自我國(guó)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。對(duì)如何實(shí)現(xiàn)行業(yè)“碳中和”也打上了大大的問(wèn)號(hào)。對(duì)于污水處理廠來(lái)說(shuō)，盡管國(guó)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(guó)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。污水處理廠實(shí)現(xiàn)碳中和的路徑究竟在哪里？

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自我國(guó)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(wú)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(wèn)號(hào)。對(duì)于污水處理廠來(lái)說(shuō)，盡管國(guó)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(guó)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(guò)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(guó)內(nèi)污水處理廠實(shí)現(xiàn)“碳中和”的可用能量來(lái)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(yáng)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(yáng)能發(fā)電，而且還能在冬季時(shí)利用光伏板來(lái)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(yáng)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(wèn)，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。

圖1 污水處理廠三種能量回收路徑

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(guò)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(guò)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。

表1 污水廠能量衡算模型自變量參數(shù)

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(guò)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(guò)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?jī)H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?？梢?jiàn)，本研究構(gòu)建的模型計(jì)算結(jié)果是可信的。

圖2 污水廠能量衡算模型自變量參數(shù)

表2 案例污水廠每天能量消耗/回收模型核算結(jié)果

編輯：李丹