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

自我國提出2060年全社會爭取實現“碳中和”目標后，各行各業對“碳中和”的討論持續高漲、熱度不減。對如何實現行業“碳中和”也打上了大大的問號。對于污水處理廠來說，盡管國外已經存在完全實現“能量平衡”或“碳中和”運行的污水處理廠實際案例，但國內依然存在對污水處理廠能否實現“碳中和”的擔憂和質疑。污水處理廠實現碳中和的路徑究竟在哪里？

相關閱讀

顏磊：碳中和視角下的全國碳市場

2060年實現碳中和！碳市場如何給環保行業帶來“額外”收益

光大水務安雪松：碳達峰、碳中和時代下，水務企業的戰略思考

博匯特潘建通：污水處理廠如何實現碳中和？

自我國提出2060年全社會爭取實現“碳中和”目標后，各行各業對“碳中和”的討論持續高漲、熱度不減。一方面，這無疑推動了“碳中和”概念和知識的推廣宣傳，大大推動了“碳中和”構建的第一階段目標進程——明晰什么是“碳中和”，即“知其然”！另一方面，隨著對“碳中和”概念的不斷理解和清晰，對如何實現行業“碳中和”也打上了大大的問號。對于污水處理廠來說，盡管國外已經存在完全實現“能量平衡”或“碳中和”運行的污水處理廠實際案例，但國內依然存在對污水處理廠能否實現“碳中和”的擔憂和質疑。從技術角度講，通過能量回收直接反哺或間接補償污水廠的碳排量是實現“碳中和”的主要方式，而這些擔憂和質疑大多聚焦于“污水處理廠真的有那么多可回收能量去實現‘碳中和’嗎？”

正所謂“知其然更應知其所以然”，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。實際上，“中-荷中心”團隊負責人郝曉地教授早在2010年就已經對污水處理廠可用的“家底”和能否支撐“碳中和”的實現進行了較為詳細的前瞻性探究，當下對污水處理廠仍然具有非常大的指導意義。因此，本文基于團隊2015年的一項工作，同大家分享并厘清國內污水處理廠實現“碳中和”的可用能量來源以及相應的技術思路。

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物（COD），而回收這部分能量最簡單的方式就是對污泥實施厭氧消化，產生甲烷后用于熱電聯產，以此減少污水廠對外部能源的需求，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物能量可達污水處理消耗能量的9~10倍，這一振奮人心的“家底”能否助力污水廠實現“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電創造了必要的場地條件。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現太陽能發電，而且還能在冬季時利用光伏板來覆蓋這些處理單元，實現對生物處理的保溫作用和臭氣收集。那“太陽能”會成為污水廠實現“碳中和”的實力擔當么？另外，市政污水本身具有流量穩定、水量充足、帶有余溫等特點。如果向污水處理廠引入水源熱泵技術進行熱能的提取回收，潛力會有多大呢？帶著這些思考和疑問，我們選取了北京某污水處理廠為例，對其廠內這三種“家底”（圖1）的可用潛力進行了匡算分析。

圖1 污水處理廠三種能量回收路徑

進水有機物能量回收潛力

為匡算進水中有機物濃度與通過厭氧消化可回收的有機物能量，我們以物料平衡為基礎，將水質與能量指標進行耦合，構建了能量平衡模型和分析函數，以評價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，包括進出水水量/水質和污泥量/有機質含量共計12個參數。能量相關的過程單元則包括了提升水泵、曝氣系統和厭氧消化池加熱系統導致的能量消耗，以及污泥厭氧消化/熱電聯產產生的能量補償。

表1 污水廠能量衡算模型自變量參數

模型構建完畢后，我們對案例水廠實際運行的能量狀況進行了評價分析。圖2是案例污水廠的工藝流程和部分點的實測參數，模型匡算結果總結于表2中。由結果可知，經過模型計算得到的提升泵和鼓風機能耗數值（147000 MJ/411429 MJ）與實測數值（142560 MJ/379209 MJ）相差不大，但通過污泥厭氧消化回收的有機物能量（425848 MJ）卻遠遠高于實測數值（107142 MJ），這是因為案例污水廠2010年消化池平均進泥量僅為340 m3/d，僅占設計進泥量的12%，如果按照2010年產氣效率計算，當進泥量達到設計值時，甲烷產量與模型計算結果也近乎一致。可見，本研究構建的模型計算結果是可信的。