自我國提出2060年全社會爭取實現(xiàn)“碳中和”目標(biāo)后，各行各業(yè)對“碳中和”的討論持續(xù)高漲、熱度不減。對如何實現(xiàn)行業(yè)“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(jīng)存在完全實現(xiàn)“能量平衡”或“碳中和”運(yùn)行的污水處理廠實際案例，但國內(nèi)依然存在對污水處理廠能否實現(xiàn)“碳中和”的擔(dān)憂和質(zhì)疑。污水處理廠實現(xiàn)碳中和的路徑究竟在哪里？

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博匯特潘建通：污水處理廠如何實現(xiàn)碳中和？

自我國提出2060年全社會爭取實現(xiàn)“碳中和”目標(biāo)后，各行各業(yè)對“碳中和”的討論持續(xù)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(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“碳中和”概念的不斷理解和清晰，對如何實現(xiàn)行業(yè)“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(jīng)存在完全實現(xiàn)“能量平衡”或“碳中和”運(yùn)行的污水處理廠實際案例，但國內(nèi)依然存在對污水處理廠能否實現(xiàn)“碳中和”的擔(dān)憂和質(zhì)疑。從技術(shù)角度講，通過能量回收直接反哺或間接補(bǔ)償污水廠的碳排量是實現(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。實際上，“中-荷中心”團(tuán)隊負(fù)責(zé)人郝曉地教授早在2010年就已經(jīng)對污水處理廠可用的“家底”和能否支撐“碳中和”的實現(xiàn)進(jìn)行了較為詳細(xì)的前瞻性探究，當(dāng)下對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2015年的一項工作，同大家分享并厘清國內(nèi)污水處理廠實現(xiàn)“碳中和”的可用能量來源以及相應(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單的方式就是對污泥實施厭氧消化，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，這似乎為太陽能光伏發(fā)電創(chuàng)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(xiàn)太陽能發(fā)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(xiàn)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(xiàn)“碳中和”的實力擔(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(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(jìn)出水水量/水質(zhì)和污泥量/有機(jī)質(zhì)含量共計12個參數(shù)。能量相關(guān)的過程單元則包括了提升水泵、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，我們對案例水廠實際運(yùn)行的能量狀況進(jìn)行了評價分析。圖2是案例污水廠的工藝流程和部分點(diǎn)的實測參數(shù)，模型匡算結(jié)果總結(jié)于表2中。由結(jié)果可知，經(jīng)過模型計算得到的提升泵和鼓風(fēng)機(jī)能耗數(shù)值（147000 MJ/411429 MJ）與實測數(shù)值（142560 MJ/379209 MJ）相差不大，但通過污泥厭氧消化回收的有機(jī)物能量（425848 MJ）卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于實測數(shù)值（107142 MJ），這是因為案例污水廠2010年消化池平均進(jìn)泥量僅為340 m3/d，僅占設(shè)計進(jìn)泥量的12%，如果按照2010年產(chǎn)氣效率計算，當(dāng)進(jìn)泥量達(dá)到設(shè)計值時，甲烷產(chǎn)量與模型計算結(jié)果也近乎一致?？梢?，本研究構(gòu)建的模型計算結(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