污水處理實現“碳中和”技術路徑在哪里？

時間：2021-06-29 09:14

來源：水業碳中和資訊

作者：郝曉地、劉然彬等

從最終的能量匡算結果來看，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物通過厭氧消化回收能量，距“能量平衡”目標尚且有一半的差距。

另外，從所構建的模型來看，污泥厭氧消化回收污水中有機物能量的多寡完全取決于進水中的有機物濃度，即進水COD濃度越高，可回收的有機物能量潛力便越大。繼而我們利用所構建模型針對不同的進水COD濃度進行了能量核算，結果如圖3所示。在我國污水處理廠平均進水COD濃度水平（283 mg/L），通過污泥厭氧消化能量回收只能實現約42%的能量平衡率；而當進水COD濃度增至600 mg/L時（歐洲平均水平），則回收的能量可以補償總能耗的68.9%。

圖3 污水廠能量衡算模型自變量參數

總之，我國污水處理廠由于進水有機物濃度較低，剩余污泥厭氧消化回收有機物能量難以實現污水廠的“能量平衡”，更別提支撐“碳中和”的實現。同時，需要強調的是，剩余污泥中蘊藏的“家底”通過厭氧消化來補償一半的運行能量消耗是完全可行的。另外，根據我們最近的研究結果，厭氧消化并不是回收污泥中有機能量的最佳手段，污水處理廠應當考慮跳過厭氧消化單元，直接將污泥干化后進行焚燒發電，可進一步提高有機能量的回收效率。

污水廠光伏發電潛能

光伏發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。對于污水處理廠來說，各個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計規范下可用的光伏板安裝面積，我們總結了處理規模不同的污水處理廠部分單元構筑物的面積，如表3所示。可知，我國污水處理廠處理單位萬噸污水對應的主要構筑物的平面面積在1147~1576 ㎡之間，平均值為1402 ㎡。由于規模效應的存在，這一數值是隨著處理水量的增大而減少的。

表3 國內部分污水廠主要構筑物占地面積

按照E20-327型光伏板性能、案例污水廠所在地的光照條件，單塊光伏板每天產生的能量約為1.09 kWh（單板占地面積為4.65 ㎡）。如果在案例污水廠主要構筑物平面（表4）上安裝E20-327型光伏板，可計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行能耗的10.4%，即通過光伏發電可獲取的能量顯得有些“微不足道”！

表4 國內部分污水廠主要構筑物占地面積

污水源熱泵能量回收潛力

在我們之前發布的文章中，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，污水中的熱能儲量遠高于污水中的化學能（有機物能量），實際可回收熱能為化學能的9倍之多。為更直觀的體現污水中熱能回收的巨大潛力，我們在此也基于案例污水廠對可回收的熱能進行了計算。

北京地區污水廠二級出水在6~9月份的平均水溫為23.4~26.5 ℃，比同時期平均氣溫低4~5 ℃；二級出水水溫在供暖季（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《水源熱泵機組》（GB/T 19409—2003）要求。
通過計算可知（表5），水源熱泵系統每利用1萬噸二級出水的制冷量和制熱量分別為1.68×105 MJ和2.74 MJ，考慮水源熱泵機組自身能耗（通過COP定義得出），則二級出水在夏季和冬季凈產能當量分別為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”。據此匡算，案例污水廠每天僅利用8萬噸二級出水（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，案例污水廠已可實現“能量平衡”。

表5 水源熱泵每萬噸水產生的當量電能

需要說明的是，污水源熱泵所產生的冷、熱源一般均為直接利用，并非是像甲烷一樣用于發電。所以，上述測算中所產生的能量中絕大部分還是要靠輸出廠外供其他商業或民用用戶使用，以“碳交易”方式折算能量與碳排放的平衡。

結語

我們通過考慮剩余污泥能量回收、光伏發電和水源熱泵能量回收，分別核算出各自能量回收方式對運行能耗的貢獻率。結果表明，污水源熱泵僅需使用較小的水量（<15%）便可以產生出至少一半以上的運行能耗，完全可以彌補剩余污泥轉化能源不足形成的能源赤字。相形之下，光伏發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現“碳中和”的實力擔當。總之，我國市政污水處理廠一般可通過剩余污泥轉化能源和污水源熱泵方式便完全可以滿足“碳中和”運行的目標，該研究結論可為我國市政污水廠想著低碳運行方向發展奠定理論基礎。

該研究相關成果發表在《Water Research》，原文參考:

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編輯：李丹

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