自我（wǒ）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（de）討論持續高漲（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，大（dà）大推動了“碳中（zhōng）和”構建的*階段目標（biāo）進程——明晰什麽是“碳中和”，即“知其然”！另一方麵，隨著對“碳中（zhōng）和”概念的不斷理解和（hé）清晰，對如何實現（xiàn）行業“碳中和”也打上了（le）大大的問號。對於汙水處理廠來說，盡（jìn）管國外已經存在完全實現“能（néng）量平衡”或“碳中和（hé）”運行的汙水處理廠實際案例，但國內依然（rán）存在對汙水處理（lǐ）廠能否實現（xiàn）“碳中和”的（de）擔（dān）憂和質疑（yí）。從技術角度講，通（tōng）過能量回收直接反哺或間接補償汙水廠的碳（tàn）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“汙（wū）水處（chù）理廠真的有那麽多可回收能量去實（shí）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（lǐ）廠可用的“家底”（能量）才（cái）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（jiù）已經對汙水處理廠（chǎng）可用的“家底”和能否支撐（chēng）“碳中和（hé）”的實現進行了較為詳細的（de）前瞻性（xìng）探究，當下對汙水處理廠仍然具（jù）有非常大的指導意義。因此，本文基於團隊2015年的一項工作，同大家分享並厘清國（guó）內汙水處理廠實現“碳中和”的可用能量（liàng）來源以及相應的技（jì）術思（sī）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（wù）（COD），而回（huí）收這部分能量*簡單的方式（shì）就是對汙泥實施厭氧消化，產生甲烷後用於熱電聯（lián）產，以此減少汙水廠對外部（bù）能源的需求，繼而間接降低CO2的排放量。理論上（shàng）講，生（shēng）活汙水中所含的有機（jī）物能量可達汙水處理消（xiāo）耗能量的9~10倍，這一振奮人心的“家底（dǐ）”能否（fǒu）助力汙水廠實現“碳中和”呢？除此之外，汙水處理廠生（shēng）物（wù）處理池及初沉池、二沉池等單元具有龐大的表麵麵積，這似乎為太陽能光伏發（fā）電創造了必要的場地條件。如果光伏組件能被巧妙地布置在（zài）這些（xiē）處理單元上，不僅可以向樓宇屋麵一樣實現太（tài）陽能發電，而且還能（néng）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（de）保溫作用和臭（chòu）氣收集。那“太陽能”會成為汙水廠實現“碳中和”的實力擔當麽？另外（wài），市政汙水（shuǐ）本（běn）身具有（yǒu）流量穩（wěn）定、水量充足、帶有餘溫等特點。如（rú）果向汙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？帶著這些（xiē）思考和疑問，我們（men）選（xuǎn）取了北京某（mǒu）汙水處理廠為例，對其廠內這三種“家底”（圖1）的可用潛力進行了匡算（suàn）分析。


       1. 進水有機物能量回（huí）收潛力

       為匡算進水中有機物濃（nóng）度與通過厭氧消化可回收的有（yǒu）機物（wù）能量，我們以物（wù）料平衡為基（jī）礎，將水質與能量指標進行耦合，構建（jiàn）了能量（liàng）平衡模型和分析函數，以（yǐ）評價汙水（shuǐ）處（chù）理廠能量消耗與回收之間的平衡（héng）情況。模型的輸入變量如（rú）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（néng）量相關的過程單元（yuán）則包括了提升水泵、曝氣係統（tǒng）和厭氧消化池（chí）加（jiā）熱係統（tǒng）導致的能量消耗，以及汙泥厭氧消化/熱電聯產產生的能量補償。


       模型構建完畢後（hòu），我們對案例（lì）水廠實際運行（háng）的能量（liàng）狀況進行了評價分析。圖2是案例汙水廠的工藝流程（chéng）和部分點的實測參數，模型匡算結果總結（jié）於表2中（zhōng）。由結果可知，經過模型計算得到的（de）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（zhè）是因為案例汙水廠2010年消化池平均進（jìn）泥量僅（jǐn）為340 m3/d，僅占設計進泥量的12%，如果按照2010年產氣效率計算，當進泥量達到設（shè）計值時，甲（jiǎ）烷產量與（yǔ）模型計算結果（guǒ）也近乎一致（zhì）。可（kě）見，本研（yán）究構建的模型計算結果（guǒ）是可信的。


       從*終的能（néng）量匡算結果來看，此案例汙水廠從剩餘汙泥（ní）回（huí）收的能量可以提供能耗總（zǒng）量的53.2%，也就是（shì）說案例汙水廠如果僅僅依賴汙水中的有機物通過（guò）厭氧消化回收能量，距“能量（liàng）平衡”目（mù）標（biāo）尚且有一半的差距。

       另外，從所構建的模型來看，汙（wū）泥厭氧消化回收汙水（shuǐ）中有機物能量的多寡完全取（qǔ）決於進水中的有機（jī）物濃度，即進水COD濃度越高，可回收的有機物能量潛力便（biàn）越大。繼而我們利用所構建模型針對（duì）不同的進水COD濃度進行了能量核算，結果如圖（tú）3所示。在我國汙水處理廠平（píng）均進水COD濃度（dù）水平（283 mg/L），通過汙泥厭氧消（xiāo）化能量（liàng）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（shí）（歐洲平均水平），則回收的能量可以補償（cháng）總能耗（hào）的68.9%。


       總之，我（wǒ）國汙（wū）水處理廠（chǎng）由於進水（shuǐ）有機物濃度較低，剩（shèng）餘汙泥厭氧消（xiāo）化回收有機物能量難以實現汙水廠的“能量平衡”，更（gèng）別提支撐“碳中和”的實現。同時，需要（yào）強調的（de）是，剩餘汙（wū）泥中蘊藏的“家底”通過厭（yàn）氧消化來補償一半的運行（háng）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（xiāo）化並不是回（huí）收（shōu）汙泥中有機能量的*佳手段，汙水處理廠（chǎng）應當（dāng）考慮跳過厭氧消化單（dān）元，直接將汙泥幹化後進行焚燒發電，可進一步提（tí）高有機能量的回收效率（lǜ）。

       2. 汙水廠光伏發電潛（qián）能

       光（guāng）伏發電可（kě）回收的能量多少主要取決（jué）於可用於安裝光伏板（bǎn）的（de）麵（miàn）積大（dà）小。對（duì）於汙水處理廠來說，各個處理單元的頂部均可用（yòng）於（yú）光伏板的安裝，且麵積較為可觀。為了（le）解我國汙水處理廠設計規（guī）範下可（kě）用的光伏板安（ān）裝麵積，我們總結了處理規模不同的汙（wū）水處理廠部分單（dān）元構築物的麵積，如表3所示。可知，我國汙水處理（lǐ）廠處理單位（wèi）萬（wàn）噸汙水對應的（de）主要構築物的平麵麵積在1147~1576 m2之間，平均值為1402 m2。由於規模效應的存在，這一數值是隨著處理水量的增大而減少的（de）。


       按照E20-327型光伏板性能、案（àn）例汙水廠所在地的光照條件，單塊光伏板（bǎn）每（měi）天產生的能量約為1.09 kWh（單板占地（dì）麵積為4.65 m2）。如果在案例汙水廠（chǎng）主要構築物平麵（表（biǎo）4）上安裝E20-327型光（guāng）伏板，可計算得其可回收的太陽能總量為（wéi）82725 MJ/d，僅僅能滿足案例汙水廠運行能耗（hào）的10.4%，即（jí）通過光伏發電（diàn）可（kě）獲取的能量顯（xiǎn）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中，已多次（cì）分享闡述了汙水中存在的卻一（yī）直（zhí）以來被忽視的能量，即熱能。我（wǒ）們（men）的匡（kuāng）算分析也已明確，汙水中的熱能儲量遠高於汙水中的化學能（néng）（有機物能量），實際可回收熱能為（wéi）化學能的（de）9倍之多。為（wéi）更直觀（guān）的體現汙水中熱能回（huí）收的巨大潛力，我們（men）在此也基於案例汙水廠對可回（huí）收的熱能進行（háng）了計算。

       北京地區汙水（shuǐ）廠二級出水在6~9月份的平均水溫為23.4~26.5 ℃，比同（tóng）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 ℃，比氣溫高10~20 ℃。這一條件均能滿（mǎn）足（zú）《水源熱泵機組》（GB/T 19409—2003）要求。

       通過計算（suàn）可知（表5），水（shuǐ）源熱泵係統每（měi）利用1萬噸二級（jí）出水（shuǐ）的（de）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（jī）組自身能耗（通過COP定義得出），則二級出水在夏季（jì）和冬季淨產能當量分別為14148 kWh/萬m3和23213 kWh/萬m3。由此可知，汙水中的熱能是（shì）汙水廠*大的能（néng）量“家底”。據此匡算（suàn），案例（lì）汙水（shuǐ）廠每天（tiān）僅利用8萬噸二級出水（即13.3%的出水量）作為汙水源熱泵的冷、熱源，就可滿足汙水（shuǐ）廠運行能耗的51%（製冷）和83.6%（製熱（rè））。加上上述提及的汙泥（ní）厭氧消（xiāo）化和太陽能回（huí）收，案例汙水廠已可實現“能量（liàng）平衡”。


       需要說明的是（shì），汙水源熱泵所產生的冷、熱源一般均為直接（jiē）利用（yòng），並非是像甲（jiǎ）烷一樣用於發電。所以，上述測算中所產生的能量中絕大部分還是要靠（kào）輸（shū）出（chū）廠外供其他（tā）商業或民用用戶使用，以“碳交易”方（fāng）式折算能量與碳排放的平衡。

       結語

       我們（men）通（tōng）過考慮剩餘汙泥能量回收、光伏發電和水源熱（rè）泵能量回收，分別核算出（chū）各自能量回收方式對（duì）運行能（néng）耗的貢（gòng）獻率。結（jié）果表明，汙水源熱泵僅需使用較小的水量（<15%）便可以產生出至少一半以上的運行能耗（hào），完全可以彌補剩餘汙泥轉化能（néng）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（dé）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（zhèng）汙水處（chù）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全可以滿足“碳中和”運行的目標，該研究結（jié）論可為（wéi）我國市政汙水廠想著低碳運行方向發展奠定理論基礎。