德国碳中和：Steinhof污水处理厂实践
编者按：德国早在20世纪末便开始关注污水处理厂碳中和与能量中和问题。位于德国布伦瑞克市（Braunschweig）运行半个多世纪的老厂Steinhof（斯泰因霍夫）自1954年投入运行以来，注重耗能与产能的平衡，其在能量回收、碳减排方面颇具成效，是能量与资源回收的成功典范。该案例早在2014年便在《中国给水排水》予以介绍，现再次回溯，以期为国内污水处理碳中和提供参考。
德国Steinhof污水处理厂已实现碳中和率达114%。该厂实现碳中和目标的主要原因在于进水中COD浓度较高（约966 mg/L），远超污水脱氮除磷基本需要，进而导致其厌氧消化能源转化份额较高，其剩余污泥厌氧消化产甲烷（CH₄）热电联产实现碳减排79%。进一步依靠出水及污泥输送至农田灌溉施肥等方面共同碳减排35%，最终实现碳中和目标。
01
工艺流程与效果
Steinhof污水处理厂主流工艺为A2/O，平均处理水量为60 650 m3/d。工艺流程见下图。
Steinhof污水处理厂工艺流程（来自原文）
该厂主要进水指标示于表1，一级处理与生物处理前、后水质指标变化见表2、表3。
表1 部分进水水质指标（mg/L）
表2 一级处理水质指标变化
表3 生物处理水质指标变化及去除率
02
碳中和措施
污泥厌氧消化产CH₄热电联产
Steinhof污水处理厂充分利用剩余污泥蕴含的能源，大大减少对外部能源的消耗，从而减少间接碳排放量。该厂采用剩余污泥厌氧消化产生甲烷（CH₄）+热电联产（CHP）方式回收电能和热能。
初沉污泥和经浓缩的剩余污泥(510 m3/d) 被混合后送入到消化池中。在38℃中温条件下，污泥经厌氧消化产生生物气体。消化池平均生物气产量为4.47 × 10⁶ m3 /a，其中，甲烷含量为63%。
厌氧消化产生的生物气经活性炭净化后输送至CHP单元，生物气在此处被转化成电能和热能，产能效率分别为36.7%和40%。CHP 每年产电量为10 300 000 kW·h/a，产热量为11 200 000 kW·h /a。若在不考虑出水土壤下渗处理和农业灌溉输送耗能的情况下，则其产生电能完全可以满足全厂用电量（10 008 432 kW·h/a），并有3%的富余电量。CHP产热不仅能够全部满足中温厌氧消化加热所需的热能，还有一半多的余热剩余(5 857 495 kW·h /a) 。
此外，为了提高CH₄的产量，该厂还对污泥进行热解预处理，并引入厂外有机质来强化厌氧消化CH₄生成。通过对污泥、青草热水解采用中试规模实验，可以发现甲烷产率明显提高。表4为中试规模实验结果。此外通过引入牧草、洋姜叶等共基质，也可部分提高消化后生物气中的CH₄含量。表5为引入共基质后厌氧消化实验结果。
表4 污泥热解试验结果
表5 共基质消化试验结果
出水和污泥送至农田中灌溉及施肥
在春、夏季时，Steinhof污水处理厂将45%的出水通过专用场地土壤下渗，在土壤天然化学（过滤、吸附）作用和生物（硝化、反硝化）作用下进一步净化。出水经土壤深度处理后水量及水质指标的变化情况见表6。剩余55%的出水（12 175 488m3/a）和处理稳定后污泥在厂内混合后输送至农业灌溉区，用作灌溉水及肥料。
表6 出水土壤渗滤前后水质指标变化
冬季时，所有出水均通过土壤渗透之后排入地表。而消化污泥由于农闲，不再用作农业施肥，而是单独进行磷回收处理。在消化污泥脱水之前，首先添加MgCl₂，并采用吹脱方法（吹脱CO₂以提高pH 值）生产鸟粪石/磷酸盐化合物。回收时，磷酸盐化合物不需再从污泥中分离，而是直接将含有鸟粪石/磷酸盐化合物的污泥将直接脱水后在厂区储存，待夏季农业生产期再运送至其他土地（非出水灌溉区） 用作农用肥料。试验结果表明，污泥消化液中70% 的溶解性磷酸盐均可在pH=7.8（无需投加化学药剂） 的条件下形成沉淀。
03
碳中和率计算
Steinhof污水处理厂碳排放量及碳减排量如下图所示。该厂因能耗所致碳排量总计为37.5 kg CO₂当量/(人口当量COD·a)。碳减排量分别由以下三部分构成：
（1）利用厌氧消化产生的CH₄发电、产热折算的碳减排量（79%）；
（2）出水/污泥中营养物质（N、P）回用农业生产导致的碳减排量（28%）；
（3）出水农业灌溉导致的减少地下/地表水抽取能耗折算碳减排量（7%）。
Steinhof污水处理厂碳排放量（来自原文）
由图可知，Steinhof污水处理厂净碳排量为-5.25 kg CO₂当量/(人口当量COD·a) ，导致碳中和率高达114%，这就是说，斯泰因霍夫污水处理厂不仅能够完全实现碳中和运行目标，而且每年还可额外减少14%的碳排放量。
04
结果与启示
Steinhof污水处理厂最终实现了自身114%的碳减排率，不仅能够完全实现碳中和运行目标，而且每年还可额外减少14%的碳排放量。此外，如果去掉出水土壤渗透和农业利用这两项电耗，则从生物气中自产电能完全可以满足全厂用电量，并有3%的富余电量。
该厂能源消耗基本上可以接近碳中和运行目标的原因是进水中COD 浓度过高（966 mg/L）而导致的剩余污泥量较多。但即便如此其剩余污泥厌氧消化碳中和率也仅79%，还有一定缺口。针对我国低碳源进水的现实，考虑污泥厌氧消化的同时势必需要寻求真正的碳中和“杀手锏”措施，如回收污水余温热能，方能实现碳中和目标。
