污水厂碳中和运行潜力待挖掘

宫徽

目前，我国污水处理规模体量巨大、消耗能量多，碳中和（污水处理低碳运行与能源消耗自给自足）在未来污水厂中的运行中将成为一大趋势，其对推动行业的绿色发展具有重大意义。然而，受限于污水行业技术水平低等诸多因素限制，我国目前尚未建成真正意义上的“碳中和”污水厂。

研究人员以北京某污水厂为实例，分析了当前主流工艺条件下污泥厌氧、水源热泵以及太阳能利用对碳中和运行的贡献潜力，认为当前污泥厌氧能量自给率仅达53%。

污水碳中和运行已被国际推行

展望污水处理的未来前景，多个国家已经陆续发布了污水厂碳中和技术路线图。目前，一方面污水处理属于高耗能行业，势必会导致较高的碳排放足迹；另一方面，污水中本身蕴含较多的能量（有机物、热能等），为实现污水处理过程能源自给以及碳中和运行提供了客观基础。

美国水环境研究基金(Water Environment Research Foundation)提出了2030年美国所有污水处理厂均要实现碳中和运行的目标。欧洲一些国家也相继发布了污水厂能源管理手册。在世界范围内，部分污水厂已经通过技术升级实现了能量自给及碳中和运行。

回收有机物能量贡献率仅53%，理想状态可达270%

研究人员以北京一座处理规模为60万吨的污水厂为实例(AAO工艺)，对污水厂碳中和运行进行了潜力分析。

当前，污水厂实现碳中和途径主要有以下3个途径：回收污水中有机物的能量；利用水源热泵技术回收污水中热能；基于目前污水厂一般占地面积较大，沉淀池和曝气池的表面可以用于铺设太阳能光伏发电板，利用太阳能发电。

污水中有机物能量回收，主要依靠污泥的厌氧过程实现。在污水处理过程中，会产生初沉污泥和二沉污泥，污泥经过厌氧处理产生沼气，沼气经过热电联产产生电能和热能。

在“污泥厌氧产沼气+热电联产”过程中，产生的电能可以用于补偿污水厂的一部分能耗在理想状态下，甚至可以实现碳中和运行。

模型针对北京几个污水厂的实际污水水质，模拟计算了“污泥厌氧产沼气+热电联产”过程对水厂总体能源自给的影响，其贡献值仅为53%。需要强调的是，如果改进工艺，在不考虑设备引起的能量损失情况下，碳中和率可以达到270%。

理论值和实际值产生巨大差异说明，污水厂碳中和运行的潜力有待挖掘，如果提高设备（提升泵、曝气泵）效率、优化工艺过程（污泥厌氧产甲烷过程），回收污水有机质所蕴含的能量很大，碳中和率可以达到非常理想的状态。

水源热泵产生的热能高，太阳能利用亦可直接提供电能

回收污水有机质所蕴含的能量外，还可以考虑污水热能和太阳能。

基于北京地区污水厂案例研究，北京大部分月份的温度差能够满足水源热泵技术的应用条件，为利用水源热泵回收污水热能提供了基础。

根据模拟计算结果，1吨出水温度如果降低1℃，水源热泵回收的热量若由煤电产生，等效于产生0.26kwh煤电时的燃煤消耗。经过初步估算，只利用出水量的1/5所回收的能量，足以弥补上述提到的有机物能量实际回收不足带来的能耗缺口。

然而，水源热泵虽然产生的能量高，但并不能直接产生电能，只是产生热能，不方便将富裕热能向周边供给。比如需要考虑向周边供给半径、市政供热网络的互动等因素。

不过，太阳能的利用可以直接提供电能。根据北京几座大型污水厂的情况，每万吨污水处理规模可供太阳能铺设的反应池表面积在1147 m3~1576m3之间。

基于商业化光伏太阳能板的产电效率，污水厂太阳能利用可以补偿10%的能耗损失。但是，其对碳中和运行的贡献率低于回收污水中有机物的能量或利用水源热泵技术回收污水中热能。

作者系中宜环科环保产业研究院研究员 清华大学环境学院博士

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