目前，我國(guó)污水處理規(guī)模體量巨大、消耗能量多，碳中和(污水處理低碳運(yùn)行與能源消耗自給自足)在未來(lái)污水廠中的運(yùn)行中將成為一大趨勢(shì)，其對(duì)推動(dòng)行業(yè)的綠色發(fā)展具有重大意義。然而，受限于污水行業(yè)技術(shù)水平低等諸多因素限制，我國(guó)目前尚未建成真正意義上的“碳中和”污水廠。

　　研究人員以北京某污水廠為實(shí)例，分析了當(dāng)前主流工藝條件下污泥厭氧、水源熱泵以及太陽(yáng)能利用對(duì)碳中和運(yùn)行的貢獻(xiàn)潛力，認(rèn)為當(dāng)前污泥厭氧能量自給率僅達(dá)53%。

　　污水碳中和運(yùn)行已被推行

　　展望污水處理的未來(lái)前景，多個(gè)國(guó)家已經(jīng)陸續(xù)發(fā)布了污水廠碳中和技術(shù)路線圖。目前，一方面污水處理屬于高耗能行業(yè)，勢(shì)必會(huì)導(dǎo)致較高的碳排放足跡;另一方面，污水中本身蘊(yùn)含較多的能量(有機(jī)物、熱能等)，為實(shí)現(xiàn)污水處理過(guò)程能源自給以及碳中和運(yùn)行提供了客觀基礎(chǔ)。

　　美國(guó)水環(huán)境研究基金(WaterEnvironmentResearchFoundation)提出了2030年美國(guó)所有污水處理廠均要實(shí)現(xiàn)碳中和運(yùn)行的目標(biāo)。歐洲一些國(guó)家也相繼發(fā)布了污水廠能源管理手冊(cè)。在世界范圍內(nèi)，部分污水廠已經(jīng)通過(guò)技術(shù)升級(jí)實(shí)現(xiàn)了能量自給及碳中和運(yùn)行。

　　回收有機(jī)物能量貢獻(xiàn)率僅53%，理想狀態(tài)可達(dá)270%

　　研究人員以北京一座處理規(guī)模為60萬(wàn)噸的污水廠為實(shí)例(AAO工藝)，對(duì)污水廠碳中和運(yùn)行進(jìn)行了潛力分析。

　　當(dāng)前，污水廠實(shí)現(xiàn)碳中和途徑主要有以下3個(gè)途徑：回收污水中有機(jī)物的能量;利用水源熱泵技術(shù)回收污水中熱能;基于目前污水廠一般占地面積較大，沉淀池和曝氣池的表面可以用于鋪設(shè)太陽(yáng)能光伏發(fā)電板，利用太陽(yáng)能發(fā)電。

　　污水中有機(jī)物能量回收，主要依靠污泥的厭氧過(guò)程實(shí)現(xiàn)。在污水處理過(guò)程中，會(huì)產(chǎn)生初沉污泥和二沉污泥，污泥經(jīng)過(guò)厭氧處理產(chǎn)生沼氣，沼氣經(jīng)過(guò)熱電聯(lián)產(chǎn)產(chǎn)生電能和熱能。

　　在“污泥厭氧產(chǎn)沼氣+熱電聯(lián)產(chǎn)”過(guò)程中，產(chǎn)生的電能可以用于補(bǔ)償污水廠的一部分能耗在理想狀態(tài)下，甚至可以實(shí)現(xiàn)碳中和運(yùn)行。

　　模型針對(duì)北京幾個(gè)污水廠的實(shí)際污水水質(zhì)，模擬計(jì)算了“污泥厭氧產(chǎn)沼氣+熱電聯(lián)產(chǎn)”過(guò)程對(duì)水廠總體能源自給的影響，其貢獻(xiàn)值僅為53%。需要強(qiáng)調(diào)的是，如果改進(jìn)工藝，在不考慮設(shè)備引起的能量損失情況下，碳中和率可以達(dá)到270%。

　　理論值和實(shí)際值產(chǎn)生巨大差異說(shuō)明，污水廠碳中和運(yùn)行的潛力有待挖掘，如果提高設(shè)備(提升泵、曝氣泵)效率、優(yōu)化工藝過(guò)程(污泥厭氧產(chǎn)甲烷過(guò)程)，回收污水有機(jī)質(zhì)所蘊(yùn)含的能量很大，碳中和率可以達(dá)到非常理想的狀態(tài)。

　　水源熱泵產(chǎn)生的熱能高，太陽(yáng)能利用亦可直接提供電能回收污水有機(jī)質(zhì)所蘊(yùn)含的能量外，還可以考慮污水熱能和太陽(yáng)能。

　　基于北京地區(qū)污水廠案例研究，北京大部分月份的溫度差能夠滿足水源熱泵技術(shù)的應(yīng)用條件，為利用水源熱泵回收污水熱能提供了基礎(chǔ)。

　　根據(jù)模擬計(jì)算結(jié)果，1噸出水溫度如果降低1℃，水源熱泵回收的熱量若由煤電產(chǎn)生，等效于產(chǎn)生0.26kwh煤電時(shí)的燃煤消耗。經(jīng)過(guò)初步估算，只利用出水量的1/5所回收的能量，足以彌補(bǔ)上述提到的有機(jī)物能量實(shí)際回收不足帶來(lái)的能耗缺口。

　　然而，水源熱泵雖然產(chǎn)生的能量高，但并不能直接產(chǎn)生電能，只是產(chǎn)生熱能，不方便將富裕熱能向周邊供給。比如需要考慮向周邊供給半徑、市政供熱網(wǎng)絡(luò)的互動(dòng)等因素。

　　不過(guò)，太陽(yáng)能的利用可以直接提供電能。根據(jù)北京幾座大型污水廠的情況，每萬(wàn)噸污水處理規(guī)模可供太陽(yáng)能鋪設(shè)的反應(yīng)池表面積在1147m3~1576m3之間。

　　基于商業(yè)化光伏太陽(yáng)能板的產(chǎn)電效率，污水廠太陽(yáng)能利用可以補(bǔ)償10%的能耗損失。但是，其對(duì)碳中和運(yùn)行的貢獻(xiàn)率低于回收污水中有機(jī)物的能量或利用水源熱泵技術(shù)回收污水中熱能。