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污水处置实现“碳中和”技术蹊径已了了
起源：J9集团环保 颁布功夫：2021-05-08
自我国提出2060年全社会争取实现“碳中和”指标后 ，各行各业对“碳中和”的会商持续高涨、热度不减。一方面 ，这无疑推动了“碳中和”概想和知识的推广宣传 ，大大推动了“碳中和”构建的*阶段指标过程——了了什么是“碳中和” ，即“知其然”！另一方面 ，随着对“碳中和”概想的不休理解和清澈 ，对若何实现行业“碳中和”也打上了大大的问号。对于污水处置厂来说 ，只管国表已经存在齐全实现“能量平衡”或“碳中和”运行的污水处置厂现实案例 ，但国内依然存在对污水处置厂能否实现“碳中和”的忧郁和质疑。从技术角度讲 ，通过能量回收直接反哺或间接赔偿污水厂的碳排量是实现“碳中和”的重要方式 ，而这些忧郁和质疑大多聚焦于“污水处置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” ，只有厘清了污水处置厂可用的“家底”（能量）能力更有信心地朝着“碳中和”方向致力。现实上 ，“中-荷中心”团队掌管人郝晓地教授早在2010年就已经对污水处置厂可用的“家底”和能否支持“碳中和”的实现进行了较为具体的前瞻性探索 ，当下对污水处置厂依然拥有极度大的领导意思。因而 ，本文基于团队2015年的一项工作 ，同各人分享并厘清国内污水处置厂实现“碳中和”的可用能量起源以及相应的技术思路。
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） ，而回收这部门能量*单一的方式就是对污泥执行厌氧消化 ，产生甲烷后用于热电联产 ，以此削减污水厂对表部能源的需要 ，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置亏损能量的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 ？除此之表 ，污水处置厂生物处置池及初沉池、二沉池等单元拥有重大的表名义积 ，这似乎为太阳能光伏发电创造了必要的场地前提。若是光伏组件能被奇妙地安插在这些处置单元上 ，不仅能够向楼宇屋面一样实现太阳能发电 ，并且还能在冬季时利用光伏板来覆盖这些处置单元 ，实现对生物处置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”的实力担任么 ？另表 ，市政污水自身拥有流量不变、水量充足、带有余温等特点。若是向污水处置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 ？带着这些思虑和疑难 ，我们拔取了北京某污水处置厂为例 ，对其厂内这三种“家底”（图1）的可用潜力进行了匡算分析。
1. 进水有机物能量回收潜力
为匡算进水中有机物浓杜纂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 ，以评价污水处置厂能量亏损与回收之间的平衡情况。模型的输入变量如表1所示 ，蕴含进出水水量/水质和污泥量/有机质含量共计12个参数。能量有关的过程单元则蕴含了提升水泵、曝气系统和厌氧消化池加热系统导致的能量亏损 ，以及污泥厌氧消化/热电联产产生的能量赔偿。
模型构建结束后 ，我们对案例水厂现实运行的能量情况进行了评价分析。图2是案例污水厂的工艺流程和部门点的实测参数 ，模型匡算了局总结于表2中。由了局可知 ，经过模型推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） ，这是由于案例污水厂2010年消化池均匀进泥量仅为340 m3/d ，仅占设计进泥量的12% ，若是依照2010年产气效能推算 ，当进泥量达到设计值时 ，甲烷产量与模型推算了局也近乎一致� ？杉� ，本钻研构建的模型推算了局是可信的。
从*终的能量匡算了局来看 ，此案例污水厂从渣滓污泥回收的能量能够提供能耗总量的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回收能量 ，距“能量平衡”指标尚且有一半的差距。
另表 ，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齐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分歧的进水COD浓度进行了能量核算 ，了局如图3所示。在我国污水处置厂均匀进水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（欧洲均匀水平） ，则回收的能量能够赔偿总能耗的68.9%。
总之 ，我国污水处置厂由于进水有机物浓度较低 ，渣滓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” ，更别提支持“碳中和”的实现。同时 ，必要强调的是 ，渣滓污泥中蕴藏的“家底”通过厌氧消化来赔偿一半的运行能量亏损是齐全可行的。另表 ，凭据我们*近的钻研了局 ，厌氧消化并不是回收污泥中有机能量的*佳伎俩 ，污水处置厂该当思考跳过厌氧消化单元 ，直接将污泥干化后进行点火发电 ，可进一步提高有机能量的回收效能。
2. 污水厂光伏发电潜能
光伏发电可回收的能量几多重要取决于可用于装置光伏板的面积大幼。对于污水处置厂来说 ，各个处置单元的顶部均可用于光伏板的装置 ，且面积较为可观。为相识我国污水处置厂设计规范下可用的光伏板装置面积 ，我们总结了处置规模分歧的污水处置厂部门单元构筑物的面积 ，如表3所示� ？芍� ，我国污水处置厂处置单元万吨污水对应的重要构筑物的平面面积在1147~1576 m2之间 ，均匀值为1402 m2。由于规模效应的存在 ，这一数值是随着处置水量的增大而削减的。
依照E20-327型光伏板机能、案例污水厂地点地的光照前提 ，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 m2）。若是在案例污水厂重要构筑物平面（表4）上装置E20-327型光伏板 ，可推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“微不及路”！
3. 污水源热泵能量回收潜力
在我们之前颁布的文章中 ，已屡次分享论述了污水中存在的却一向以来被忽视的能量 ，即热能。J9集团匡算分析也已明确 ，污水中的热能储量远高于污水中的化学能（有机物能量） ，现实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推算。
北京地域污水厂二级出水在6~9月份的均匀水温为23.4~26.5 ℃ ，比同时期均匀气温低4~5 ℃ ；二级出水水温在供暖季（11月~次年3月）均匀在12.9~20.7 ℃ ，比气温高10~20 ℃。这一前提均能满足《水源热泵机组》（GB/T 19409—2003）要求。
通过推算可知（表5） ，水源热泵系统每利用1万吨二级出水的造冷量和造热量别离为1.68×105 MJ和2.74 MJ ，思考水源热泵机组自身能耗（通过COP界说得出） ，则二级出水在夏季和冬季净产能当量别离为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%（造冷）和83.6%（造热）。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”。
必要注明的是 ，污水源热泵所产生的冷、热源通常均为直接利用 ，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门还是要靠输出厂表供其他贸易或民用用户使用 ，以“碳买卖”方式折算能量与碳排放的平衡。
结语
我们通过思考渣滓污泥能量回收、光伏发电和水源热泵能量回收 ，别离核算出各自能量回收方式对运行能耗的贡献率。了局批注 ，污水源热泵仅需使用较幼的水量（<15%）便能够产生出至少一半以上的运行能耗 ，齐全能够添补渣滓污泥转化能源不及形成的能源赤字。相形之下 ，光伏发电可获得的能量则显得有些“微不及路”。由此可知 ，污水热能才是污水处置厂实现“碳中和”的实力担任。总之 ，我国市政污水处置厂通常可通过渣滓污泥转化能源和污水源热泵方式便齐全能够满足“碳中和”运行的指标 ，该钻研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。
正所谓“知其然更应知其所以然” ，只有厘清了污水处置厂可用的“家底”（能量）能力更有信心地朝着“碳中和”方向致力。现实上 ，“中-荷中心”团队掌管人郝晓地教授早在2010年就已经对污水处置厂可用的“家底”和能否支持“碳中和”的实现进行了较为具体的前瞻性探索 ，当下对污水处置厂依然拥有极度大的领导意思。因而 ，本文基于团队2015年的一项工作 ，同各人分享并厘清国内污水处置厂实现“碳中和”的可用能量起源以及相应的技术思路。
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） ，而回收这部门能量*单一的方式就是对污泥执行厌氧消化 ，产生甲烷后用于热电联产 ，以此削减污水厂对表部能源的需要 ，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置亏损能量的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 ？除此之表 ，污水处置厂生物处置池及初沉池、二沉池等单元拥有重大的表名义积 ，这似乎为太阳能光伏发电创造了必要的场地前提。若是光伏组件能被奇妙地安插在这些处置单元上 ，不仅能够向楼宇屋面一样实现太阳能发电 ，并且还能在冬季时利用光伏板来覆盖这些处置单元 ，实现对生物处置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”的实力担任么 ？另表 ，市政污水自身拥有流量不变、水量充足、带有余温等特点。若是向污水处置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 ？带着这些思虑和疑难 ，我们拔取了北京某污水处置厂为例 ，对其厂内这三种“家底”（图1）的可用潜力进行了匡算分析。
1. 进水有机物能量回收潜力
为匡算进水中有机物浓杜纂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 ，以评价污水处置厂能量亏损与回收之间的平衡情况。模型的输入变量如表1所示 ，蕴含进出水水量/水质和污泥量/有机质含量共计12个参数。能量有关的过程单元则蕴含了提升水泵、曝气系统和厌氧消化池加热系统导致的能量亏损 ，以及污泥厌氧消化/热电联产产生的能量赔偿。
模型构建结束后 ，我们对案例水厂现实运行的能量情况进行了评价分析。图2是案例污水厂的工艺流程和部门点的实测参数 ，模型匡算了局总结于表2中。由了局可知 ，经过模型推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） ，这是由于案例污水厂2010年消化池均匀进泥量仅为340 m3/d ，仅占设计进泥量的12% ，若是依照2010年产气效能推算 ，当进泥量达到设计值时 ，甲烷产量与模型推算了局也近乎一致� ？杉� ，本钻研构建的模型推算了局是可信的。
从*终的能量匡算了局来看 ，此案例污水厂从渣滓污泥回收的能量能够提供能耗总量的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回收能量 ，距“能量平衡”指标尚且有一半的差距。
另表 ，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齐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分歧的进水COD浓度进行了能量核算 ，了局如图3所示。在我国污水处置厂均匀进水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（欧洲均匀水平） ，则回收的能量能够赔偿总能耗的68.9%。
总之 ，我国污水处置厂由于进水有机物浓度较低 ，渣滓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” ，更别提支持“碳中和”的实现。同时 ，必要强调的是 ，渣滓污泥中蕴藏的“家底”通过厌氧消化来赔偿一半的运行能量亏损是齐全可行的。另表 ，凭据我们*近的钻研了局 ，厌氧消化并不是回收污泥中有机能量的*佳伎俩 ，污水处置厂该当思考跳过厌氧消化单元 ，直接将污泥干化后进行点火发电 ，可进一步提高有机能量的回收效能。
2. 污水厂光伏发电潜能
光伏发电可回收的能量几多重要取决于可用于装置光伏板的面积大幼。对于污水处置厂来说 ，各个处置单元的顶部均可用于光伏板的装置 ，且面积较为可观。为相识我国污水处置厂设计规范下可用的光伏板装置面积 ，我们总结了处置规模分歧的污水处置厂部门单元构筑物的面积 ，如表3所示� ？芍� ，我国污水处置厂处置单元万吨污水对应的重要构筑物的平面面积在1147~1576 m2之间 ，均匀值为1402 m2。由于规模效应的存在 ，这一数值是随着处置水量的增大而削减的。
依照E20-327型光伏板机能、案例污水厂地点地的光照前提 ，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 m2）。若是在案例污水厂重要构筑物平面（表4）上装置E20-327型光伏板 ，可推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“微不及路”！
3. 污水源热泵能量回收潜力
在我们之前颁布的文章中 ，已屡次分享论述了污水中存在的却一向以来被忽视的能量 ，即热能。J9集团匡算分析也已明确 ，污水中的热能储量远高于污水中的化学能（有机物能量） ，现实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推算。
北京地域污水厂二级出水在6~9月份的均匀水温为23.4~26.5 ℃ ，比同时期均匀气温低4~5 ℃ ；二级出水水温在供暖季（11月~次年3月）均匀在12.9~20.7 ℃ ，比气温高10~20 ℃。这一前提均能满足《水源热泵机组》（GB/T 19409—2003）要求。
通过推算可知（表5） ，水源热泵系统每利用1万吨二级出水的造冷量和造热量别离为1.68×105 MJ和2.74 MJ ，思考水源热泵机组自身能耗（通过COP界说得出） ，则二级出水在夏季和冬季净产能当量别离为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%（造冷）和83.6%（造热）。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”。
必要注明的是 ，污水源热泵所产生的冷、热源通常均为直接利用 ，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门还是要靠输出厂表供其他贸易或民用用户使用 ，以“碳买卖”方式折算能量与碳排放的平衡。
结语
我们通过思考渣滓污泥能量回收、光伏发电和水源热泵能量回收 ，别离核算出各自能量回收方式对运行能耗的贡献率。了局批注 ，污水源热泵仅需使用较幼的水量（<15%）便能够产生出至少一半以上的运行能耗 ，齐全能够添补渣滓污泥转化能源不及形成的能源赤字。相形之下 ，光伏发电可获得的能量则显得有些“微不及路”。由此可知 ，污水热能才是污水处置厂实现“碳中和”的实力担任。总之 ，我国市政污水处置厂通常可通过渣滓污泥转化能源和污水源热泵方式便齐全能够满足“碳中和”运行的指标 ，该钻研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。
