自我（wǒ）國提出2060年全社會爭取實現“碳（tàn）中和”目標後，各行（háng）各業對“碳中和”的討論持續高漲、熱度不減（jiǎn）。一方麵，這無疑推動了“碳中和”概念（niàn）和知識的推廣宣傳，大大推動了（le）“碳中和”構建的*階段目標進程——明晰什（shí）麽是（shì）“碳中和”，即（jí）“知其然”！另一方麵，隨著對“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。對於汙水（shuǐ）處理廠來（lái）說，盡管國外已經存在完全實現（xiàn）“能量平（píng）衡（héng）”或“碳中和”運行的汙水處理廠實際案例，但國（guó）內依然存在對汙水處理廠（chǎng）能否實現“碳中和（hé）”的擔憂（yōu）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“碳中和”的（de）主要方式，而這些擔憂和質疑大多聚焦於“汙水（shuǐ）處（chù）理廠真（zhēn）的有（yǒu）那（nà）麽多可回（huí）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（wū）水（shuǐ）處理（lǐ）廠可用的“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”團隊負責人郝（hǎo）曉地教授早在2010年就已經對汙水（shuǐ）處理廠可用的“家底”和能否支撐“碳中和（hé）”的實現進行了較為詳細的前瞻性探究，當下對汙水處（chù）理廠仍然具有非常大的指導意義。因（yīn）此，本文基於團隊2015年（nián）的一項工作（zuò），同大家分享並厘清國內（nèi）汙水處（chù）理廠實現“碳中和”的可用能量來源以及相應的技術思路（lù）。

       提到汙水中的能量，人們往往*先想到的即是汙（wū）水中的有機物（COD），而回收這部分（fèn）能量*簡單的方式就是對汙泥實施厭氧消化，產生甲烷後（hòu）用（yòng）於熱電聯（lián）產，以此減少汙水廠對外部能源的（de）需求（qiú），繼而間接降低（dī）CO2的排放量。理論上講，生活汙水中（zhōng）所含的（de）有（yǒu）機物能量可達汙水處理消耗能量的9~10倍（bèi），這一振奮人心的“家底”能否助力汙水（shuǐ）廠實（shí）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（chén）池等單元具有龐大的表麵麵積，這似乎為太陽（yáng）能光伏發電創造了必要的場地條件。如果光伏組件能被（bèi）巧（qiǎo）妙地布置在這些處理單（dān）元（yuán）上，不僅可以向樓宇屋麵（miàn）一樣實現太陽能發電，而且還（hái）能在冬季時利用光伏板來覆蓋這（zhè）些處理單元，實現對生物（wù）處理的保溫作用和臭氣收集。那“太陽能”會成為汙水（shuǐ）廠實現“碳中和（hé）”的實力擔當（dāng）麽？另（lìng）外，市政汙水本（běn）身具有流量穩定、水（shuǐ）量充足（zú）、帶有餘溫等特點。如（rú）果向汙水處理廠引入（rù）水源熱泵技術進行熱能的提取（qǔ）回收，潛力會有多大呢？帶著這些思考和疑問（wèn），我們選取了北京某汙水處理廠為例，對其廠內這三種“家（jiā）底”（圖1）的可用潛力進行了匡算分析。


       1. 進水有機物能量（liàng）回收潛力

       為匡（kuāng）算進水中有（yǒu）機物濃度與通過厭氧消化可回收的有機物能量（liàng），我們以物料（liào）平衡為基礎，將水質（zhì）與能量指標進行耦合，構建了能量平衡模型和分（fèn）析函（hán）數，以評價汙水處理廠能（néng）量消耗與（yǔ）回收之間（jiān）的平衡情況。模型（xíng）的輸入變量如表1所示，包括進（jìn）出水水量（liàng）/水質和汙泥量/有機質（zhì）含量共計12個（gè）參數。能量相關的過程（chéng）單元則（zé）包括了提升水泵（bèng）、曝氣係統和厭氧消化池加熱係統導（dǎo）致的能量消耗（hào），以（yǐ）及汙泥（ní）厭氧消化/熱電（diàn）聯產產生的能量（liàng）補償。


       模型構（gòu）建完畢後，我們對案例水廠（chǎng）實際運行的能量狀況進行了評價分析。圖（tú）2是案（àn）例汙水廠的工藝流程和部分點的實測（cè）參數，模型匡算結果總結於表2中。由結果可知，經過模型計（jì）算得到的提升泵（bèng）和鼓（gǔ）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（cè）數值（107142 MJ），這是因為案例汙水廠2010年消（xiāo）化池平均進（jìn）泥量僅為340 m3/d，僅占設計進泥量的（de）12%，如果按照2010年產氣（qì）效率計算，當進泥量（liàng）達到設計值（zhí）時，甲烷產量與模型（xíng）計算（suàn）結果也近乎一（yī）致。可見，本研究構建的模型計算結果是可信（xìn）的。


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

       另外（wài），從（cóng）所構（gòu）建的模型來（lái）看，汙泥厭氧消化回收汙水中有機物能量的多（duō）寡完全取（qǔ）決於進（jìn）水中（zhōng）的（de）有機物濃度，即進水COD濃度越高，可回收（shōu）的有機（jī）物能量潛力便越（yuè）大。繼而我們利（lì）用所構建模型針對不同的（de）進水COD濃度進行了能量（liàng）核算，結果如圖3所示。在我國汙水處理廠平均進水COD濃度（dù）水平（283 mg/L），通過汙（wū）泥厭氧消化能（néng）量回收隻能實現約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），則回收的能量可以補償（cháng）總（zǒng）能耗的（de）68.9%。


       總之，我國（guó）汙水處理廠由於（yú）進水有機物濃度較低，剩餘汙泥（ní）厭氧消化（huà）回（huí）收有機物能（néng）量難以實現汙水廠的“能量平衡”，更別（bié）提（tí）支撐“碳中和”的實現。同時，需要強（qiáng）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行能量消耗是完全可行的。另外，根據我們*近的研究結果，厭氧消化並不（bú）是回收汙泥中有機能量的*佳手段，汙水處理（lǐ）廠應當考慮跳（tiào）過厭氧消化單元，直接將汙泥幹化後進行焚（fén）燒發電，可進一步提高有（yǒu）機（jī）能量的回收效率。

       2. 汙水廠（chǎng）光伏發電潛能

       光伏發（fā）電可回（huí）收（shōu）的能量（liàng）多少（shǎo）主要（yào）取決於可用於安裝光伏板的麵積大小。對於汙水處理廠來（lái）說，各個處理單元的頂部均可用於（yú）光伏板的安裝，且麵積較為可觀。為了解我國（guó）汙（wū）水處理廠設計規範下可用的（de）光伏（fú）板安裝（zhuāng）麵積，我們總結了處理規模不同的汙（wū）水處理廠部分單（dān）元構（gòu）築物（wù）的麵積，如表3所示。可知，我國汙水（shuǐ）處理廠處理單位萬噸汙水對應的主要構築物的平麵（miàn）麵積在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（zhe）處理水量的增（zēng）大而減少的。


       按照（zhào）E20-327型光（guāng）伏板性能、案（àn）例汙水廠所在地的光照條件，單塊光伏板每天產（chǎn）生的能量約為（wéi）1.09 kWh（單板占地麵積為4.65 m2）。如果在（zài）案例汙水廠主要構（gòu）築物平麵（表4）上安（ān）裝E20-327型光伏板，可計（jì）算得其可回收的太陽能總量（liàng）為82725 MJ/d，僅僅能滿足案例汙水（shuǐ）廠運行能耗的10.4%，即通過光（guāng）伏發電可獲取的能量顯得有些“微不足道”！


       3. 汙水源熱泵能量回收（shōu）潛力

       在我們之（zhī）前發布的文章中，已多次分享闡述了（le）汙水中存在的卻一直以來被（bèi）忽視（shì）的能量，即熱能。我（wǒ）們的匡算分析也已明確，汙水中的熱能儲量（liàng）遠高於汙水中的（de）化學能（有機物能量），實際可回收熱能為化學能的9倍（bèi）之多（duō）。為（wéi）更直觀的體現汙水中（zhōng）熱能（néng）回收的巨大潛（qián）力，我們在此也基於案例（lì）汙水廠對可回收的熱（rè）能進行（háng）了計算。

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

       通過（guò）計算可知（表5），水源（yuán）熱泵係統每利用（yòng）1萬噸二級出水的製冷量和製熱量分別為1.68×105 MJ和2.74 MJ，考慮水源熱泵機組自身能耗（通過COP定義得出），則二級出（chū）水在夏季（jì）和冬季淨產能當量分別為14148 kWh/萬m3和23213 kWh/萬m3。由（yóu）此（cǐ）可知，汙（wū）水中的熱能是（shì）汙水廠*大的能量“家（jiā）底”。據（jù）此匡算，案例汙水廠每天僅利用8萬噸二（èr）級出水（即13.3%的出水量）作為汙（wū）水源熱泵的冷、熱源，就可滿足汙水廠運行能（néng）耗的51%（製冷）和83.6%（製（zhì）熱（rè））。加上上述提及的汙泥厭（yàn）氧消化和太陽能回收，案例汙水廠已可實現“能量平衡”。


       需要說明的是（shì），汙水源熱泵（bèng）所產生的（de）冷、熱（rè）源一般均為直接利用，並非是像甲烷一樣用於發電（diàn）。所以，上述測算中所產生的能量中絕大部分還（hái）是（shì）要靠輸出廠外供其他商業或民（mín）用用戶使用，以“碳交易”方式折算能量與碳排放的平衡（héng）。

       結語

       我們通過考慮剩餘汙泥能量回收、光伏發電和水源熱泵能量（liàng）回收，分別核（hé）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（shuǐ）量（<15%）便可以產生出至少一半以上的運行能耗，完全可以彌（mí）補剩餘汙泥轉化能源不足形成的能源赤字。相形之下，光伏發電可獲得的能量則顯得有些“微不（bú）足道”。由此可知，汙水（shuǐ）熱能（néng）才是汙水處理廠實現“碳中和”的實力擔當。總（zǒng）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源熱泵方式便完（wán）全可以滿（mǎn）足“碳中（zhōng）和”運行的目標（biāo），該研究結論可為（wéi）我國市政汙（wū）水廠想著低碳運行方（fāng）向發展（zhǎn）奠定理（lǐ）論基礎。