【案例】污水處理廠碳中和運行的潛力分析——以我國為例
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、主流Anammox技術以及高效厭氧技術，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。展望污水處理的未來前景，多個國家已經陸續(xù)發(fā)布了污水廠碳中和技術路線圖。
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，部分污水廠已經通過技術升級實現(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生初沉污泥和二沉污泥，污泥經過厭氧處理(Anaerobic digestion, AD)產生沼氣，沼氣經過熱電聯(lián)產(CombinedHeat and Power, CHP)產生電能和熱能。
“污泥厭氧產沼氣+熱電聯(lián)產”AD-CHP過程中產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，建立了一套模擬計算污水廠物質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，驗證該模型計算結果與實際能耗基本吻合。其中厭氧產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計值的38%，這從側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，模擬計算了“污泥厭氧產沼氣+熱電聯(lián)產”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%。
理論值和實際值產生巨大差異的重要因素是設備效率低(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。水源熱泵技術已經在建筑物室內溫度控制上得到成功應用。
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的應用條件，為利用水源熱泵回收污水熱能提供了基礎。
根據(jù)模擬計算結果，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生，等效于產生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能回收不足帶來的能耗缺口。
然而，水源熱泵并不能直接產生電能，富裕熱能供給周邊地區(qū)也存在經濟半徑(6.5公里以內)。熱能的輸出利用的同時依托與市政供熱網絡的互動，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的反應池表面積在1147-1576m²之間。
基于商業(yè)化光伏太陽能板的產電效率(覆蓋4.65m²時產電能力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，清華大學環(huán)境學院博士生，從事水處理創(chuàng)新技術研究。曾獲“我心中的城市污水處理概念廠”校園創(chuàng)意設計大賽全國總冠軍、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》。
【深度】污水處理廠碳中和運行潛力待挖掘
目前，我國污水處理規(guī)模體量巨大、消耗能量多，碳中和（污水處理低碳運行與能源消耗自給自足）在未來污水廠中的運行中將成為一大趨勢，其對推動行業(yè)的綠色發(fā)展具有重大意義。然而，受限于污水行業(yè)技術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。
研究人員以北京某污水廠為實例，分析了當前主流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，認為當前污泥厭氧能量自給率僅達53%。
污水碳中和運行已被國際推行
展望污水處理的未來前景，多個國家已經陸續(xù)發(fā)布了污水廠碳中和技術路線圖。目前，一方面污水處理屬于高耗能行業(yè)，勢必會導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以及碳中和運行提供了客觀基礎。
美國水環(huán)境研究基金(WaterEnvironmentResearchFoundation)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，部分污水廠已經通過技術升級實現(xiàn)了能量自給及碳中和運行。
回收有機物能量貢獻率僅53%，理想狀態(tài)可達270%
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。
當前，污水廠實現(xiàn)碳中和途徑主要有以下3個途徑：回收污水中有機物的能量；利用水源熱泵技術回收污水中熱能；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，主要依靠污泥的厭氧過程實現(xiàn)。在污水處理過程中，會產生初沉污泥和二沉污泥，污泥經過厭氧處理產生沼氣，沼氣經過熱電聯(lián)產產生電能和熱能。
在“污泥厭氧產沼氣+熱電聯(lián)產”過程中，產生的電能可以用于補償污水廠的一部分能耗在理想狀態(tài)下，甚至可以實現(xiàn)碳中和運行。
模型針對北京幾個污水廠的實際污水水質，模擬計算了“污泥厭氧產沼氣+熱電聯(lián)產”過程對水廠總體能源自給的影響，其貢獻值僅為53%。需要強調的是，如果改進工藝，在不考慮設備引起的能量損失情況下，碳中和率可以達到270%。
理論值和實際值產生巨大差異說明，污水廠碳中和運行的潛力有待挖掘，如果提高設備（提升泵、曝氣泵）效率、優(yōu)化工藝過程（污泥厭氧產甲烷過程），回收污水有機質所蘊含的能量很大，碳中和率可以達到非常理想的狀態(tài)。
水源熱泵產生的熱能高，太陽能利用亦可直接提供電能回收污水有機質所蘊含的能量外，還可以考慮污水熱能和太陽能。
基于北京地區(qū)污水廠案例研究，北京大部分月份的溫度差能夠滿足水源熱泵技術的應用條件，為利用水源熱泵回收污水熱能提供了基礎。
根據(jù)模擬計算結果，1噸出水溫度如果降低1℃，水源熱泵回收的熱量若由煤電產生，等效于產生0.26kwh煤電時的燃煤消耗。經過初步估算，只利用出水量的1/5所回收的能量，足以彌補上述提到的有機物能量實際回收不足帶來的能耗缺口。
然而，水源熱泵雖然產生的能量高，但并不能直接產生電能，只是產生熱能，不方便將富裕熱能向周邊供給。比如需要考慮向周邊供給半徑、市政供熱網絡的互動等因素。
不過，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的反應池表面積在1147m3~1576m3之間。
基于商業(yè)化光伏太陽能板的產電效率，污水廠太陽能利用可以補償10%的能耗損失。但是，其對碳中和運行的貢獻率低于回收污水中有機物的能量或利用水源熱泵技術回收污水中熱能。
作者系中宜環(huán)科環(huán)保產業(yè)研究院研究員清華大學環(huán)境學院博士
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北控清潔能源拓展“光伏+污水廠”
日前，北控水務參與投資的北控清潔能源擬以每股0.17港元（單位下同）向啟迪科創(chuàng)有限公司發(fā)行40.45億股新股。所得款項凈額6.87億元，用于開發(fā)其光伏發(fā)電相關業(yè)務及作一般營運資金用途。
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據(jù)悉，在今年5月，北控水務就曾聯(lián)手北控清潔能源，擬在全國300多座污水廠中建分布式光伏電站。電站建設完成且相關條件達成后，北控清潔能源將向北控水務集團出售電能，打開了“光伏+污水廠”的合作新模式。而此次與啟迪合作，或可看成是在此模式基礎上的新的拓展。
微生物燃料電池中試規(guī)模的放大對污水處理意味著什么
就在我們將目光的注意力集中在厭氧氨氧化和好氧顆粒污泥之際，很多人忘記了前幾年業(yè)內非常熱衷的MFC技術已經取得了一定規(guī)模的中試。污水處理觀察微信公眾號注意到，日前，在美國波士頓坎布瑞恩創(chuàng)新中心的微生物燃料電池（MFC）的中試規(guī)模達到了2.25噸，可以生產出清潔的出水，供15人使用，并且MFC自身產生電能驅動中試裝置的運行，產生的電能還略有盈余。
這是一個很了不起的突破，這對于傳統(tǒng)污水處理行業(yè)是一個絕對的好消息，污水處理行業(yè)耗能巨大，僅在美國污水處理行業(yè)的能耗就在全國總能耗的約1.5%，如果能夠實現(xiàn)污水處理的完全能量自給，會對行業(yè)及社會產生深刻的影響。
其他研究MFC的團隊也在突破規(guī)模的放大，加州圣迭戈的J.CraigVenter研究中心的規(guī)模達到了630升，處理的養(yǎng)豬廢水。該中心還在墨西哥籌劃一個更大規(guī)模的中試MFC，研究人員稱在未來三五年內實現(xiàn)商業(yè)化。而坎布瑞恩中心則希望MFC能進一步放大到每天20噸的規(guī)模。
美國賓夕法尼亞州立大學環(huán)境工程系教授BruceLogan是MFC領域的國際權威，他曾經估計微生物燃料電池實現(xiàn)工業(yè)應用需5~10年。但目前一些中試規(guī)模的放大似乎在小型分散式的污水處理站有了用武之地。
相比較于國外同行在不斷追求規(guī)模的放大和成本的降低，筆者接觸過一位中國的同行，中國的同行似乎更在意機理的研究，這也許對發(fā)表文章很有用。東西方理念的差別，也造成這一技術在各國的不同發(fā)展局面。
