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污水处理实现“碳中和”手艺路径已明晰
泉源：千亿国际环保 宣布时间：2021-05-08
自我国提出2060年全社会争取实现“碳中和”目的后 ，，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”看法和知识的推广宣传 ，，大大推动了“碳中和”构建的*阶段目的历程——明晰什么是“碳中和” ，，即“知其然”！另一方面 ，，随着对“碳中和”看法的一直明确和清晰 ，，对怎样实现行业“碳中和”也打上了大大的问号。。关于污水处理厂来说 ，，只管外洋已经保存完全实现“能量平衡”或“碳中和”运行的污水处理厂现实案例 ，，但海内依然保存对污水处理厂能否实现“碳中和”的担心和质疑。。从手艺角度讲 ，，通过能量接纳直接反哺或间接赔偿污水厂的碳排量是实现“碳中和”的主要方式 ，，而这些担心和质疑大多聚焦于“污水处理厂真的有那么多可接纳能量去实现‘碳中和’吗？？”
正所谓“知其然更应知其以是然” ，，只有厘清了污水处理厂可用的“家底”（能量）才华更有信心地朝着“碳中和”偏向起劲。。现实上 ，，“中-荷中心”团队认真人郝晓地教授早在2010年就已经对污水处理厂可用的“家底”和能否支持“碳中和”的实现举行了较为详细的前瞻性探讨 ，，当下对污水处理厂仍然具有很是大的指导意义。。因此 ，，本文基于团队2015年的一项事情 ，，同各人分享并厘清海内污水处理厂实现“碳中和”的可用能量泉源以及响应的手艺思绪。。
提到污水中的能量 ，，人们往往*先想到的即是污水中的有机物（COD） ，，而接纳这部分能量*简朴的方式就是对污泥实验厌氧消化 ，，爆发甲烷后用于热电联产 ，，以此镌汰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 ，，生涯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、二沉池等单位具有重大的外貌面积 ，，这似乎为太阳能光伏发电创立了须要的园地条件。。若是光伏组件能被巧妙地安排在这些处理单位上 ，，不但可以向楼宇屋面一样实现太阳能发电 ，，并且还能在冬季时使用光伏板来笼罩这些处理单位 ，，实现对生物处理的保温作用和臭气网络。。那“太阳能”会成为污水厂实现“碳中和”的实力继承么？？另外 ，，市政污水自己具有流量稳固、水量富足、带有余温等特点。。若是向污水处理厂引入水源热泵手艺举行热能的提取接纳 ，，潜力会有多大呢？？带着这些思索和疑问 ，，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）的可用潜力举行了匡算剖析。。
1. 进水有机物能量接纳潜力
为匡算进水中有机物浓度与通过厌氧消化可接纳的有机物能量 ，，我们以物料平衡为基础 ，，将水质与能量指标举行耦合 ，，构建了能量平衡模子和剖析函数 ，，以评价污水处理厂能量消耗与接纳之间的平衡情形。。模子的输入变量如表1所示 ，，包括收支水水量/水质和污泥量/有机质含量共计12个参数。。能量相关的历程单位则包括了提升水泵、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/热电联产爆发的能量赔偿。。
模子构建完毕后 ，，我们对案例水厂现实运行的能量状态举行了评价剖析。。图2是案例污水厂的工艺流程和部分点的实测参数 ，，模子匡算效果总结于表2中。。由效果可知 ，，经由模子盘算获得的提升泵和鼓风性能耗数值（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接纳的有机物能量（425848 MJ）却远远高于实测数值（107142 MJ） ，，这是由于案例污水厂2010年消化池平均进泥量仅为340 m3/d ，，仅占设计进泥量的12% ，，若是凭证2010年产气效率盘算 ，，当进泥量抵达设计值时 ，，甲烷产量与模子盘算效果也近乎一致。。�？杉� ，，本研究构建的模子盘算效果是可信的。。
从*终的能量匡算效果来看 ，，此案例污水厂从剩余污泥接纳的能量可以提供能耗总量的53.2% ，，也就是说案例污水厂若是仅仅依赖污水中的有机物通过厌氧消化接纳能量 ，，距“能量平衡”目的尚且有一半的差别。。
另外 ，，从所构建的模子来看 ，，污泥厌氧消化接纳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 ，，可接纳的有机物能量潜力便越大。。继而我们使用所构建模子针对差别的进水COD浓度举行了能量核算 ，，效果如图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接纳只能实现约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） ，，则接纳的能量可以赔偿总能耗的68.9%。。
总之 ，，我国污水处理厂由于进水有机物浓度较低 ，，剩余污泥厌氧消化接纳有机物能量难以实现污水厂的“能量平衡” ，，更别提支持“碳中和”的实现。。同时 ，，需要强调的是 ，，剩余污泥中蕴藏的“家底”通过厌氧消化来赔偿一半的运行能量消耗是完全可行的。。另外 ，，凭证我们*近的研究效果 ，，厌氧消化并不是接纳污泥中有性能量的*佳手段 ，，污水处理厂应当思量跳过厌氧消化单位 ，，直接将污泥干化后举行焚烧发电 ，，可进一步提高有性能量的接纳效率。。
2. 污水厂光伏发电潜能
光伏发电可接纳的能量几多主要取决于可用于装置光伏板的面积巨细。。关于污水处理厂来说 ，，各个处理单位的顶部均可用于光伏板的装置 ，，且面积较为可观。。为相识我国污水处理厂设计规范下可用的光伏板装置面积 ，，我们总结了处理规模差别的污水处理厂部分单位修建物的面积 ，，如表3所示。。�？芍� ，，我国污水处理厂处理单位万吨污水对应的主要修建物的平面面积在1147~1576 m2之间 ，，平均值为1402 m2。。由于规模效应的保存 ，，这一数值是随着处理水量的增大而镌汰的。。
凭证E20-327型光伏板性能、案例污水厂所在地的光照条件 ，，单块光伏板天天爆发的能量约为1.09 kWh（单板占地面积为4.65 m2）。。若是在案例污水厂主要修建物平面（表4）上装置E20-327型光伏板 ，，可盘算得其可接纳的太阳能总量为82725 MJ/d ，，仅仅能知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“微缺乏道”！
3. 污水源热泵能量接纳潜力
在我们之前宣布的文章中 ，，已多次分享叙述了污水中保存的却一直以来被忽视的能量 ，，即热能。。千亿国际匡算剖析也已明确 ，，污水中的热能储量远高于污水中的化学能（有机物能量） ，，现实可接纳热能为化学能的9倍之多。。为更直观的体现污水中热能接纳的重大潜力 ，，我们在此也基于案例污水厂对可接纳的热能举行了盘算。。
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 ℃。。这一条件均能知足《水源热泵机组》（GB/T 19409—2003）要求。。
通过盘算可知（表5） ，，水源热泵系统每使用1万吨二级出水的制冷量和制热量划分为1.68×105 MJ和2.74 MJ ，，思量水源热泵机组自身能耗（通过COP界说得出） ，，则二级出水在夏日和冬季净产能当量划分为14148 kWh/万m3和23213 kWh/万m3。。由此可知 ，，污水中的热能是污水厂*大的能量“家底”。。据此匡算 ，，案例污水厂天天仅使用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 ，，就可知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接纳 ，，案例污水厂已可实现“能量平衡”。。
需要说明的是 ，，污水源热泵所爆发的冷、热源一般均为直接使用 ，，并非是像甲烷一样用于发电。。以是 ，，上述测算中所爆发的能量中绝大部分照旧要靠输出厂外供其他商业或民用用户使用 ，，以“碳生意”方式折算能量与碳排放的平衡。。
结语
我们通过思量剩余污泥能量接纳、光伏发电和水源热泵能量接纳 ，，划分核算出各自能量接纳方式对运行能耗的孝顺率。。效果批注 ，，污水源热泵仅需使用较小的水量（<15%）便可以爆发出至少一半以上的运行能耗 ，，完全可以填补剩余污泥转化能源缺乏形成的能源赤字。。相形之下 ，，光伏发电可获得的能量则显得有些“微缺乏道”。。由此可知 ，，污水热能才是污水处理厂实现“碳中和”的实力继承。。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知足“碳中和”运行的目的 ，，该研究结论可为我国市政污水厂想着低碳运行偏向生长涤讪理论基础。。
正所谓“知其然更应知其以是然” ，，只有厘清了污水处理厂可用的“家底”（能量）才华更有信心地朝着“碳中和”偏向起劲。。现实上 ，，“中-荷中心”团队认真人郝晓地教授早在2010年就已经对污水处理厂可用的“家底”和能否支持“碳中和”的实现举行了较为详细的前瞻性探讨 ，，当下对污水处理厂仍然具有很是大的指导意义。。因此 ，，本文基于团队2015年的一项事情 ，，同各人分享并厘清海内污水处理厂实现“碳中和”的可用能量泉源以及响应的手艺思绪。。
提到污水中的能量 ，，人们往往*先想到的即是污水中的有机物（COD） ，，而接纳这部分能量*简朴的方式就是对污泥实验厌氧消化 ，，爆发甲烷后用于热电联产 ，，以此镌汰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 ，，生涯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、二沉池等单位具有重大的外貌面积 ，，这似乎为太阳能光伏发电创立了须要的园地条件。。若是光伏组件能被巧妙地安排在这些处理单位上 ，，不但可以向楼宇屋面一样实现太阳能发电 ，，并且还能在冬季时使用光伏板来笼罩这些处理单位 ，，实现对生物处理的保温作用和臭气网络。。那“太阳能”会成为污水厂实现“碳中和”的实力继承么？？另外 ，，市政污水自己具有流量稳固、水量富足、带有余温等特点。。若是向污水处理厂引入水源热泵手艺举行热能的提取接纳 ，，潜力会有多大呢？？带着这些思索和疑问 ，，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）的可用潜力举行了匡算剖析。。
1. 进水有机物能量接纳潜力
为匡算进水中有机物浓度与通过厌氧消化可接纳的有机物能量 ，，我们以物料平衡为基础 ，，将水质与能量指标举行耦合 ，，构建了能量平衡模子和剖析函数 ，，以评价污水处理厂能量消耗与接纳之间的平衡情形。。模子的输入变量如表1所示 ，，包括收支水水量/水质和污泥量/有机质含量共计12个参数。。能量相关的历程单位则包括了提升水泵、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/热电联产爆发的能量赔偿。。
模子构建完毕后 ，，我们对案例水厂现实运行的能量状态举行了评价剖析。。图2是案例污水厂的工艺流程和部分点的实测参数 ，，模子匡算效果总结于表2中。。由效果可知 ，，经由模子盘算获得的提升泵和鼓风性能耗数值（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接纳的有机物能量（425848 MJ）却远远高于实测数值（107142 MJ） ，，这是由于案例污水厂2010年消化池平均进泥量仅为340 m3/d ，，仅占设计进泥量的12% ，，若是凭证2010年产气效率盘算 ，，当进泥量抵达设计值时 ，，甲烷产量与模子盘算效果也近乎一致。。�？杉� ，，本研究构建的模子盘算效果是可信的。。
从*终的能量匡算效果来看 ，，此案例污水厂从剩余污泥接纳的能量可以提供能耗总量的53.2% ，，也就是说案例污水厂若是仅仅依赖污水中的有机物通过厌氧消化接纳能量 ，，距“能量平衡”目的尚且有一半的差别。。
另外 ，，从所构建的模子来看 ，，污泥厌氧消化接纳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 ，，可接纳的有机物能量潜力便越大。。继而我们使用所构建模子针对差别的进水COD浓度举行了能量核算 ，，效果如图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接纳只能实现约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） ，，则接纳的能量可以赔偿总能耗的68.9%。。
总之 ，，我国污水处理厂由于进水有机物浓度较低 ，，剩余污泥厌氧消化接纳有机物能量难以实现污水厂的“能量平衡” ，，更别提支持“碳中和”的实现。。同时 ，，需要强调的是 ，，剩余污泥中蕴藏的“家底”通过厌氧消化来赔偿一半的运行能量消耗是完全可行的。。另外 ，，凭证我们*近的研究效果 ，，厌氧消化并不是接纳污泥中有性能量的*佳手段 ，，污水处理厂应当思量跳过厌氧消化单位 ，，直接将污泥干化后举行焚烧发电 ，，可进一步提高有性能量的接纳效率。。
2. 污水厂光伏发电潜能
光伏发电可接纳的能量几多主要取决于可用于装置光伏板的面积巨细。。关于污水处理厂来说 ，，各个处理单位的顶部均可用于光伏板的装置 ，，且面积较为可观。。为相识我国污水处理厂设计规范下可用的光伏板装置面积 ，，我们总结了处理规模差别的污水处理厂部分单位修建物的面积 ，，如表3所示。。�？芍� ，，我国污水处理厂处理单位万吨污水对应的主要修建物的平面面积在1147~1576 m2之间 ，，平均值为1402 m2。。由于规模效应的保存 ，，这一数值是随着处理水量的增大而镌汰的。。
凭证E20-327型光伏板性能、案例污水厂所在地的光照条件 ，，单块光伏板天天爆发的能量约为1.09 kWh（单板占地面积为4.65 m2）。。若是在案例污水厂主要修建物平面（表4）上装置E20-327型光伏板 ，，可盘算得其可接纳的太阳能总量为82725 MJ/d ，，仅仅能知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“微缺乏道”！
3. 污水源热泵能量接纳潜力
在我们之前宣布的文章中 ，，已多次分享叙述了污水中保存的却一直以来被忽视的能量 ，，即热能。。千亿国际匡算剖析也已明确 ，，污水中的热能储量远高于污水中的化学能（有机物能量） ，，现实可接纳热能为化学能的9倍之多。。为更直观的体现污水中热能接纳的重大潜力 ，，我们在此也基于案例污水厂对可接纳的热能举行了盘算。。
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 ℃。。这一条件均能知足《水源热泵机组》（GB/T 19409—2003）要求。。
通过盘算可知（表5） ，，水源热泵系统每使用1万吨二级出水的制冷量和制热量划分为1.68×105 MJ和2.74 MJ ，，思量水源热泵机组自身能耗（通过COP界说得出） ，，则二级出水在夏日和冬季净产能当量划分为14148 kWh/万m3和23213 kWh/万m3。。由此可知 ，，污水中的热能是污水厂*大的能量“家底”。。据此匡算 ，，案例污水厂天天仅使用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 ，，就可知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接纳 ，，案例污水厂已可实现“能量平衡”。。
需要说明的是 ，，污水源热泵所爆发的冷、热源一般均为直接使用 ，，并非是像甲烷一样用于发电。。以是 ，，上述测算中所爆发的能量中绝大部分照旧要靠输出厂外供其他商业或民用用户使用 ，，以“碳生意”方式折算能量与碳排放的平衡。。
结语
我们通过思量剩余污泥能量接纳、光伏发电和水源热泵能量接纳 ，，划分核算出各自能量接纳方式对运行能耗的孝顺率。。效果批注 ，，污水源热泵仅需使用较小的水量（<15%）便可以爆发出至少一半以上的运行能耗 ，，完全可以填补剩余污泥转化能源缺乏形成的能源赤字。。相形之下 ，，光伏发电可获得的能量则显得有些“微缺乏道”。。由此可知 ，，污水热能才是污水处理厂实现“碳中和”的实力继承。。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知足“碳中和”运行的目的 ，，该研究结论可为我国市政污水厂想着低碳运行偏向生长涤讪理论基础。。
