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污水處理實現“碳中和”技術路徑在哪裏?

時間:2021-06-29 09:14

來源:水業碳中和資訊

作者:郝曉地、劉然彬等

評論(

自我國提出2060年全社會爭取實現“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。對如何實現行業“碳中和”也打上了大大的問號。對於污水處理廠來説,儘管國外已經存在完全實現“能量平衡”或“碳中和”運行的污水處理廠實際案例,但國內依然存在對污水處理廠能否實現“碳中和”的擔憂和質疑。污水處理廠實現碳中和的路徑究竟在哪裏?

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自我國提出2060年全社會爭取實現“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。一方面,這無疑推動了“碳中和”概念和知識的推廣宣傳,大大推動了“碳中和”構建的第一階段目標進程——明晰什麼是“碳中和”,即“知其然”!另一方面,隨着對“碳中和”概念的不斷理解和清晰,對如何實現行業“碳中和”也打上了大大的問號。對於污水處理廠來説,儘管國外已經存在完全實現“能量平衡”或“碳中和”運行的污水處理廠實際案例,但國內依然存在對污水處理廠能否實現“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污水廠的碳排量是實現“碳中和”的主要方式,而這些擔憂和質疑大多聚焦於“污水處理廠真的有那麼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”,只有釐清了污水處理廠可用的“家底”(能量)才能更有信心地朝着“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在2010年就已經對污水處理廠可用的“家底”和能否支撐“碳中和”的實現進行了較為詳細的前瞻性探究,當下對污水處理廠仍然具有非常大的指導意義。因此,本文基於團隊2015年的一項工作,同大家分享並釐清國內污水處理廠實現“碳中和”的可用能量來源以及相應的技術思路。

提到污水中的能量,人們往往首先想到的即是污水中的有機物(COD),而回收這部分能量最簡單的方式就是對污泥實施厭氧消化,產生甲烷後用於熱電聯產,以此減少污水廠對外部能源的需求,繼而間接降低CO2的排放量。理論上講,生活污水中所含的有機物能量可達污水處理消耗能量的9~10倍,這一振奮人心的“家底”能否助力污水廠實現“碳中和”呢?除此之外,污水處理廠生物處理池及初沉池、二沉池等單元具有龐大的表面面積,這似乎為太陽能光伏發電創造了必要的場地條件。如果光伏組件能被巧妙地佈置在這些處理單元上,不僅可以向樓宇屋面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,實現對生物處理的保温作用和臭氣收集。那“太陽能”會成為污水廠實現“碳中和”的實力擔當麼?另外,市政污水本身具有流量穩定、水量充足、帶有餘温等特點。如果向污水處理廠引入水源熱泵技術進行熱能的提取回收,潛力會有多大呢?帶着這些思考和疑問,我們選取了北京某污水處理廠為例,對其廠內這三種“家底”(圖1)的可用潛力進行了匡算分析。

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圖1 污水處理廠三種能量回收路徑

進水有機物能量回收潛力

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,構建了能量平衡模型和分析函數,以評價污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/水質和污泥量/有機質含量共計12個參數。能量相關的過程單元則包括了提升水泵、曝氣系統和厭氧消化池加熱系統導致的能量消耗,以及污泥厭氧消化/熱電聯產產生的能量補償。

表1 污水廠能量衡算模型自變量參數

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模型構建完畢後,我們對案例水廠實際運行的能量狀況進行了評價分析。圖2是案例污水廠的工藝流程和部分點的實測參數,模型匡算結果總結於表2中。由結果可知,經過模型計算得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,但通過污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),這是因為案例污水廠2010年消化池平均進泥量僅為340 m³/d,僅佔設計進泥量的12%,如果按照2010年產氣效率計算,當進泥量達到設計值時,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的。

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圖2 污水廠能量衡算模型自變量參數

表2 案例污水廠每天能量消耗/回收模型核算結果

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編輯:李丹

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