新型污水處理工藝成效顯著 碳中和運行前景可期
發布者：管理員 發布時間：2017-08-26 瀏覽次數：1987 來源：中宜環科環保產業研究微信
現階段我國污水處理規模體量巨大，碳中和在未來污水廠中的運行中必將成為一大趨勢，其對推動行業乃至社會的綠色發展具有重大意義。然而，在我國污水有機物含量低不利于能量回收的情況下，如何制定碳中和發展之路？值得深思。
新型污水處理工藝成效顯著 碳中和運行前景可期
現階段我國污水處理規模體量巨大，碳中和在未來污水廠中的運行中必將成為一大趨勢，其對推動行業乃至社會的綠色發展具有重大意義。然而，受限于污水行業技術水平低等諸多因素限制，我國目前尚未建成真正意義上的“碳中和”污水廠。
本次推薦的參考文獻是以北京某污水廠為實例，從理論上分析了當前AAO工藝條件下污泥厭氧、水源熱泵以及太陽能利用對碳中和運行的貢獻潛力，并得出污泥厭氧能量自給率僅達53%的結論。
在我國污水有機物含量低不利于能量回收的情況下，如何制定碳中和發展之路？值得深思。摒棄AAO工藝，利用碳源濃縮技術、主流Anammox技術以及高效厭氧技術，組建低能耗、高能源回收的新型污水處理工藝或許是未來的解決途徑之一。
在全球溫室效應及氣候變化背景下，污水廠污水處理碳中和將會是未來污水處理行業的發展趨勢。
目前，一方面污水處理屬于高耗能行業，勢必會導致較高的碳排放足跡；另一方面，污水中本身蘊含較多的能量(有機物、熱能等)，為實現污水處理過程能源自給及碳中和運行提供了客觀基礎。展望污水處理的未來前景，多個國家已經陸續發布了污水廠碳中和技術路線圖。
美國水環境研究基金(WaterEnvironmentResearchFoundation)提出了2030年美國所有污水處理廠均要實現碳中和運行的目標。歐洲一些國家也相繼發布了污水廠能源管理手冊。在世界范圍內，部分污水廠已經通過技術升級實現了能量自給及碳中和運行(表1)
表1目前國際上實現能量自給/碳中和的污水廠案例
研究人員以北京一座處理規模為60萬噸的污水廠為實例(AAO工藝)，對污水廠碳中和運行進行了潛力分析。研究人員主要從以下三個角度，考慮了污水廠實現碳中和的途徑。
回收污水中有機物的能量。
利用水源熱泵技術回收污水中熱能。
基于目前污水廠一般占地面積較大，沉淀池和曝氣池的表面可以用于鋪設太陽能光伏發電板，利用太陽能發電。
污水中有機物能量回收主要依靠針對污泥的厭氧過程實現。污水處理過程中會產生初沉污泥和二沉污泥，污泥經過厭氧處理(Anaerobicdigestion,AD)產生沼氣，沼氣經過熱電聯產(CombinedHeatandPower,CHP)產生電能和熱能。
“污泥厭氧產沼氣＋熱電聯產”AD-CHP過程中產生的電能可以用于補償污水廠的能耗，從而降低污水廠的碳足跡排放，甚至實現碳中和運行。
研究人員基于一定系統邊界和理想假設，建立了一套模擬計算污水廠物質流平衡和能量消耗的模型。
通過對污水廠幾個主要耗能工藝流程(曝氣能耗、污水提升泵耗和厭氧加熱能耗)的分析，驗證該模型計算結果與實際能耗基本吻合。其中厭氧產能部分的實際值比理論值低，主要原因是厭氧污泥量僅為設計值的38%，這從側面反映出目前污水廠污泥厭氧處理負荷不足的現狀。
該模型針對北京污水廠的實際污水水質，模擬計算了“污泥厭氧產沼氣＋熱電聯產”過程對水廠總體能源自給的影響，其貢獻值僅為53%。需要注意的是，在不考慮設備引起的能量損失情況下，碳中和率可以達到270%。
理論值和實際值產生巨大差異的重要因素是設備效率低(提升泵、曝氣泵)和工藝過程有待優化(污泥厭氧產甲烷過程)。
圖1能量消耗與回收、碳排放與補償
除回收污水有機質所蘊含的能量外，還可以考慮污水熱能和太陽能。水源熱泵技術已經在建筑物室內溫度控制上得到成功應用。
基于北京地區污水廠案例研究，污水廠出水水溫夏季平均溫度低于環境溫度4-5℃(6-9月)，冬季平均溫度高于環境溫度10-20℃(10-3月)。大部分月份的溫度差能夠滿足水源熱泵技術的應用條件，為利用水源熱泵回收污水熱能提供了基礎。
根據模擬計算結果，1噸出水溫度降低1℃時，水源熱泵回收的熱量若由燃煤鍋爐產生，等效于產生0.26kwh煤電時的燃煤消耗。僅利用出水量的1/5所回收的能量足以彌補有機質能回收不足帶來的能耗缺口。
然而，水源熱泵并不能直接產生電能，富裕熱能供給周邊地區也存在經濟半徑(6.5公里以內)。熱能的輸出利用的同時依托與市政供熱網絡的互動，以及碳交易市場的發展。
太陽能的利用可以直接提供電能。根據北京幾座大型污水廠的情況，每萬噸污水處理規?？晒┨柲茕佋O的反應池表面積在1147-1576m2之間。
基于商業化光伏太陽能板的產電效率(覆蓋4.65m2時產電能力1.09kwh/d)，污水廠太陽能利用可以補償10%的能耗損失。其對碳中和運行的貢獻有限，且投資費用較高。
?。ㄔ瓨祟}：污水廠碳中和運行的潛力分析——以我國為例）
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