建立城鎮(zhèn)水體污染治理工程成果轉(zhuǎn)化市場(chǎng)化
運(yùn)行機(jī)制,，搭建產(chǎn)業(yè)科研間橋梁
WATER POLLUTION CONTROL TECHNOLOGY MAJOR PROJECT
政策動(dòng)態(tài)
POLICIES
自我國提出2060年全社會(huì)爭(zhēng)取實(shí)現(xiàn)“碳中和”目標(biāo)后，各行各業(yè)對(duì)“碳中和”的討論持續(xù)高漲,、熱度不減,。一方面，這無疑推動(dòng)了“碳中和”概念和知識(shí)的推廣宣傳,，大大推動(dòng)了“碳中和”構(gòu)建的第一階段目標(biāo)進(jìn)程——明晰什么是“碳中和”，即“知其然”,！另一方面,，隨著對(duì)“碳中和”概念的不斷理解和清晰，對(duì)如何實(shí)現(xiàn)行業(yè)“碳中和”也打上了大大的問號(hào),。對(duì)于污水處理廠來說,，盡管國外已經(jīng)存在完全實(shí)現(xiàn)“能量平衡”或“碳中和”運(yùn)行的污水處理廠實(shí)際案例，但國內(nèi)依然存在對(duì)污水處理廠能否實(shí)現(xiàn)“碳中和”的擔(dān)憂和質(zhì)疑,。從技術(shù)角度講,，通過能量回收直接反哺或間接補(bǔ)償污水廠的碳排量是實(shí)現(xiàn)“碳中和”的主要方式，而這些擔(dān)憂和質(zhì)疑大多聚焦于“污水處理廠真的有那么多可回收能量去實(shí)現(xiàn)‘碳中和’嗎,？”
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內(nèi)污水處理廠實(shí)現(xiàn)“碳中和”的可用能量來源以及相應(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)太陽能發(fā)電,，而且還能在冬季時(shí)利用光伏板來覆蓋這些處理單元，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，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,。
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。
模型構(gòu)建完畢后,，我們對(duì)案例水廠實(shí)際運(yùn)行的能量狀況進(jìn)行了評(píng)價(jià)分析,。圖2是案例污水廠的工藝流程和部分點(diǎn)的實(shí)測(cè)參數(shù)，模型匡算結(jié)果總結(jié)于表2中,。由結(jié)果可知,，經(jīng)過模型計(jì)算得到的提升泵和鼓風(fēng)機(jī)能耗數(shù)值（147000 MJ/411429 MJ）與實(shí)測(cè)數(shù)值（142560 MJ/379209 MJ）相差不大，但通過污泥厭氧消化回收的有機(jī)物能量（425848 MJ）卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于實(shí)測(cè)數(shù)值（107142 MJ）,，這是因?yàn)榘咐鬯畯S2010年消化池平均進(jìn)泥量僅為340 m3/d,，僅占設(shè)計(jì)進(jìn)泥量的12%，如果按照2010年產(chǎn)氣效率計(jì)算,，當(dāng)進(jìn)泥量達(dá)到設(shè)計(jì)值時(shí),，甲烷產(chǎn)量與模型計(jì)算結(jié)果也近乎一致,。可見,，本研究構(gòu)建的模型計(jì)算結(jié)果是可信的,。
從最終的能量匡算結(jié)果來看，此案例污水廠從剩余污泥回收的能量可以提供能耗總量的53.2%,，也就是說案例污水廠如果僅僅依賴污水中的有機(jī)物通過厭氧消化回收能量,，距“能量平衡”目標(biāo)尚且有一半的差距。
另外,，從所構(gòu)建的模型來看,，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,。在我國污水處理廠平均進(jìn)水COD濃度水平（283 mg/L）,，通過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%。
總之,，我國污水處理廠由于進(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”通過厭氧消化來補(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)于污水處理廠來說，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,?？芍覈鬯幚韽S處理單位萬噸污水對(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,。
按照E20-327型光伏板性能,、案例污水廠所在地的光照條件，單塊光伏板每天產(chǎn)生的能量約為1.09 kWh（單板占地面積為4.65 m2）,。如果在案例污水廠主要構(gòu)筑物平面（表4）上安裝E20-327型光伏板,，可計(jì)算得其可回收的太陽能總量為82725 MJ/d，僅僅能滿足案例污水廠運(yùn)行能耗的10.4%,，即通過光伏發(fā)電可獲取的能量顯得有些“微不足道”,！
3. 污水源熱泵能量回收潛力
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。
通過計(jì)算可知（表5）,，水源熱泵系統(tǒng)每利用1萬噸二級(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m3和23213 kWh/萬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能回收,，案例污水廠已可實(shí)現(xiàn)“能量平衡”。
需要說明的是，污水源熱泵所產(chǎn)生的冷,、熱源一般均為直接利用,，并非是像甲烷一樣用于發(fā)電。所以,，上述測(cè)算中所產(chǎn)生的能量中絕大部分還是要靠輸出廠外供其他商業(yè)或民用用戶使用,，以“碳交易”方式折算能量與碳排放的平衡。
結(jié)語
我們通過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),?？傊覈姓鬯幚韽S一般可通過剩余污泥轉(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)論可為我國市政污水廠想著低碳運(yùn)行方向發(fā)展奠定理論基礎(chǔ),。