污水处理实现“碳中和”技术路径在哪里？
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。
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
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。
另外，从所构建的模型来看，污泥厌氧消化回收污水中有机物能量的多寡完全取决于进水中的有机物浓度，即进水COD浓度越高，可回收的有机物能量潜力便越大。继而我们利用所构建模型针对不同的进水COD浓度进行了能量核算，结果如图3所示。在我国污水处理厂平均进水COD浓度水平（283 mg/L），通过污泥厌氧消化能量回收只能实现约42%的能量平衡率；而当进水COD浓度增至600 mg/L时（欧洲平均水平），则回收的能量可以补偿总能耗的68.9%。
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。
污水厂光伏发电潜能
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
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
污水源热泵能量回收潜力
在我们之前发布的文章中，已多次分享阐述了污水中存在的却一直以来被忽视的能量，即热能。我们的匡算分析也已明确，污水中的热能储量远高于污水中的化学能（有机物能量），实际可回收热能为化学能的9倍之多。为更直观的体现污水中热能回收的巨大潜力，我们在此也基于案例污水厂对可回收的热能进行了计算。
北京地区污水厂二级出水在6~9月份的平均水温为23.4~26.5 ℃，比同时期平均气温低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 ℃。这一条件均能满足《水源热泵机组》（GB/T 19409—2003）要求。通过计算可知（表5），水源热泵系统每利用1万吨二级出水的制冷量和制热量分别为1.68×105 MJ和2.74 MJ，考虑水源热泵机组自身能耗（通过COP定义得出），则二级出水在夏季和冬季净产能当量分别为14148 kWh/万m³和23213 kWh/万m³。由此可知，污水中的热能是污水厂最大的能量“家底”。据此匡算，案例污水厂每天仅利用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，就可满足污水厂运行能耗的51%（制冷）和83.6%（制热）。加上上述提及的污泥厌氧消化和太阳能回收，案例污水厂已可实现“能量平衡”。
表5.水源热泵每万吨水产生的当量电能
需要说明的是，污水源热泵所产生的冷、热源一般均为直接利用，并非是像甲烷一样用于发电。所以，上述测算中所产生的能量中绝大部分还是要靠输出厂外供其他商业或民用用户使用，以“碳交易”方式折算能量与碳排放的平衡。
结语
我们通过考虑剩余污泥能量回收、光伏发电和水源热泵能量回收，分别核算出各自能量回收方式对运行能耗的贡献率。结果表明，污水源热泵仅需使用较小的水量（<15%）便可以产生出至少一半以上的运行能耗，完全可以弥补剩余污泥转化能源不足形成的能源赤字。相形之下，光伏发电可获得的能量则显得有些“微不足道”。由此可知，污水热能才是污水处理厂实现“碳中和”的实力担当。总之，我国市政污水处理厂一般可通过剩余污泥转化能源和污水源热泵方式便完全可以满足“碳中和”运行的目标，该研究结论可为我国市政污水厂想着低碳运行方向发展奠定理论基础。
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.
