自我國提出2060年全（quán）社會爭取實現“碳中和”目（mù）標後，各（gè）行各業對（duì）“碳中和”的討論持（chí）續高漲（zhǎng）、熱度不減。一方麵，這無疑推動了“碳中和”概念和知識的推（tuī）廣宣傳（chuán），大大推動了“碳中和”構建的*階段目標進程（chéng）——明（míng）晰什麽是“碳中和”，即“知其然”！另一（yī）方麵，隨著對“碳中和”概念的不斷理解和清晰，對如何實現行（háng）業“碳（tàn）中和”也打上了大大的問號（hào）。對於汙水處理廠來說，盡管（guǎn）國外已經存在完（wán）全實（shí）現“能量（liàng）平衡（héng）”或“碳中和”運行（háng）的汙水處理廠實際案例，但國內依然（rán）存在對汙水處理廠能（néng）否實現“碳中和”的（de）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（cháng）汙水廠的碳排量是（shì）實現“碳中和”的主要方式，而這些擔憂和質疑大多聚焦於“汙（wū）水處理廠真的有那麽多可回收能量去實（shí）現‘碳中和’嗎？”

       正所（suǒ）謂“知其然更應知其所以然”，隻有厘清了（le）汙水處理廠可用的“家底”（能（néng）量）才能更（gèng）有（yǒu）信心地（dì）朝著“碳中和”方向努力。實際上，“中-荷中心”團隊負責人郝曉地教授早（zǎo）在2010年就已（yǐ）經對汙水處理廠可用（yòng）的“家底”和能否支撐“碳中和”的實現進行（háng）了（le）較為詳細的前瞻性探究，當下對汙水處理廠仍（réng）然具有非常大的指導意義。因此，本文基於（yú）團（tuán）隊2015年的（de）一項工作，同大家分享並厘清國（guó）內汙水處理廠實現“碳中和”的可用能量來源（yuán）以及相應的技術思路。

       提到汙水（shuǐ）中的能量，人們（men）往往*先想到的即是汙水中（zhōng）的有機物（COD），而回收（shōu）這（zhè）部分能量*簡單的（de）方式就是對汙泥實施厭氧消化，產生甲烷（wán）後用於熱電聯產，以此（cǐ）減少汙水廠對外部能（néng）源的需求，繼而間接降低CO2的排放量。理論上講，生活汙水中所含（hán）的有機物能量可達汙水處（chù）理消耗能量的9~10倍，這一振奮人心的“家底”能否助力汙水（shuǐ）廠實現“碳中和”呢？除此之外，汙水處理（lǐ）廠生物處理池及初沉池、二沉池等單元具有龐（páng）大的表麵麵積，這似乎為（wéi）太陽能（néng）光伏發電（diàn）創造了必要的場（chǎng）地條（tiáo）件（jiàn）。如果光伏組件能被巧妙地（dì）布置在這些（xiē）處理單元上，不僅（jǐn）可以向（xiàng）樓宇屋麵一樣實現太（tài）陽能發電，而且還能在冬季時（shí）利用光伏板來覆蓋這些處理單（dān）元，實現對生物處理的保溫作用和臭氣（qì）收集。那“太陽（yáng）能”會成為汙水廠實現“碳中和”的實力擔當麽？另外，市政汙水（shuǐ）本身具有流量穩定、水（shuǐ）量充（chōng）足、帶有餘溫等特點（diǎn）。如果向汙水處理廠引入水（shuǐ）源熱泵（bèng）技術進行熱能的提取回收，潛力會有多大呢？帶著這些思考和疑問，我們選取了北京某汙水處理廠為例，對其廠內這三種“家底”（圖1）的可用（yòng）潛力進行了匡算分析。


       1. 進水有機物能量（liàng）回收潛力

       為匡算進水中有機物濃度與通過厭氧消化可回收的有機物能量，我們以物料平衡為基礎，將水質與能量指標進行耦合，構建了能（néng）量平衡模型和分析函數，以（yǐ）評（píng）價汙水處理廠能量消（xiāo）耗與回（huí）收之間的平衡情況。模（mó）型的輸入變量如表1所示，包括進出（chū）水（shuǐ）水量（liàng）/水質和汙泥量/有機（jī）質含量共（gòng）計12個參數。能量（liàng）相關的過（guò）程單元則包括了提升水泵（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/熱電（diàn）聯產產生的能量補償。


       模型構（gòu）建完（wán）畢後，我們對案例水廠實際運行的能量（liàng）狀況進行了評價分（fèn）析（xī）。圖2是案例汙水廠的工藝流程和部分點的實（shí）測參數，模型匡算結果（guǒ）總結於表2中。由結果（guǒ）可知，經（jīng）過模型計算得到的提升泵和鼓風（fēng）機能耗數值（147000 MJ/411429 MJ）與（yǔ）實測數值（142560 MJ/379209 MJ）相差不大，但（dàn）通過汙泥厭氧消化（huà）回收的有機物能量（425848 MJ）卻遠遠高於實測數值（107142 MJ），這是因（yīn）為案例汙水廠2010年消（xiāo）化池平均（jun1）進泥量僅為340 m3/d，僅占設計進泥量（liàng）的12%，如果按照2010年產氣效率計算，當（dāng）進泥量達（dá）到設計值時（shí），甲烷產量與模型計算結果也近乎一致。可見，本研究構建的模型計算結果是可信（xìn）的（de）。


       從*終的能量匡（kuāng）算結果來看，此案例汙水廠從剩餘汙泥回（huí）收的能量可以提供能耗總量的53.2%，也就是說案例汙水（shuǐ）廠如果僅僅依賴汙水中的有機物通過厭氧消化回收能量，距“能量平衡”目（mù）標尚且有一半的差距（jù）。

       另外，從（cóng）所構建的模型來看，汙泥厭氧消化回收汙水（shuǐ）中有機物能量（liàng）的（de）多寡完全取決（jué）於進水中的有（yǒu）機物濃度，即進水COD濃度越高，可回收的有機物（wù）能量潛力便越大。繼而我（wǒ）們利用所構建模型針對不同的進水COD濃度進行了能量核算（suàn），結果如圖3所示（shì）。在我國（guó）汙水處理廠平均（jun1）進水COD濃度水平（píng）（283 mg/L），通過汙泥厭氧消化能量回收隻能實現約42%的（de）能量平衡率；而當進水COD濃度增至600 mg/L時（歐洲平均水平），則回收的能量可以補償（cháng）總能（néng）耗的68.9%。


       總之，我國汙水處理廠由於進水有機物濃度較低，剩餘汙泥厭氧消化回收（shōu）有機物能量難（nán）以實現汙（wū）水廠的“能量平衡”，更別提支（zhī）撐“碳中（zhōng）和”的實現。同時（shí），需要強調的是，剩餘汙（wū）泥中蘊藏的“家底”通過厭氧（yǎng）消化來補償（cháng）一（yī）半的運行能（néng）量消耗是（shì）完全可行的（de）。另外，根據我（wǒ）們*近的研究結果，厭氧消化並不是回收汙泥（ní）中（zhōng）有機能量的*佳手段，汙水處理廠應當考慮跳過厭氧消化單元，直接將汙泥幹（gàn）化後進行焚燒（shāo）發電，可進一步提高有機能（néng）量的回收（shōu）效率。

       2. 汙水廠（chǎng）光伏發電潛能

       光伏發電可回收的能量（liàng）多少主要取決於可用於安裝光（guāng）伏板的麵積大小。對於汙水處理廠來說，各個處理單元（yuán）的頂部均可用於光（guāng）伏板的（de）安（ān）裝，且麵積較為可觀。為了解我國汙水處理廠設計（jì）規（guī）範下可用的（de）光伏板安裝麵積，我們（men）總結了處理規模不同的汙水處理廠部分（fèn）單元構築（zhù）物的麵積（jī），如表3所示。可知，我國汙水處（chù）理廠處理單位萬噸汙（wū）水（shuǐ）對應的主要構築物的平麵麵（miàn）積在（zài）1147~1576 m2之間，平均值為1402 m2。由於規模效應的存在，這一數值是隨著處理水量的增大（dà）而減少的。


       按照E20-327型光伏板性（xìng）能、案例汙水（shuǐ）廠所在地的光照條件，單塊光伏板每天產生的能量約為1.09 kWh（單板占（zhàn）地麵積為4.65 m2）。如果在案例汙水（shuǐ）廠主要（yào）構築物平麵（表4）上（shàng）安裝E20-327型光伏板，可計算得其可回收的（de）太陽能總量為82725 MJ/d，僅僅能滿足（zú）案例汙水廠運行能耗的10.4%，即通過光伏發電可獲取的能（néng）量顯得有些“微（wēi）不足道”！


       3. 汙水源熱泵能量回收潛力

       在我們之前發布的文（wén）章中，已多次分享闡述了汙水中存（cún）在的卻一直以來被忽視的能量，即熱能。我們的匡算分析也已明確，汙水中的熱能儲量遠高於汙（wū）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（guān）的體現汙水中熱（rè）能（néng）回收的巨大潛（qián）力，我們在此也基於案例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（de）平（píng）均水溫（wēn）為23.4~26.5 ℃，比同時期平（píng）均氣（qì）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 ℃，比氣溫高10~20 ℃。這一條件均（jun1）能滿足《水源熱泵機組》（GB/T 19409—2003）要求。

       通過（guò）計算可知（表5），水源熱泵係統每利用1萬（wàn）噸二（èr）級出（chū）水的製冷量和（hé）製熱量分別為1.68×105 MJ和2.74 MJ，考慮水源熱泵機組自身能（néng）耗（通過COP定義得（dé）出），則二級出水（shuǐ）在夏季（jì）和冬季（jì）淨產能當量分別為14148 kWh/萬m3和23213 kWh/萬m3。由（yóu）此可知，汙（wū）水中的熱能是（shì）汙水廠*大的能量“家底”。據此匡算，案例汙水廠每（měi）天僅利用（yòng）8萬噸二級出水（即13.3%的出水（shuǐ）量）作為汙水源熱泵的冷、熱源，就可滿足汙水廠運（yùn）行能耗的51%（製冷）和83.6%（製熱）。加上上（shàng）述提及的（de）汙泥厭氧消（xiāo）化和太陽（yáng）能回收，案例汙水廠已可實現“能量平（píng）衡”。


       需（xū）要說明的是，汙水（shuǐ）源熱泵所產生的冷、熱源一般均為直（zhí）接利用，並非是像（xiàng）甲烷一（yī）樣用於發（fā）電。所以，上述測算中所（suǒ）產（chǎn）生（shēng）的能量中絕大部分還是要靠輸出廠外（wài）供（gòng）其他商業或民用用戶使用，以“碳交易”方式折算能量與碳排放的（de）平（píng）衡。

       結語

       我們通過考慮剩餘汙（wū）泥能量回（huí）收、光伏發電和水源熱泵能量回（huí）收，分別核算出各自能量回收方式對運行能耗的（de）貢獻率。結果（guǒ）表明，汙水源熱泵僅需（xū）使用（yòng）較小的水量（<15%）便可以產生出（chū）至少（shǎo）一半（bàn）以上的運行能耗，完全可以彌補剩餘汙泥轉化能源不足形成（chéng）的能（néng）源赤字。相形（xíng）之下，光伏發電（diàn）可獲得的能量則顯得有些“微不足道”。由此可知，汙水熱能才是汙水處理廠實現“碳中和”的實力擔當。總之，我國市政汙水處理廠一般可通過剩餘汙泥轉化能源和汙水（shuǐ）源熱（rè）泵方式便完全可（kě）以滿足“碳中和”運行的目標，該研究結論（lùn）可為我國市政汙（wū）水廠想著低碳運行方向發展（zhǎn）奠定理論基（jī）礎（chǔ）。