自我國提出2060年全社會爭取實（shí）現“碳中和”目標後，各行各業對“碳中和”的討論持續高漲、熱度不減。一方麵（miàn），這無疑推動了“碳（tàn）中和”概（gài）念和知識的推廣（guǎng）宣傳，大大推動了“碳中和”構建的*階段目標進程（chéng）——明晰什麽是“碳中和”，即“知其然”！另一方麵，隨著對（duì）“碳中（zhōng）和”概（gài）念的不斷（duàn）理（lǐ）解和清晰，對如何實現行業“碳中和”也打上了大大的問號。對於汙水處理廠來（lái）說（shuō），盡管國外已經（jīng）存在（zài）完全實現“能量平衡”或“碳中和”運行的汙水（shuǐ）處理廠（chǎng）實（shí）際案例，但國內依然存在對汙水處理廠（chǎng）能否實現“碳中和（hé）”的擔憂和質疑。從技術角度講，通過能（néng）量回收直接反哺或（huò）間接（jiē）補償汙（wū）水廠的碳排量是實現“碳（tàn）中和”的主要（yào）方式，而這些擔憂和質（zhì）疑大（dà）多聚焦（jiāo）於“汙水處理廠真的有那麽多可回收能量去實現‘碳中和’嗎？”

       正所謂“知其然更應知其所以然”，隻有厘清了汙水處理廠可用的（de）“家底”（能量）才能更有信心（xīn）地朝著“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（jiù）已經對汙水處理廠可用的（de）“家（jiā）底”和能否支撐“碳中和”的實現進行了（le）較為詳細的前瞻性（xìng）探究，當下對汙水處理廠仍然具有非常大的指導（dǎo）意義。因此，本文基於團（tuán）隊2015年的一（yī）項工作，同大家分享並厘清國內汙水處（chù）理（lǐ）廠實（shí）現“碳中和”的可用能量來源以及相應的技術思路。

       提到汙水中的能量（liàng），人們往往*先想到的即是汙水中的有機物（wù）（COD），而回收這部分（fèn）能量*簡單（dān）的方式就是（shì）對汙泥實施厭氧消化，產生甲烷後用於熱（rè）電（diàn）聯產，以此（cǐ）減少汙水廠對（duì）外部能（néng）源的需求，繼而間接降（jiàng）低CO2的排放量（liàng）。理論上講，生活汙水中所含的有機物能量可達汙水處理消耗能量的9~10倍，這一振奮人心的“家底”能（néng）否助力汙水廠實現“碳中（zhōng）和”呢？除此之外，汙水處理廠生物處理池及初沉池、二沉（chén）池等單元具有龐大的表麵麵積，這似（sì）乎為太陽能光伏發電創造了必要的場地條件。如果光伏組件能（néng）被巧妙地（dì）布置在這些處理單元（yuán）上，不僅可以向樓宇屋（wū）麵一樣實現（xiàn）太陽能發電，而（ér）且還能在冬季時利用光伏板來覆蓋這些處理（lǐ）單元，實（shí）現對生物處理的保溫作用和臭氣收集。那“太陽能”會成為汙水廠實現“碳中和”的實力擔當（dāng）麽？另外，市政汙水本（běn）身具有流量穩定、水量充足（zú）、帶有餘溫等（děng）特點。如果向汙水處理廠引入水源熱泵技術進行熱能的（de）提取（qǔ）回收，潛力（lì）會（huì）有多大呢？帶（dài）著這些思考和疑問，我們選取了北京某汙水（shuǐ）處理廠為例，對其廠內這（zhè）三種（zhǒng）“家底”（圖1）的可用潛力進行了匡算分析。


       1. 進水有機物能（néng）量回收潛力

       為匡算（suàn）進水中有（yǒu）機物（wù）濃度與通過厭氧消化可回收的有機物能量，我們以物料（liào）平（píng）衡為（wéi）基礎，將水質與能量指（zhǐ）標進行耦合，構建了能量（liàng）平衡模型（xíng）和分析函數，以評價汙水處理廠能量消耗與回收之（zhī）間的平衡情況。模型的輸入變量如（rú）表1所示，包括進出水水量（liàng）/水質和汙泥量/有機質含量共（gòng）計12個（gè）參數。能（néng）量（liàng）相關的過程（chéng）單元則（zé）包括了提升水泵（bèng）、曝氣係統和厭氧消（xiāo）化池加（jiā）熱係統導（dǎo）致的能量消耗（hào），以及汙泥厭氧消化（huà）/熱電聯產產生的能量補償。


       模型構建完（wán）畢後，我們對案例水廠實際運行的能量狀況進行（háng）了（le）評價分析。圖2是（shì）案例汙水廠的工藝流程和部分點（diǎn）的實測參數，模型（xíng）匡算結果總結於表（biǎo）2中。由結果可知（zhī），經過模型計算得（dé）到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）卻遠遠高於實測數值（107142 MJ），這是因為案例汙水廠2010年消化池平均（jun1）進泥量僅為340 m3/d，僅占設計進泥量的12%，如果按照2010年產氣（qì）效（xiào）率計算，當進泥（ní）量達到設計值時，甲烷產量與模型計算結（jié）果（guǒ）也近乎一致。可見，本研究構建的模型計算結果是可信的。


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

       另外，從所構建的模型來看，汙泥厭氧消化回收汙水（shuǐ）中有機物能量的多寡完全取決於進水中的有機物（wù）濃（nóng）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（jì）而我們利用所構建模型針對不同的進（jìn）水COD濃度進行了（le）能量核算，結（jié）果如圖3所示。在我國（guó）汙水處理廠平均進水（shuǐ）COD濃度水平（283 mg/L），通過汙泥厭氧消（xiāo）化能量回收隻能（néng）實現約42%的能量平衡率；而當進水COD濃度增至600 mg/L時（歐洲平均水平），則（zé）回收的能量可以補償總能耗的68.9%。


       總之，我（wǒ）國汙水（shuǐ）處理廠（chǎng）由（yóu）於進水有機物（wù）濃度較低，剩餘汙泥厭氧消化回收有（yǒu）機物能量難以實現汙（wū）水廠的“能量平衡（héng）”，更別提支撐“碳中（zhōng）和”的實現。同時，需要強調的是，剩餘汙泥中蘊藏的“家底”通過厭氧消化來補償一半的運（yùn）行能量消耗是完全可行的。另外，根據我們*近的研究結果（guǒ），厭氧消化並不是回收汙泥中有機能（néng）量（liàng）的*佳（jiā）手段，汙水處理（lǐ）廠應當（dāng）考慮跳過厭氧消化單元，直接將汙泥幹化後進行焚燒（shāo）發電，可進一步（bù）提高有機（jī）能量的回收（shōu）效率。

       2. 汙水廠光伏發電潛能

       光伏發電可回收的能量多少主（zhǔ）要取決於（yú）可用於（yú）安裝光伏板的麵積大小。對於（yú）汙水處理廠來說，各個處理單元的頂部均可用於光伏板（bǎn）的安裝（zhuāng），且麵積較為可觀。為了解我（wǒ）國汙水處理廠設計（jì）規範下可用的光（guāng）伏板（bǎn）安裝麵積，我們總結了處理規模不同的（de）汙水處理廠部分單元構築物的麵積，如表3所示。可知，我國汙水處（chù）理（lǐ）廠處（chù）理單位萬噸汙水對應的（de）主要（yào）構築物的平麵麵積在1147~1576 m2之（zhī）間，平均值（zhí）為1402 m2。由於規模效應的存在，這一（yī）數值是隨著處理水量（liàng）的增大而減少的。


       按照E20-327型光伏板性能、案例汙水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（單板占地麵積為4.65 m2）。如果在案例汙水廠主要構築物平麵（表4）上安裝E20-327型光伏板，可計算得其可回收（shōu）的太陽（yáng）能總量為82725 MJ/d，僅僅能（néng）滿足案例汙水廠運行能耗的10.4%，即（jí）通過光伏發電可獲（huò）取的能量顯得有些“微不足道”！


       3. 汙（wū）水源熱泵能量回收（shōu）潛力

       在我們之前發布的文章中，已多次分享闡述（shù）了汙水（shuǐ）中存在的卻一直以來被忽視（shì）的能量，即熱能。我們的匡算分（fèn）析也已明確，汙水（shuǐ）中的熱能儲量遠高於汙水中的化學（xué）能（有機物能量），實際可回（huí）收熱能為化學能的（de）9倍之多。為更直（zhí）觀的體現汙水中熱能回收的巨大潛力，我（wǒ）們在此也基於案例汙水廠對可回收的熱能（néng）進行了計算。

       北京（jīng）地區汙水廠二級出水在6~9月（yuè）份的平均水溫為23.4~26.5 ℃，比同時（shí）期平均氣溫低4~5 ℃；二級出水（shuǐ）水溫在供暖季（jì）（11月~次年3月）平均在12.9~20.7 ℃，比氣溫高10~20 ℃。這一條件均能（néng）滿足《水源熱泵機組》（GB/T 19409—2003）要求。

       通過計（jì）算可知（表5），水（shuǐ）源熱泵係統每利用1萬噸二級出水的製冷量和製熱量（liàng）分別為1.68×105 MJ和（hé）2.74 MJ，考慮水源熱泵機組自身能耗（通過COP定義（yì）得出），則二級出水在夏（xià）季和冬季淨產能當量分別為14148 kWh/萬m3和23213 kWh/萬m3。由此（cǐ）可知，汙水中的熱能是汙水廠*大的能量（liàng）“家底”。據此匡（kuāng）算，案例汙水廠每天僅利用（yòng）8萬噸二級出水（即13.3%的出水量）作（zuò）為汙水源熱（rè）泵的冷（lěng）、熱（rè）源，就可滿足汙水廠運行能耗的51%（製冷）和83.6%（製熱）。加上（shàng）上述提（tí）及的汙泥厭氧消化和太陽（yáng）能回收，案例汙水廠已可實（shí）現“能量平衡”。


       需要（yào）說明的是，汙水源熱泵所（suǒ）產生（shēng）的冷、熱源一般（bān）均為直接利用，並非是像甲烷一樣用於發電。所以，上述測算（suàn）中所產生的能量中絕大部分還是（shì）要靠輸出廠外供其他商業或民用用（yòng）戶使用，以“碳交易”方式折（shé）算能量與碳（tàn）排放的平衡。

       結語

       我們通過考（kǎo）慮剩餘汙泥能量回收、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貢獻率。結果表明，汙（wū）水源熱泵僅需使用較小的水量（<15%）便可以（yǐ）產生出（chū）至少一半以（yǐ）上的運行能耗，完全可以彌補剩餘汙泥（ní）轉化能源不足形成（chéng）的能（néng）源赤字。相形之下，光伏發電可獲得的能量則顯得有些“微不足道”。由此可知，汙水（shuǐ）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（néng）源和汙水（shuǐ）源熱泵方式（shì）便完全可（kě）以滿足“碳中和（hé）”運行的目標，該研究結論可為我國市政（zhèng）汙水廠想著低碳（tàn）運（yùn）行（háng）方向（xiàng）發展奠定理論基礎。