自我國（guó）提出2060年全社會爭取實現“碳中和”目標後，各行（háng）各業對“碳中和”的討論持（chí）續高漲、熱度不減。一方麵，這無疑推動了“碳中和（hé）”概念和知識（shí）的推廣宣傳，大大推動了“碳中和”構建的*階段目標進程——明晰什麽（me）是“碳（tàn）中和”，即“知（zhī）其然”！另一方麵，隨著對（duì）“碳中和”概念的不斷理解和清晰，對（duì）如（rú）何實現行業“碳中和”也打上了大大的問（wèn）號。對於汙水處理廠來說，盡管國外已經存在完（wán）全實現“能量平衡”或（huò）“碳（tàn）中和”運行的汙水處理（lǐ）廠實際（jì）案例，但國內依然存在對汙水處理廠能否實現“碳中和”的擔憂和質疑。從技術角度講，通過能量回收直接反哺或間接補償汙水廠的碳排量是實現“碳中（zhōng）和”的主要方式，而這些（xiē）擔憂（yōu）和質疑大多聚焦於“汙（wū）水處理廠真的有那麽多（duō）可回收能量去實現‘碳中和’嗎？”

       正（zhèng）所（suǒ）謂“知其然更應知其所以然”，隻有厘清了汙水處理廠可用（yòng）的“家底”（能量）才能更有信心地朝著“碳中和”方向努力。實際上，“中-荷中心”團隊負責人（rén）郝曉地教授早在2010年就已經（jīng）對汙水處理廠可用的（de）“家底”和能否支撐“碳（tàn）中和”的實現進行了較為詳細的前瞻性探（tàn）究，當下對汙水處理廠仍然（rán）具有非常大的指導意義。因（yīn）此，本（běn）文基（jī）於（yú）團隊2015年的一項工作，同大家分享並厘清國內汙水處理廠實現“碳中和”的可用能量（liàng）來源（yuán）以及相應的技術思路。

       提到汙水中的能量，人們往往*先想到的即是汙水中的有機物（COD），而回收這部分能量*簡單的方式就是對汙泥實施厭氧消化，產（chǎn）生甲烷後用於熱電聯（lián）產，以此減少汙水廠對外部能源的需求，繼而間接降低CO2的排（pái）放量。理論上講，生活汙水中所含的有機物能量（liàng）可達汙水處理消耗能（néng）量的9~10倍（bèi），這一振奮人心的“家底”能否助力汙水廠（chǎng）實現“碳中和”呢？除此之外，汙水處（chù）理廠生（shēng）物處理池及初沉池、二沉池（chí）等（děng）單元具（jù）有龐（páng）大的表麵麵積，這似（sì）乎為太陽（yáng）能光伏發電創造了（le）必要的場地條件。如果光伏組（zǔ）件能被巧妙地布置在（zài）這些處理單元上，不僅可（kě）以向樓宇屋麵（miàn）一樣實現太陽能發電，而且還能在冬季時利用光伏板來覆蓋這些處理單元，實現對生（shēng）物處理的保溫作用和臭氣收集。那“太陽能”會成為（wéi）汙水廠實（shí）現“碳中和”的（de）實力擔當麽？另外（wài），市政（zhèng）汙水本身具有流量穩定、水量充足、帶有餘溫等特點。如果向汙水處理廠（chǎng）引入水源熱泵技術進行熱能的提取回收，潛力會有多大呢？帶著（zhe）這些思考和疑問，我（wǒ）們選取了北京某汙水處理廠為例（lì），對其廠內（nèi）這三種（zhǒng）“家底（dǐ）”（圖1）的可（kě）用潛力（lì）進行了匡算（suàn）分析。


       1. 進水有機物能量回收潛力

       為匡算（suàn）進水中有機物濃度與通（tōng）過（guò）厭氧消化可回收的有（yǒu）機物能量，我（wǒ）們以物料平衡為基礎，將水質（zhì）與能量指標進行耦合，構（gòu）建了（le）能量平（píng）衡模型和分析函數，以評（píng）價汙水處理廠能量消耗與回收之間的平衡情況。模型的輸入變量如表1所示，包括進出水水量/水質和汙泥量/有機質含量共計12個參數。能量（liàng）相關的過程單元則包括了提升水（shuǐ）泵（bèng）、曝氣係統和厭氧消化池加熱（rè）係統導致的能量消耗，以及（jí）汙泥厭氧消化（huà）/熱電聯（lián）產（chǎn）產生的（de）能量補償。


       模型構建完畢後，我們對案例水（shuǐ）廠實際運行的能量狀（zhuàng）況進行了評（píng）價分析。圖2是案例（lì）汙水廠的工藝流程和部（bù）分點（diǎn）的實測參數（shù），模型（xíng）匡算結果總結於表2中。由（yóu）結果可（kě）知，經過模型計算得到（dào）的提升泵和鼓風機能耗數值（147000 MJ/411429 MJ）與實測數值（142560 MJ/379209 MJ）相差不大，但通過汙泥厭氧消化回收的有機物能量（425848 MJ）卻遠遠（yuǎn）高於實測數值（107142 MJ），這是因為案例汙水廠2010年消化池平均進泥量僅為（wéi）340 m3/d，僅占設（shè）計進（jìn）泥量的12%，如果按照2010年產（chǎn）氣效率計算，當進泥量達到設計值時，甲烷產量與模（mó）型計算結果（guǒ）也近乎一致。可見，本研究構（gòu）建的模型計算結果是可（kě）信（xìn）的。


       從*終的能量匡算（suàn）結（jié）果來看，此案（àn）例汙水廠從剩餘汙泥回收的（de）能量可以提供能（néng）耗總量的53.2%，也就是說案例汙水廠如果僅僅依賴汙水中的有機物通過厭氧消化（huà）回收（shōu）能量，距“能量平衡”目標尚且有一半的差距。

       另外，從（cóng）所構建的模型（xíng）來看，汙泥厭氧消化回收汙水中（zhōng）有機物能量的多寡完全取決於進水中的有機物濃度，即（jí）進水COD濃度越（yuè）高，可回收的有機物能量潛力便越大。繼而（ér）我們利用所構建（jiàn）模型針對不同的進水COD濃度進行了能量核算，結果如圖3所示。在我國汙水（shuǐ）處（chù）理廠平均進水COD濃度水平（283 mg/L），通過汙泥厭氧（yǎng）消化能量回收隻能實現（xiàn）約42%的能量（liàng）平衡率；而當進水COD濃度增至600 mg/L時（歐洲平均（jun1）水平），則回收的能量可以補（bǔ）償總能耗的68.9%。


       總之（zhī），我國汙（wū）水處理廠由（yóu）於進水有機物濃度較低，剩餘汙泥厭氧消化回收有機物能量難以實（shí）現汙水（shuǐ）廠的“能量（liàng）平衡”，更（gèng）別提支撐“碳中和”的實現。同時，需要強調的是，剩餘汙（wū）泥中蘊藏的“家底”通過厭氧消化來補（bǔ）償一半的運行能量消耗是完全可行的。另外，根據我們*近的（de）研究結果（guǒ），厭氧（yǎng）消化並不是回收汙泥中有（yǒu）機能量（liàng）的*佳手段，汙水處（chù）理廠應當考慮跳過厭氧消化單元，直接將汙泥幹化後進（jìn）行焚（fén）燒（shāo）發電，可進一步提高有機能量（liàng）的（de）回（huí）收效率。

       2. 汙水廠光伏發（fā）電（diàn）潛能

       光伏發電可回收的能量多少主要（yào）取決於可用（yòng）於安裝光伏板的麵積大小（xiǎo）。對於汙水處理廠來說，各個處（chù）理單元的頂部（bù）均可（kě）用於（yú）光伏板的安裝，且麵積較為可觀（guān）。為了（le）解我國汙（wū）水處理廠設計規範下（xià）可用的光伏板安裝麵積（jī），我們總結了處理規模不同的汙水處理廠部分單元構築物的麵積，如表3所示。可（kě）知，我國汙水處理廠處理單位萬噸汙水對應的主要構築（zhù）物的平（píng）麵麵積在1147~1576 m2之間，平均值為1402 m2。由於規模（mó）效應的存在，這一（yī）數值是隨著處理水量的（de）增大而減少的。


       按照E20-327型光伏板性能、案例汙水廠所（suǒ）在地的光照條件，單塊光伏板每（měi）天產生的能量（liàng）約為（wéi）1.09 kWh（單板占地麵積為（wéi）4.65 m2）。如果在案（àn）例汙水廠主（zhǔ）要構築（zhù）物（wù）平麵（表4）上安裝E20-327型光伏板，可計（jì）算得其可回收（shōu）的太陽能總量為82725 MJ/d，僅僅能滿足案例汙（wū）水廠（chǎng）運行能（néng）耗的10.4%，即通過光伏（fú）發電可獲取的能量（liàng）顯得有些“微不足道”！


       3. 汙水源熱泵能量回收潛力

       在我們之前發布的文章（zhāng）中，已多次分享闡述了（le）汙水中存在的（de）卻一直（zhí）以來被忽視（shì）的能量，即（jí）熱能。我們的匡（kuāng）算分析也（yě）已明確，汙水中（zhōng）的熱能儲量遠高於汙水中的化學能（有機物能量），實際可回收熱（rè）能為化學能的9倍之多。為更直觀的體現汙水中熱能回收的巨大潛力，我們在此也基於案例（lì）汙水廠對可回收的熱能進行了計算。

       北京地區汙水廠二級出水在6~9月份的平均水溫為23.4~26.5 ℃，比（bǐ）同時期平均氣溫低4~5 ℃；二級出水水溫在供暖季（11月~次年3月）平均在12.9~20.7 ℃，比（bǐ）氣溫高10~20 ℃。這一條件均能滿足（zú）《水源熱（rè）泵機組》（GB/T 19409—2003）要求。

       通過計算可知（表5），水源熱泵係（xì）統（tǒng）每利用1萬噸二級出（chū）水的製冷量和製熱（rè）量分（fèn）別為1.68×105 MJ和2.74 MJ，考慮水（shuǐ）源熱泵機（jī）組自（zì）身能耗（通過COP定義得出（chū）），則二級（jí）出水在夏季（jì）和冬（dōng）季淨產能當量分別為14148 kWh/萬m3和23213 kWh/萬m3。由此可（kě）知，汙水中的熱能是汙水廠（chǎng）*大的能量“家底”。據此匡算，案例汙水廠（chǎng）每天（tiān）僅利用8萬（wàn）噸二級出水（即13.3%的出水量（liàng））作為汙水（shuǐ）源熱泵（bèng）的冷、熱源，就可滿足汙水廠運行能耗的51%（製冷）和83.6%（製熱）。加上上述提及的汙泥厭氧消化和太陽能回收，案例汙水廠已可實現“能量平衡（héng）”。


       需要說（shuō）明的是，汙水源熱泵所產生的冷、熱源一般均為（wéi）直（zhí）接利（lì）用，並非是像甲（jiǎ）烷一樣用於發電。所以，上述測算中所（suǒ）產生（shēng）的能量中絕大部分還（hái）是要（yào）靠輸出廠外供（gòng）其他（tā）商業或民用用戶使用，以“碳交易”方式折算能量（liàng）與碳排放的平（píng）衡。

       結（jié）語

       我們通過考慮剩餘汙泥能量回收、光伏發（fā）電和水源熱泵能量回收（shōu），分別核算出各自能量回收方式對運行能耗的貢獻率。結果表明（míng），汙水源熱泵僅需使用較小的（de）水量（<15%）便可以產生出至少一（yī）半以上的運行能（néng）耗（hào），完全可以彌補剩（shèng）餘汙泥轉化能（néng）源不足形成的能源赤字。相形之下（xià），光伏（fú）發電可獲得的能量則顯得有些“微不足道（dào）”。由此可知，汙水熱能才（cái）是汙水處理廠實現“碳中（zhōng）和”的（de）實力擔當。總之，我國市政汙水處理廠一般可通過剩餘汙泥轉（zhuǎn）化（huà）能源和汙（wū）水源熱泵方式便完全可以滿足“碳中和（hé）”運行的目標，該研（yán）究（jiū）結論（lùn）可為（wéi）我國市政汙水廠想著（zhe）低碳運行方向發展奠定理論基礎。