污水廠碳中和運行潛力及能源利用技術

蘇書宇 郭靖東

摘要：污水廠作為高能耗、高碳排放產(chǎn)業(yè)的同時，也是潛在的能源工廠，其節(jié)能減排、資源回收的潛力逐漸受到了世界各國學者的關注。文章對污水處理流程的產(chǎn)物如何變廢為寶，分別從污泥、污水、自然能源的利用三個方面進行介紹。

關鍵詞：污水廠；碳中和；污泥；污水；自然能源

人們通常將目光集中于建筑業(yè)、運輸業(yè)和發(fā)電站的碳排放，然而，污水處理廠也是一種高碳排放的產(chǎn)業(yè)，但同時它也是潛在的能源工廠，如污水的余熱、污泥厭氧消化產(chǎn)生的沼氣、可回用的中水、污水廠出水的水力等等，這些可觀的可回收資源成為了污水廠實現(xiàn)碳中和運行的客觀條件，也為各國學者提供了明確的研究方向。根據(jù)能量來源的不同，可以將污水廠能源利用技術大體分為3種，即污泥的利用、污水的利用以及自然能源的利用。

1 污泥的資源化利用

在我國，活性污泥法是常見的污水處理方式，隨之而來的則是大量污泥的產(chǎn)生，據(jù)估計，到2020年我國的污泥產(chǎn)量將突破6000萬t。[1]污泥中含有機物的含量較高，可以產(chǎn)生沼氣、生物燃料（氫氣、合成氣、生物柴油等）。沼氣是污泥厭氧消化的必然產(chǎn)物，也是一種燃燒熱較高的清潔能源，其熱值為8.4×104kJ/kg，在燃燒時可以同時提供電能和熱能。奧地利的Strass污水廠，早在2005年就實現(xiàn)了碳中和的運行目標，污水廠采用的AB工藝，74.3%的進水COD以剩余污泥的形式進入污泥處理單元，有良好的產(chǎn)氣潛力，產(chǎn)出的甲烷氣體用于熱電聯(lián)產(chǎn)。2008年起，該廠又通過廚余垃圾與污泥的共消化進一步提升產(chǎn)氣量，能量補償率達到了123%，2009年又提升至144%，直至2014年已接近200%，不僅可以滿足自身的電能需求，還能對外輸出以獲得一定的經(jīng)濟效益。[2]

污泥焚燒也是一種常見的污泥處置方式，而污泥的直接焚燒能耗較大，并伴隨有害氣體的產(chǎn)生，因此當前的研究多集中于污泥協(xié)同焚燒并從中回收電能和熱能。

從污泥消化上清液或污泥焚燒灰分中回收磷元素也是常用的能源回收方法，其中化學沉淀法中的鳥糞石沉淀法，工藝過程簡單，工程應用案例較多，將沉淀下來的鳥糞石經(jīng)洗滌分離、脫水干化后可獲得優(yōu)質(zhì)的磷肥。

2 污水的資源化利用

污水的資源化利用可以分為污水的余熱利用、污水的水力利用和污水再生回用。

污水中蘊含著相當可觀的熱量，這部分熱量可以通過污水源熱泵技術對其進行收集和傳輸，為廠區(qū)甚至水廠周邊生活區(qū)進行供暖或者制冷，有著非常大的碳補償潛力。污水源熱泵的合理應用將帶來可觀的CO2排放消減量，周志平通過對長沙市污水中可利用的能量的計算分析，發(fā)現(xiàn)若按照利用 60%的城市污水來計算，在制冷情況下CO2的削減量達到 111463.8 kg/d；在供熱情況下，削減量達到 287 846 kg/d。[3]

污水廠出水的水力，可以通過在管道內(nèi)設置渦輪機進行發(fā)電，在獲得電能的同時又可以增加水中的溶解氧，但是這種方法需要污水廠出水具有較大的動能以帶動渦輪機，否則會大大提升投資成本。

污水再生回用是通過將處理后的污水進行再生，并在農(nóng)田及景觀灌溉、工業(yè)生產(chǎn)、沖廁以及地表水補充等領域進行循環(huán)利用。

3 自然能源的利用

由于污水廠處理構筑物占地面積較大，廠區(qū)內(nèi)地勢大多平坦開闊，因此一些水廠也嘗試利用自然能源進行發(fā)電如風力發(fā)電和太陽能發(fā)電，來彌補自身的能源消耗。如北京良鄉(xiāng)衛(wèi)星城污水廠的光伏建筑太陽能一體化電站，峰值容量為674kW，運行兩個月來的日均發(fā)電量為1450kW·h左右，折合處理每1萬m3的污水可發(fā)電362.5kW·h左右。[4]

自然能源在污水廠利用由于種種限制條件，碳補償能力與污泥、污水相比顯得有些微不足道，因此大多數(shù)污水廠還是在污泥、污水上尋求碳中和運行道路。郝曉地等[5]計算了北京某污水廠三種能源回收方法（沼氣熱電聯(lián)產(chǎn)、污水源熱泵、光伏發(fā)電）的能源補給潛力，分別為53%、51%（制冷）/83%（制熱）、10.4%，可見僅靠污泥和污水中可回收利用的能量即可實現(xiàn)至少106%的能源補給率，完全可以實現(xiàn)碳中和的運行目標。

4 結語

隨著人們對碳減排必要性的認識，碳中和運行已經(jīng)成為了污水廠未來發(fā)展趨勢。污水廠利用自然能源受到種種限制，大多數(shù)污水廠在污泥、污水上尋找碳中和運行道路。能源回收手段的研究還應繼續(xù)深化、發(fā)展。

參考文獻：

[1]戴曉虎.我國城鎮(zhèn)污泥處理處置現(xiàn)狀及思考[J].給水排水，2012（02）：15.

[2]郝曉地，程慧芹，胡沅勝.碳中和運行的國際先驅(qū)奧地利Strass污水廠案例剖析[J].中國給水排水，2014（22）：15.

[3]周志平，李念平.污水源熱泵系統(tǒng)應用的節(jié)能減排分析[J].建筑節(jié)能，2012，40（6）：4649.

[4]孫波，郭大力，劉運北北京良鄉(xiāng)衛(wèi)星城污水處理廠光電建筑示范[J].建設科技，2012，（05）：6668.

[5]郝曉地，黃鑫，劉高杰，等.污水處理“碳中和”運行能耗赤字來源及潛能測算[J].中國給水排水，2014（20）：16.

作者簡介：蘇書宇（1992），女，蒙古族，遼寧人， 碩士，研究方向：污水處理。