從最終的能量匡算結(jié)果來(lái)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(shuō)案例污水廠如果僅僅依賴污水中的有機(jī)物通過(guò)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(lái)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(guó)污水處理廠平均進(jìn)水COD濃度水平（283 mg/L），通過(guò)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%。

圖3 污水廠能量衡算模型自變量參數(shù)

總之，我國(guó)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(guò)厭氧消化來(lái)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(guò)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。

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(lái)說(shuō)，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(guó)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?，我國(guó)污水處理廠處理單位萬(wàn)噸污水對(duì)應(yīng)的主要構(gòu)筑物的平面面積在1147~1576 ㎡之間，平均值為1402 ㎡。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。

表3 國(guó)內(nèi)部分污水廠主要構(gòu)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(chǎn)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(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(yáng)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(guò)光伏發(fā)電可獲取的能量顯得有些“微不足道”！

表4 國(guó)內(nèi)部分污水廠主要構(gòu)筑物占地面積

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(lái)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(guò)計(jì)算可知（表5），水源熱泵系統(tǒng)每利用1萬(wàn)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(guò)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(wàn)m3和23213 kWh/萬(wàn)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(wàn)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(yáng)能回收，案例污水廠已可實(shí)現(xiàn)“能量平衡”。

表5 水源熱泵每萬(wàn)噸水產(chǎn)生的當(dāng)量電能

需要說(shuō)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(yǔ)

我們通過(guò)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?，我國(guó)市政污水處理廠一般可通過(guò)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(guó)市政污水廠想著低碳運(yùn)行方向發(fā)展奠定理論基礎(chǔ)。

該研究相關(guān)成果發(fā)表在《Water Research》，原文參考:

編輯：李丹