污水处理实现“碳中和”技术路径在哪里？

时间：2021-06-29 09:14

来源：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？

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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

进水有机物能量回收潜力

为匡算进水中有机物浓度与通过厌氧消化可回收的有机物能量，我们以物料平衡为基础，将水质与能量指标进行耦合，构建了能量平衡模型和分析函数，以评价污水处理厂能量消耗与回收之间的平衡情况。模型的输入变量如表1所示，包括进出水水量/水质和污泥量/有机质含量共计12个参数。能量相关的过程单元则包括了提升水泵、曝气系统和厌氧消化池加热系统导致的能量消耗，以及污泥厌氧消化/热电联产产生的能量补偿。

表1 污水厂能量衡算模型自变量参数

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。