自我國提出2060年全社會（huì）爭取實現“碳中和”目標後，各（gè）行（háng）各業對“碳中和”的討論持續高漲、熱度不減。一方麵，這無疑推動了“碳中（zhōng）和”概念和知（zhī）識的推（tuī）廣宣傳，大大推動了（le）“碳中和”構建的*階（jiē）段目標進程——明晰什麽是“碳中和”，即“知其然（rán）”！另一方麵，隨著對“碳中和（hé）”概念的不斷理解和清晰，對如何實（shí）現（xiàn）行業“碳中和”也打上了大大的問號。對於汙水（shuǐ）處理廠來說，盡管國外已經存在完全實現“能量平衡（héng）”或“碳中和”運行的汙水處理廠實際案例，但國（guó）內依然存在對汙水處理廠（chǎng）能否實現“碳中和”的擔憂和質疑。從技術角度講，通過（guò）能（néng）量回收直接反哺或間接補償汙水廠（chǎng）的碳（tàn）排量（liàng）是實現“碳中和”的主要方式，而（ér）這些擔憂和質疑大多聚焦於“汙水處理廠真的有那麽多可回收能量去實（shí）現‘碳中和（hé）’嗎？”

       正所謂（wèi）“知其然（rán）更（gèng）應（yīng）知其所以然”，隻有厘清了汙水處（chù）理廠可用的“家底”（能量）才（cái）能更有信心地（dì）朝（cháo）著（zhe）“碳中（zhōng）和”方向努力。實際上，“中-荷中心”團隊負責人（rén）郝曉地教（jiāo）授早在2010年就（jiù）已經對汙水處理廠可用的“家底”和能否支撐“碳中和”的實現（xiàn）進行了（le）較為詳細的前（qián）瞻性探（tàn）究，當下（xià）對汙水處理廠仍然（rán）具有非常大的指導意（yì）義。因此，本文基於團隊2015年的一項工作，同大家分享（xiǎng）並厘（lí）清國內（nèi）汙水處理廠實現“碳中和”的可用能量來源以及相應（yīng）的技術思路。

       提到汙水中的能（néng）量，人們往往*先想到的（de）即是（shì）汙水中的有機物（COD），而回收這（zhè）部分（fèn）能量*簡（jiǎn）單的方式就是對汙泥實施厭（yàn）氧消（xiāo）化，產生甲烷後用於熱電聯產，以此減少汙水廠對外部能源的需求，繼而間接（jiē）降低CO2的排放（fàng）量。理論上講，生活汙水中所含的有（yǒu）機物能量可達汙水（shuǐ）處理消耗能量（liàng）的9~10倍，這一振奮（fèn）人心的“家底”能否助力汙（wū）水廠實現“碳中和”呢？除此之外，汙水處理廠生物處理池及初沉池、二沉（chén）池等單元具有龐大的表麵麵（miàn）積，這似（sì）乎為太陽能光伏發電創造了必要的場地條（tiáo）件。如果光伏組件能（néng）被（bèi）巧妙地布置在這些（xiē）處理單元上，不僅可以向樓宇屋麵一（yī）樣實現太陽能發電，而且還能在冬季時利用光（guāng）伏板來覆蓋這些處理單元，實（shí）現對生物處理的保溫作（zuò）用和臭氣收集。那“太陽能”會成為汙水廠實現（xiàn）“碳中和”的（de）實力擔當（dāng）麽？另外，市政汙（wū）水（shuǐ）本身具有流（liú）量穩定、水量充足（zú）、帶有餘溫等特點。如果向汙水處理廠（chǎng）引入水源熱泵技（jì）術進行熱能的提取回收，潛（qián）力會（huì）有多大呢？帶著這些思考和疑問，我（wǒ）們選取（qǔ）了北京某汙水處理廠為例，對（duì）其廠內這三（sān）種“家底”（圖1）的可用潛力進行了匡算分析。


       1. 進水有機物能量回收潛力

       為匡算進水（shuǐ）中有機物濃度（dù）與通過厭氧消化可回收的（de）有機物能量，我們以物料平（píng）衡為（wéi）基礎，將水質與能量指標進行耦合，構建了能量平衡模型（xíng）和分析函（hán）數，以評價汙水處理廠能量消耗與回收之間的平衡情況。模型的輸（shū）入變量如表1所示，包括進出水水量/水質和汙泥量/有機質含量（liàng）共計12個參數。能量相關的過程單元則包括了提升水泵（bèng）、曝氣係統和厭氧消化（huà）池加（jiā）熱係統導致（zhì）的能量消耗，以及汙泥厭氧消化/熱電聯（lián）產產生的能（néng）量補償（cháng）。


       模型構建完畢後，我們（men）對案例（lì）水廠實際運（yùn）行的能量（liàng）狀況進行了（le）評價分析。圖2是案例汙水廠的工藝流程和部（bù）分點的實測參數，模型匡算結果（guǒ）總結於表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（chà）不大，但通過汙泥厭（yàn）氧消化回（huí）收的有機物（wù）能量（425848 MJ）卻遠遠高於實測數值（107142 MJ），這是（shì）因為案例汙水廠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（dào）設計值時，甲烷產量（liàng）與模型計算結果也近乎一致。可見，本研究構建的模（mó）型計算結果是可信的。


       從*終的能量匡算結果來看，此案例汙水廠從剩餘汙泥回收的能量可以提供能耗總（zǒng）量的53.2%，也就是說案例汙水廠如果僅僅依賴汙水中的有機物（wù）通過厭氧（yǎng）消化（huà）回收能（néng）量，距（jù）“能量平衡（héng）”目標尚且有（yǒu）一半的差距。

       另外，從所構建的模型來看，汙泥厭氧消化回收（shōu）汙水中有機物能量的多寡完全（quán）取決於進水中的有機物濃度，即進水COD濃度越高，可回收的有機物（wù）能量（liàng）潛力便越大。繼而我們利用所構（gòu）建（jiàn）模型針對不同的進水（shuǐ）COD濃度進行了能量核算（suàn），結果如圖3所示。在我國汙（wū）水處理廠平均進（jìn）水COD濃度水平（283 mg/L），通過（guò）汙泥厭氧（yǎng）消（xiāo）化能量回收隻能實現約42%的能量平衡率；而當（dāng）進水COD濃度增（zēng）至600 mg/L時（歐洲（zhōu）平均水平），則回收的能量可以補償總能耗的68.9%。


       總之，我國汙水處理廠由於進水（shuǐ）有機（jī）物濃度較低，剩（shèng）餘汙泥厭氧消化回收有機（jī）物能量難以實現汙水廠的“能量平衡”，更別提支撐“碳中和”的實現。同時，需要強調的是，剩（shèng）餘汙泥中（zhōng）蘊藏的“家底”通過厭氧消化來補償一半的運行能量消耗是完全可行的。另外，根據我（wǒ）們*近的研究結果，厭氧消化並不是回收（shōu）汙（wū）泥中有機（jī）能（néng）量（liàng）的*佳手段，汙水處（chù）理廠應當考慮跳（tiào）過厭氧消化單元，直接將汙泥幹化後進（jìn）行焚燒發電，可進一步提高有機能（néng）量的回收效率。

       2. 汙水廠光伏發電潛能

       光（guāng）伏發電可回收的能量多少主要取決於（yú）可（kě）用於安裝光伏板的（de）麵積大小。對（duì）於汙水處理廠來說，各個處理單元的（de）頂部均可（kě）用於光伏板的安裝，且麵積較（jiào）為可觀。為了解我國汙水處理廠設計規範下可（kě）用的光伏板安裝麵積，我們總（zǒng）結了處理規模不同的汙（wū）水處理廠部分單元構築物的麵積，如表3所示。可知，我國汙水（shuǐ）處理廠處理單位萬噸汙（wū）水對應的主要構築物的平麵麵積在1147~1576 m2之間，平均值為1402 m2。由於規模效應的存（cún）在，這一數值是隨著處理水量的增大而減少的。


       按照E20-327型光伏板性能、案（àn）例汙水廠所在地的光照條件（jiàn），單（dān）塊光伏板每天產生（shēng）的能（néng）量約為1.09 kWh（單板占地麵積為4.65 m2）。如果在案例汙水（shuǐ）廠主要構築物平麵（表4）上安裝E20-327型光伏板，可計算得其可回收的（de）太陽能總量（liàng）為82725 MJ/d，僅僅能滿（mǎn）足案（àn）例汙水廠（chǎng）運行能耗的10.4%，即通過光伏發電可獲取的能量顯得有些“微不足道”！


       3. 汙水源熱泵能量回收潛力

       在我們之前發（fā）布的文章中（zhōng），已多次分享（xiǎng）闡述了汙水（shuǐ）中存（cún）在的卻一（yī）直以來被忽視的（de）能量，即熱能。我（wǒ）們的匡算分析也已明確（què），汙（wū）水中的熱能儲（chǔ）量遠高於汙水中的化學能（有機物能（néng）量），實際可回收熱能為化學能的9倍之多。為更直觀的體（tǐ）現汙（wū）水中熱能回收（shōu）的巨（jù）大潛力，我們在此（cǐ）也基於（yú）案例汙水廠（chǎng）對可回收的熱能進行了計算。

       北（běi）京（jīng）地區汙水廠二級出水在6~9月份的平均（jun1）水溫為23.4~26.5 ℃，比同（tóng）時期平均氣溫低4~5 ℃；二（èr）級出水水溫在供暖季（11月~次年3月）平均（jun1）在12.9~20.7 ℃，比氣溫高10~20 ℃。這一條件均能滿足《水源熱泵（bèng）機組》（GB/T 19409—2003）要求（qiú）。

       通過計算可（kě）知（表5），水（shuǐ）源（yuán）熱泵係統每利用1萬（wàn）噸二級出水的製冷量（liàng）和製熱量分別為1.68×105 MJ和（hé）2.74 MJ，考慮（lǜ）水源熱泵機組自（zì）身能耗（通過COP定義得（dé）出），則二級出水（shuǐ）在夏季和冬季淨產能當量分別為14148 kWh/萬m3和（hé）23213 kWh/萬m3。由此可知，汙水中的（de）熱能是汙水廠*大的能量“家底”。據此（cǐ）匡算，案例汙水廠每天僅利用8萬噸二級出水（即13.3%的出水（shuǐ）量）作為汙水源熱泵的冷、熱源，就可滿足汙水廠運行能耗（hào）的（de）51%（製冷）和83.6%（製熱）。加上上述提及的汙泥厭氧消化和太（tài）陽能回（huí）收，案例汙水廠已可實現“能量平衡”。


       需要說明的是，汙（wū）水（shuǐ）源熱泵所產生的冷（lěng）、熱（rè）源一般均為直接利用，並非是像甲烷一樣用於發電。所以，上（shàng）述測算中（zhōng）所產生的能量中絕大（dà）部分還是（shì）要靠輸出廠外供其（qí）他商業或民用用戶使用，以“碳交易”方式折算（suàn）能量（liàng）與碳排放的平衡。

       結（jié）語

       我們通過考慮剩餘汙泥能量回收、光（guāng）伏發電和水源熱泵能量回收，分別核算出各自能量回（huí）收方式對運行能耗的貢獻率。結果表明（míng），汙水源熱泵僅需使用較小的水量（<15%）便可以產生出至（zhì）少一半以上的運行能耗，完（wán）全可以彌補（bǔ）剩餘（yú）汙泥轉化能源不足形成的能源赤字。相（xiàng）形之下，光伏（fú）發電（diàn）可獲得的能量則顯得有（yǒu）些“微（wēi）不（bú）足道”。由此可知，汙水熱能才是汙水處理廠實現“碳中和”的實力擔當。總之，我國市政汙水處理廠一般可通過（guò）剩（shèng）餘汙泥轉化（huà）能源和汙水源熱泵方式便完全可以（yǐ）滿足“碳中和”運行的目標，該研究結論可為我國市政汙水廠想（xiǎng）著低碳運行方向（xiàng）發展奠定理論基礎（chǔ）。