污水处理实现“碳中和”技术路径在哪里？
The following article is from 水业碳中和资讯 Author 郝晓地、刘然彬等
北建大中-荷中心（负责人：郝晓地教授）：关注水生态环境，分享水业碳中和知识与技术进展。
自我国提出2060年全社会争取实现“碳中和”目标后，各行各业对“碳中和”的讨论持续高涨、热度不减。对如何实现行业“碳中和”也打上了大大的问号。对于污水处理厂来说，尽管国外已经存在完全实现“能量平衡”或“碳中和”运行的污水处理厂实际案例，但国内依然存在对污水处理厂能否实现“碳中和”的担忧和质疑。污水处理厂实现碳中和的路径究竟在哪里？
来源：水业碳中和资讯
作者：郝晓地、刘然彬等
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自我国提出2060年全社会争取实现“碳中和”目标后，各行各业对“碳中和”的讨论持续高涨、热度不减。一方面，这无疑推动了“碳中和”概念和知识的推广宣传，大大推动了“碳中和”构建的第一阶段目标进程——明晰什么是“碳中和”，即“知其然”！另一方面，随着对“碳中和”概念的不断理解和清晰，对如何实现行业“碳中和”也打上了大大的问号。对于污水处理厂来说，尽管国外已经存在完全实现“能量平衡”或“碳中和”运行的污水处理厂实际案例，但国内依然存在对污水处理厂能否实现“碳中和”的担忧和质疑。从技术角度讲，通过能量回收直接反哺或间接补偿污水厂的碳排量是实现“碳中和”的主要方式，而这些担忧和质疑大多聚焦于“污水处理厂真的有那么多可回收能量去实现‘碳中和’吗？”
正所谓“知其然更应知其所以然”，只有厘清了污水处理厂可用的“家底”（能量）才能更有信心地朝着“碳中和”方向努力。实际上，“中-荷中心”团队负责人郝晓地教授早在2010年就已经对污水处理厂可用的“家底”和能否支撑“碳中和”的实现进行了较为详细的前瞻性探究，当下对污水处理厂仍然具有非常大的指导意义。因此，本文基于团队2015年的一项工作，同大家分享并厘清国内污水处理厂实现“碳中和”的可用能量来源以及相应的技术思路。
提到污水中的能量，人们往往首先想到的即是污水中的有机物（COD），而回收这部分能量最简单的方式就是对污泥实施厌氧消化，产生甲烷后用于热电联产，以此减少污水厂对外部能源的需求，继而间接降低CO2的排放量。理论上讲，生活污水中所含的有机物能量可达污水处理消耗能量的9~10倍，这一振奋人心的“家底”能否助力污水厂实现“碳中和”呢？除此之外，污水处理厂生物处理池及初沉池、二沉池等单元具有庞大的表面面积，这似乎为太阳能光伏发电创造了必要的场地条件。如果光伏组件能被巧妙地布置在这些处理单元上，不仅可以向楼宇屋面一样实现太阳能发电，而且还能在冬季时利用光伏板来覆盖这些处理单元，实现对生物处理的保温作用和臭气收集。那“太阳能”会成为污水厂实现“碳中和”的实力担当么？另外，市政污水本身具有流量稳定、水量充足、带有余温等特点。如果向污水处理厂引入水源热泵技术进行热能的提取回收，潜力会有多大呢？带着这些思考和疑问，我们选取了北京某污水处理厂为例，对其厂内这三种“家底”（图1）的可用潜力进行了匡算分析。
图1 污水处理厂三种能量回收路径
表1 污水厂能量衡算模型自变量参数
| 项目 | 自变量 | 项目 | 自变量 |
| 进水 | 水量 | 出水 | 水量 |
| SCOD | SCOD | ||
| 凯氏氮 | 凯氏氮 | ||
| 硝态氮 | 硝态氮 | ||
初沉 污泥 | 泥量 | 二沉 污泥 | 泥量 |
| SCOD | SCOD |
模型构建完毕后，我们对案例水厂实际运行的能量状况进行了评价分析。图2是案例污水厂的工艺流程和部分点的实测参数，模型匡算结果总结于表2中。由结果可知，经过模型计算得到的提升泵和鼓风机能耗数值（147000 MJ/411429 MJ）与实测数值（142560 MJ/379209 MJ）相差不大，但通过污泥厌氧消化回收的有机物能量（425848 MJ）却远远高于实测数值（107142 MJ），这是因为案例污水厂2010年消化池平均进泥量仅为340 m³/d，仅占设计进泥量的12%，如果按照2010年产气效率计算，当进泥量达到设计值时，甲烷产量与模型计算结果也近乎一致。可见，本研究构建的模型计算结果是可信的。
图2 污水厂能量衡算模型自变量参数
表2 案例污水厂每天能量消耗/回收模型核算结果
| 项目 | 理论能耗/MJ | 实际能耗/MJ | 碳排放/kg | 实测能耗/MJ |
| 提升泵 | 82320 | 147000 | 22108 | 142560 |
| 鼓风机 | 53485 | 411429 | 61878 | 379209 |
| 消化加热 | 192780 | 240975 | 29567 | / |
| 消化回收能量 | -886426 | -425484 | -56626 | -107142 |
| 衡算 | -557840 | 373919 | 56928 | / |
| 平衡率 | 270% | 53.2% | 50% | / |
从最终的能量匡算结果来看，此案例污水厂从剩余污泥回收的能量可以提供能耗总量的53.2%，也就是说案例污水厂如果仅仅依赖污水中的有机物通过厌氧消化回收能量，距“能量平衡”目标尚且有一半的差距。
图3 污水厂能量衡算模型自变量参数
总之，我国污水处理厂由于进水有机物浓度较低，剩余污泥厌氧消化回收有机物能量难以实现污水厂的“能量平衡”，更别提支撑“碳中和”的实现。同时，需要强调的是，剩余污泥中蕴藏的“家底”通过厌氧消化来补偿一半的运行能量消耗是完全可行的。另外，根据我们最近的研究结果，厌氧消化并不是回收污泥中有机能量的最佳手段，污水处理厂应当考虑跳过厌氧消化单元，直接将污泥干化后进行焚烧发电，可进一步提高有机能量的回收效率。
光伏发电可回收的能量多少主要取决于可用于安装光伏板的面积大小。对于污水处理厂来说，各个处理单元的顶部均可用于光伏板的安装，且面积较为可观。为了解我国污水处理厂设计规范下可用的光伏板安装面积，我们总结了处理规模不同的污水处理厂部分单元构筑物的面积，如表3所示。可知，我国污水处理厂处理单位万吨污水对应的主要构筑物的平面面积在1147~1576 ㎡之间，平均值为1402 ㎡。由于规模效应的存在，这一数值是随着处理水量的增大而减少的。
表3 国内部分污水厂主要构筑物占地面积
| 项目所在地 | 设计水量m³/d | 总面积㎡ | 单位水量面积㎡ |
| 上海 | 10 | 13936 | 1393.6 |
| 西安 | 20 | 31528 | 1576.4 |
| 长春 | 39 | 59016 | 1513.2 |
| 重庆 | 60 | 82725 | 1378.8 |
| 上海 | 200 | 229486 | 1147.4 |
按照E20-327型光伏板性能、案例污水厂所在地的光照条件，单块光伏板每天产生的能量约为1.09 kWh（单板占地面积为4.65 ㎡）。如果在案例污水厂主要构筑物平面（表4）上安装E20-327型光伏板，可计算得其可回收的太阳能总量为82725 MJ/d，仅仅能满足案例污水厂运行能耗的10.4%，即通过光伏发电可获取的能量显得有些“微不足道”！
表4 国内部分污水厂主要构筑物占地面积
| 构筑物 | 尺寸 | 数量 |
| 初沉池 | 直径=55 m | 8 |
| 生物池 | 285×9 m | 16 |
| 二沉池 | 直径=55 m | 16 |
表5 水源热泵每万吨水产生的当量电能
| 项目 | 制冷 | 制热 |
| COP值 | 4.16 | 4.24 |
| 制冷/热量(×104 MJ) | 1.68 | 2.74 |
| 电能当量(kWh) | 18625 | 30377 |
| 机组能耗(kWh) | 4477 | 7164 |
| 净产电能能量(kWh) | 14148 | 23213 |
该研究相关成果发表在《Water Research》，原文参考: Xiaodi Hao, Ranbin Liu, Xin Huang. Evaluation of the potential for operating 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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编辑 | 汪茵、刘彤
统筹 | 李晓佳