污水处理碳中和：美国Sheboygan厂
在前几期碳中和案例回溯专栏，剖析了芬兰污水处理厂华丽转变“能源工厂”之成功经验，总结了荷兰前瞻性的NEWs概念与措施，分析了德国污水处理厂能源中和与碳中和成功经验，概述了奥地利污水处理厂能源中和之策略，这些案例水厂碳中和举措与本团队提出的污水处理碳中和目标实现路径一致。但不可否认的是，这些欧洲水厂进水有机质浓度都远高于国内水平。那么基于国内水厂“巧妇难为无米之炊”的窘状，是否存在相关水厂可以借鉴学习的案例？本期介绍美国Sheboygan污水处理厂，它的进水有机质浓度与国内相当，甚至不足230 mg/L。但通过“开源”与“节流”并举，于2013年实现产电量与耗电量比值达90%~115%、产热量与耗热量比值达85%~90%的佳绩，已逼近能源中和运行目标。本期在介绍该厂工艺流程的基础上，重点剖析该厂在能源开源与节流方面的措施，总结其逼近能源中和运行之成功经验。
01
工艺概况与处理效果
Sheboygan污水处理厂始建于1982年，位于美国威斯康辛州。为响应美国水环境研究基金会（WERF）“至2030年美国所有污水处理厂均要实现碳中和运行”之目标，早在2002年该厂便已加入“威斯康辛聚焦能源(Wisconsin Focus on Energy，FOE)”项目，确立了“能源零消耗”的运行目标和实施计划。
该厂采用传统活性污泥法工艺，2000年前后该厂进行了工艺升级改造，在原有活性污泥法基础上增加了生物营养物去除（BNR）单元，形成了一套以A/O工艺为蓝本并结合初次沉淀、剩余污泥水解－酸化、污泥浓缩于一体的创新工艺，完成了生物脱氮除磷。具体流程见图1。
图1 Sheboygan污水处理厂工艺流程（来自原文）
该厂初始设计流量规模为7×104m3/d，服务人口为86 500人，2012年与2013年平均进、出水水质见表1，平均流量分别为3.7×104和4.0×104m3/d。
表1 2012年与2013 年Sheboygan污水厂平均进、出水水质（来自原文）
02
能源中和措施
Sheboygan污水处理厂能够逼近能源中和运行目标，在于其能量上的“节流”与“开源”措施。
“节流”——设备优化升级
由于污水提升、回流及曝气设备能耗在污水处理总能耗中所占比例最大（68.9%），Sheboygan污水处理厂从2005年开始先后进行了一系列工艺升级改造和运行优化，包括水泵、鼓风机等机械设备的更新、安装气流控制阀、更新消化池加热设备、升级智能控制系统（PLC）、监视控制和数据采集系统（SCADA）等，具体措施与结果见表2。
表2 Sheboygan污水处理厂各项设备改造措施
“开源”——热电联产+厌氧共消化
Sheboygan污水处理厂意识到，通过将剩余污泥与含有高浓度易降解有机物食品废物（HSW）厌氧共消化，可使生物气产量大幅增加，且CH4占比得到相应提高，进而能够提高能源回收效率，使其达到能量“开源”。投加的HSW通常为高BOD、低SS的奶酪垃圾、啤酒厂废液等。
该厂首先根据实际运行需要的生物气体量来确定所需投加的HSW的数量，随后将HSW经泵输送与剩余污泥一同进入一级厌氧消化池。该厂购买并投加的食品制造残留物中TSS 均小于10 000 mg/L，BOD5数值如表3所示。
表3 Sheboygan污水处理厂投加高浓度食品废物（HSW）BOD5数值
截至2012年，该厂因投加HSW而使产气量增加了200%，为后续热电联产（CHP）技术提供了充足的燃料，在产气量高峰时甚至还会出现能量富余。厌氧消化产生的CH4通过热电联产（CHP）技术产电、产热，电能供污水处理运行使用，热能一方面为消化池维持中温（35℃）提供热量，另一方面可用于冬季污水厂内建筑物取暖。
截至2012年，该厂可利用热电联产（CHP）技术产电16 800 kW·h/d、产热16 120 kW·h/d，实现电能自给率90%，热能自给率85%。该污水厂在2006~2011年间的实际产能情况如表4所示。
表4 Sheboygan污水处理厂2006 年—2011 年热电联产实际产能情况
03
总结
Sheboygan污水处理厂进水BOD5与我国水平相当，处于较低进水有机物浓度水平（约为230 mg/L）。该厂经验表明，低进水有机质浓度污水处理厂仅仅依靠污水处理厂自身节能降耗和剩余污泥自身厌氧消化很难达到能源中和，即使是引入其它高浓度有机废物进行共消化才勉强实现能源中和，但距离碳中和目标可能相差甚远。况且这种外源有机物能源不应纳入污水处理厂自身能源回收份额，其能源中和实质上是一种“伪中和”。因此针对这种低进水有机质浓度无污水处理厂实现碳中和目标需“另寻他法”，特别是考虑出水余温热能回收之举措。
