焦点提醒：污水处置实现“碳中和”手艺路径在哪里？ 水业碳中和资讯作者：郝晓地、刘然彬等

污水处置实现“碳中和”手艺路径在哪里？

时候：2021-06-29

来历：水业碳中和资讯

作者：郝晓地、刘然彬等

自我国提出2060年全社会争夺实现“碳中和”方针后，各行各业对“碳中和”的会商延续高涨、热度不减。对若何实现行业“碳中和”也打上了年夜年夜的问号。对污水处置厂来讲，虽然国外已具有完全实现“能量均衡”或“碳中和”运转的污水处置厂现实案例，但国内仍然具有对污水处置厂可否实现“碳中和”的耽忧和质疑。污水处置厂实现碳中和的路径事实在哪里？

自我国提出2060年全社会争夺实现“碳中和”方针后，各行各业对“碳中和”的会商延续高涨、热度不减。一方面，这无疑鞭策了“碳中和”概念和常识的推行宣扬，年夜年夜鞭策了“碳中和”建立的第一阶段方针历程——了了甚么是“碳中和”，即“知其然”！另外一方面，跟着对“碳中和”概念的不竭理解和清楚，对若何实现行业“碳中和”也打上了年夜年夜的问号。对污水处置厂来讲，虽然国外已具有完全实现“能量均衡”或“碳中和”运转的污水处置厂现实案例，但国内仍然具有对污水处置厂可否实现“碳中和”的耽忧和质疑。从手艺角度讲，经由过程能量收受接管间接反哺或间接抵偿污水厂的碳排量是实现“碳中和”的首要体例，而这些耽忧和质疑年夜多聚焦在“污水处置厂真的有那末多可收受接管能量去实现‘碳中和’吗？”

正所谓“知其然更应知其所以然”，只要厘清了污水处置厂可用的“家底”（能量）才能更有决定信念地朝着“碳中和”标的目的尽力。现实上，“中-荷中间”团队担任人郝晓地传授早在2010年就已对污水处置厂可用的“家底”和可否支持“碳中和”的实现进行了较为具体的前瞻性探讨，当下对污水处置厂依然具有很是年夜的指点意义。是以，本文基在团队2015年的一项工作，同大师分享并厘清国内污水处置厂实现“碳中和”的可用能量来历和响应的手艺思绪。

提到污水中的能量，人们常常起首想到的便是污水中的无机物（COD），而收受接管这部门能量最简单的体例就是对污泥实行厌氧消化，发生甲烷后用在热电联产，以此削减污水厂对外部能源的需求，继而间接下降CO2的排放量。理论上讲，糊口污水中所含的无机物能量可达污水处置耗损能量的9~10倍，这一振奋人心的“家底”可否助力污水厂实现“碳中和”呢？除此以外，污水处置厂生物处置池和初沉池、二沉池等单位具有重大的概况面积，这仿佛为太阳能光伏发电缔造了需要的场地前提。假如光伏组件能被奇妙地安插在这些处置单位上，不但能够向楼宇屋面一样实现太阳能发电，并且还能在冬季时操纵光伏板来笼盖这些处置单位，实现对生物处置的保温感化和臭气搜集。那“太阳能”会成为污水厂实现“碳中和”的实力担任么？别的，市政污水自己具有流量不变、水量足够、带不足温等特点。假如向污水处置厂引入水源热泵手艺进行热能的提取收受接管，潜力会有多年夜呢？带着这些思虑和疑问，我们拔取了北京某污水处置厂为例，对其厂内这三种“家底”（图1）的可用潜力进行了匡算阐发。

图1 污水处置厂三种能量收受接管路径

进水无机物能量收受接管潜力

为匡算进水中无机物浓度与经由过程厌氧消化可收受接管的无机物能量，我们以物料均衡为根本，将水质与能量目标进行耦合，建立了能量均衡模子和阐发函数，以评价污水处置厂能量耗损与收受接管之间的均衡环境。模子的输入变量如表1所示，包罗进出水水量/水质和污泥量/无机质含量总计12个参数。能量相干的进程单位则包罗了晋升水泵、曝气系统和厌氧消化池加热系统致使的能量耗损，和污泥厌氧消化/热电联产发生的能量抵偿。

表1 污水厂能量衡算模子自变量参数

模子建立终了后，我们对案例水厂现实运转的能量状态进行了评价阐发。图2是案例污水厂的工艺流程和部门点的实测参数，模子匡算成果总结在表2中。由成果可知，颠末模子计较获得的晋升泵和鼓风性能耗数值（147000 MJ/411429 MJ）与实测数值（142560 MJ/379209 MJ）相差不年夜，但经由过程污泥厌氧消化收受接管的无机物能量（425848 MJ）却远远高在实测数值（107142 MJ），这是由于案例污水厂2010年消化池平均进泥量仅为340 m³/d，仅占设想进泥量的12%，假如依照2010年产气效力计较，当进泥量到达设想值时，甲烷产量与模子计较成果也近乎分歧。可见，本研究建立的模子计较成果是可托的。

图2 污水厂能量衡算模子自变量参数

表2案例污水厂天天能量耗损/收受接管模子核算成果

从终究的能量匡算成果来看，此案例污水厂从残剩污泥收受接管的能量能够供给能耗总量的53.2%，也就是说案例污水厂假如仅仅依靠污水中的无机物经由过程厌氧消化收受接管能量，距“能量均衡”方针尚且有一半的差距。

别的，从所建立的模子来看，污泥厌氧消化收受接管污水中无机物能量的多寡完全取决在进水中的无机物浓度，即进水COD浓度越高，可收受接管的无机物能量潜力便越年夜。继而我们操纵所建立模子针对分歧的进水COD浓度进行了能量核算，成果如图3所示。在我国污水处置厂平均进水COD浓度程度（283 mg/L），经由过程污泥厌氧消化能量收受接管只能实现约42%的能量均衡率；而当进水COD浓度增至600 mg/L时（欧洲平均程度），则收受接管的能量能够抵偿总能耗的68.9%。

图3 污水厂能量衡算模子自变量参数

总之，我国污水处置厂因为进水无机物浓度较低，残剩污泥厌氧消化收受接管无机物能量难以实现污水厂的“能量均衡”，更别提支持“碳中和”的实现。同时，需要强调的是，残剩污泥中储藏的“家底”经由过程厌氧消化来抵偿一半的运转能量耗损是完全可行的。别的，按照我们比来的研究成果，厌氧消化其实不是收受接管污泥中无机能量的最好手段，污水处置厂该当斟酌跳过厌氧消化单位，间接将污泥干化落后行燃烧发电，可进一步提高无机能量的收受接管效力。

污水厂光伏发电潜能

光伏发电可收受接管的能量几多首要取决在可用在安装光伏板的面积巨细。对污水处置厂来讲，各个处置单位的顶部都可用在光伏板的安装，且面积较为可不雅。为领会我国污水处置厂设想规范下可用的光伏板安装面积，我们总结了处置范围分歧的污水处置厂部门单位修建物的面积，如表3所示。可知，我国污水处置厂处置单元万吨污水对应的首要修建物的平面面积在1147~1576 ㎡之间，平均值为1402㎡。因为范围效应的具有，这一数值是跟着处置水量的增年夜而削减的。

表3国内部门污水厂首要修建物占地面积

依照E20-327型光伏板机能、案例污水厂地点地的光照前提，单块光伏板天天发生的能量约为1.09 kWh（单板占地面积为4.65 ㎡）。假如在案例污水厂首要修建物平面（表4）上安装E20-327型光伏板，可计较得其可收受接管的太阳能总量为82725 MJ/d，仅仅能知足案例污水厂运转能耗的10.4%，即经由过程光伏发电可获得的能量显得有些“眇乎小哉”！

表4国内部门污水厂首要修建物占地面积

污水源热泵能量收受接管潜力

在我们之前发布的文章中，已屡次分享论述了污水中具有的却一向以来被轻忽的能量，即热能。我们的匡算阐发也已明白，污水中的热能储量远高在污水中的化学能（无机物能量），现实可收受接管热能为化学能的9倍之多。为更直不雅的表现污水中热能收受接管的庞大潜力，我们在此也基在案例污水厂对可收受接管的热能进行了计较。

北京地域污水厂二级出水在6~9月份的平均水温为23.4~26.5 ℃，比同期间平均气温低4~5 ℃；二级出水水温在供暖季（11月~次年3月）平均在12.9~20.7 ℃，比气温高10~20 ℃。这一前提均能知足《水源热泵机组》（GB/T 19409—2003）要求。经由过程计较可知（表5），水源热泵系统每操纵1万吨二级出水的制冷量和制热量别离为1.68×105 MJ和2.74 MJ，斟酌水源热泵机组本身能耗（经由过程COP界说得出），则二级出水在夏日和冬季净产能当量别离为14148 kWh/万m³和23213 kWh/万m³。由此可知，污水中的热能是污水厂最年夜的能量“家底”。据此匡算，案例污水厂天天仅操纵8万吨二级出水（即13.3%的出水量）作为污水源热泵的冷、热源，便可知足污水厂运转能耗的51%（制冷）和83.6%（制热）。加上上述说起的污泥厌氧消化和太阳能收受接管，案例污水厂已可实现“能量均衡”。

表5水源热泵每万吨水发生确当量电能

需要申明的是，污水源热泵所发生的冷、热源一般均为间接操纵，并不是是像甲烷一样用在发电。所以，上述测算中所发生的能量中绝年夜部门仍是要靠输出厂外供其他贸易或平易近用用户利用，以“碳买卖”体例折算能量与碳排放的均衡。

结语

我们经由过程斟酌残剩污泥能量收受接管、光伏发电和水源热泵能量收受接管，别离核算出各自能量收受接管体例对运转能耗的进献率。成果注解，污水源热泵仅需利用较小的水量（<15%）即可以发生出最少一半以上的运转能耗，完全能够填补残剩污泥转化能源不足构成的能源赤字。相形之下，光伏发电可取得的能量则显得有些“眇乎小哉”。由此可知，污水热能才是污水处置厂实现“碳中和”的实力担任。总之，我国市政污水处置厂一般可经由过程残剩污泥转化能源和污水源热泵体例便完全能够知足“碳中和”运转的方针，该研究结论可为我国市政污水厂想着低碳运转标的目的成长奠基理论根本。

该研究相干功效颁发在《Water Research》，原文参考:

Xiaodi Hao, Ranbin Liu, Xin Huang. Evaluation of the potential foroperating carbon neutral WWTPs in China. Water Research, 2015, 87, 424-431, https://doi.org/10.1016/j.watres.2015.05.050.

Xiaodi Hao, Ji Li, Mark C.M. van Loosdrecht, Han Jiang, Ranbin Liu, Energy recovery from wastewater: Heat over organics. Water Research, 2019, 74-77, https://doi.org/10.1016/j.watres.2019.05.106.

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