式(8)。
計算中,分別取熱泵機組供熱COP為3.5、制冷COP為4.8,利用公式(7)、(8)以及表1中能源換算關(guān)系,可計算系統(tǒng)可獲取的熱/冷量、系統(tǒng)供熱/制冷時機組實際能耗,計算結(jié)果見表5。
表5水源熱泵系統(tǒng)利用案例廠出水可產(chǎn)生的當(dāng)量電量
表5顯示,水源熱泵系統(tǒng)在供熱工況下,每消耗494211kW˙h電量,可產(chǎn)生1556544kW˙h的電當(dāng)量,熱泵機組每天凈產(chǎn)出電當(dāng)量1062333kW˙h。在制冷工況下,每消耗213022kW˙h電量,可產(chǎn)生920179kW˙h電當(dāng)量,熱泵機組每天凈產(chǎn)能電當(dāng)量707157kW˙h。可見,案例廠如果采用水源熱泵系統(tǒng),節(jié)能與能量回收效果非常明顯。
綜上所述,將水源熱泵系統(tǒng)從污水中獲取的熱能與污泥厭氧消化產(chǎn)CH4后熱電聯(lián)產(chǎn)轉(zhuǎn)化的化學(xué)能相比,熱能顯著高于化學(xué)能;供熱時熱能與化學(xué)能比值為1062333/118056=9.0,制冷時熱能與化學(xué)能的比值為707157/118056=6.0。
3.4潛能評價與碳中和運行
為評價污水可獲潛能與污水處理碳中和運行的可行性,將上述案例廠每天經(jīng)轉(zhuǎn)化可獲得的潛能值與實際運行耗能進(jìn)行比較,數(shù)據(jù)列于表6,其中,輸入為正,輸出為負(fù),能量單位kW˙h。
表6案例廠能耗及可獲化學(xué)能
表6顯示,案例廠實際運行時每天總能耗為221945kW˙h。這表明,經(jīng)熱電聯(lián)產(chǎn)產(chǎn)生的化學(xué)能只能滿足該廠曝氣、回流、厭氧池加熱等主要耗能單元的53.2%,并不能涵蓋全部運行能耗。但是,如果用水源熱泵彌補46.8%碳中和運行能量赤字,每天只需使用5.9萬m3(供熱時)和8.8萬m3(制冷時)的出水,僅相當(dāng)于60萬m3/d處理水量的9.8%和14.7%。也就是說,只需利用不足15%的出水熱量即可彌補化學(xué)能在實現(xiàn)碳中和運行時的能量赤字?梢,污水余溫所含能量之巨大,85%的熱/冷能可供廠外周邊供熱/制冷用戶使用。
案例廠實際運行能耗為0.37kW˙h/m³;熱電聯(lián)產(chǎn)轉(zhuǎn)化的化學(xué)能電當(dāng)量為0.20kW˙h/m³;供熱/制冷時(全部出水)熱能電當(dāng)量分別為1.77kW˙h/m³和1.18kW˙h/m³。電當(dāng)量折算表明,供熱時化學(xué)能與熱能潛能值合計為1.97kW˙h/m³,制冷時合計為1.38kW˙h/m³。
4結(jié)語
污水有機物化學(xué)能與余溫?zé)崮苡嬎惚砻鳎鬯写_實蘊含著巨大的潛在能量。污水所含化學(xué)能、熱能理論值雖然前者小于后者,但相差倍數(shù)不大,取決于進(jìn)水COD濃度。如果進(jìn)水COD=400mg/L,與獲取4℃余溫差熱量相比,熱能約為化學(xué)能的3.33倍。
然而,有機物化學(xué)能在實際能量轉(zhuǎn)化過程中有相當(dāng)一部分不能回收(如COD氧化分解至CO2部分,即分解)或散失(受限于能量轉(zhuǎn)化效率)。實際案例計算表明,以水源熱泵轉(zhuǎn)化同樣溫差(4℃)熱能實際可獲取的熱/冷量分別是污泥厭氧消化產(chǎn)甲烷(CH4)后熱電聯(lián)產(chǎn)(CHP)可獲得化學(xué)能的9.0倍(供熱)和6.0倍(制冷),即供熱時污水熱能與化學(xué)能所占比例大約為90%和10%,與國際專家聲稱值(90%和10%)完全一致。
污水潛能折算電當(dāng)量后顯示,熱電聯(lián)產(chǎn)轉(zhuǎn)化的化學(xué)能電當(dāng)量為0.20kW˙h/m³,而供熱/制冷時(全部出水)電當(dāng)量分別為1.77kW˙h/m³和1.18kW˙h/m³。電當(dāng)量折算表明,供熱時化學(xué)能與熱能潛能值合計1.97kW˙h/m³,制冷時合計1.38kW˙h/m³。
案例廠實際運行能耗為0.37kW˙h/m³,上述經(jīng)轉(zhuǎn)化后可獲得的有機物化學(xué)能(0.20kW˙h/m³)僅能滿足碳中和運行能量需求的53.2%。碳中和赤字能量(46.8%)利用不足15%(供熱9.8%/制冷14.7%)的出水量中熱能即可獲得滿足。
污水潛能計算結(jié)果預(yù)示著我國污水處理行業(yè)若要實現(xiàn)碳中和運行,僅靠有機物化學(xué)能是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的,必須就近考慮利用潛在、巨大的污水余溫?zé)崮。誠然,污水熱能是一種低品位能量,不可能用于發(fā)電目的,只能直接、近距離熱/冷量利用。這就需要市政熱力規(guī)劃進(jìn)行全盤考慮,將污水處理廠大部分熱能提取而供出廠外,用以交換自身碳中和運行赤字電量。