現(xiàn)階段我國(guó)污水處理規(guī)模體量巨大，碳中和在未來(lái)污水廠中的運(yùn)行中必將成為一大趨勢(shì)，其對(duì)推動(dòng)行業(yè)乃至社會(huì)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(guó)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(xiàn)是以北京某污水廠為實(shí)例，從理論上分析了當(dāng)前AAO工藝條件下污泥厭氧、水源熱泵以及太陽(yáng)能利用對(duì)碳中和運(yùn)行的貢獻(xiàn)潛力，并得出污泥厭氧能量自給率僅達(dá)53%的結(jié)論。

在我國(guó)污水有機(jī)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(lái)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(huì)是未來(lái)污水處理行業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)。

目前，一方面污水處理屬于高耗能行業(yè)，勢(shì)必會(huì)導(dǎo)致較高的碳排放足跡;另一方面，污水中本身蘊(yùn)含較多的能量(有機(jī)物、熱能等)，為實(shí)現(xiàn)污水處理過(guò)程能源自給及碳中和運(yùn)行提供了客觀基礎(chǔ)。展望污水處理的未來(lái)前景，多個(gè)國(guó)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(guó)水環(huán)境研究基金(Water Environment Research Foundation)提出了2030年美國(guó)所有污水處理廠均要實(shí)現(xiàn)碳中和運(yùn)行的目標(biāo)。歐洲一些國(guó)家也相繼發(fā)布了污水廠能源管理手冊(cè)。在世界范圍內(nèi)，部分污水廠已經(jīng)通過(guò)技術(shù)升級(jí)實(shí)現(xiàn)了能量自給及碳中和運(yùn)行(表1)

表1 目前國(guó)際上實(shí)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(wàn)噸的污水廠為實(shí)例(AAO工藝)，對(duì)污水廠碳中和運(yùn)行進(jìn)行了潛力分析。研究人員主要從以下三個(gè)角度，考慮了污水廠實(shí)現(xiàn)碳中和的途徑。

回收污水中有機(jī)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(yáng)能光伏發(fā)電板，利用太陽(yáng)能發(fā)電。

污水中有機(jī)物能量回收主要依靠針對(duì)污泥的厭氧過(guò)程實(shí)現(xiàn)。污水處理過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生初沉污泥和二沉污泥，污泥經(jīng)過(guò)厭氧處理(Anaerobic digestion, AD)產(chǎn)生沼氣，沼氣經(jīng)過(guò)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(guò)程中產(chǎn)生的電能可以用于補(bǔ)償污水廠的能耗，從而降低污水廠的碳足跡排放，甚至實(shí)現(xiàn)碳中和運(yùn)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(jì)算污水廠物質(zhì)流平衡和能量消耗的模型。

通過(guò)對(duì)污水廠幾個(gè)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(yàn)證該模型計(jì)算結(jié)果與實(shí)際能耗基本吻合。其中厭氧產(chǎn)能部分的實(shí)際值比理論值低，主要原因是厭氧污泥量?jī)H為設(shè)計(jì)值的38%，這從側(cè)面反映出目前污水廠污泥厭氧處理負(fù)荷不足的現(xiàn)狀。

該模型針對(duì)北京污水廠的實(shí)際污水水質(zhì)，模擬計(jì)算了“污泥厭氧產(chǎn)沼氣+熱電聯(lián)產(chǎn)”過(guò)程對(duì)水廠總體能源自給的影響，其貢獻(xiàn)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(dá)到270%。

理論值和實(shí)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(guò)程有待優(yōu)化(污泥厭氧產(chǎn)甲烷過(guò)程)。

除回收污水有機(jī)質(zhì)所蘊(yùn)含的能量外，還可以考慮污水熱能和太陽(yáng)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(jì)算結(jié)果，1噸出水溫度降低1℃時(shí)，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(shí)的燃煤消耗。僅利用出水量的1/5所回收的能量足以彌補(bǔ)有機(jī)質(zhì)能回收不足帶來(lái)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(jì)半徑(6.5公里以內(nèi))。熱能的輸出利用的同時(shí)依托與市政供熱網(wǎng)絡(luò)的互動(dòng)，以及碳交易市場(chǎng)的發(fā)展。

太陽(yáng)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(wàn)噸污水處理規(guī)�？晒┨�陽(yáng)能鋪設(shè)的反應(yīng)池表面積在1147-1576m⊃2;之間。

基于商業(yè)化光伏太陽(yáng)能板的產(chǎn)電效率(覆蓋4.65m⊃2;時(shí)產(chǎn)電能力1.09kwh/d)，污水廠太陽(yáng)能利用可以補(bǔ)償10%的能耗損失。其對(duì)碳中和運(yùn)行的貢獻(xiàn)有限，且投資費(fèi)用較高。

【參考文獻(xiàn)】

Hao X, Liu R, Huang X. Evaluation of the potential foroperating carbon neutral WWTPs in China[J]. Water research, 2015, 87: 424-431