美國碳中和運(yùn)行成功案例——Sheboygan污水處理廠

郝曉地，魏靜, 曹亞莉

(北京建筑大學(xué)北京應(yīng)對(duì)氣候變化研究與人才培養(yǎng)基地，北京100044)

摘要：作為美國碳中和運(yùn)行的榜樣，希博伊根污水處理廠通過開源與節(jié)流并舉的技術(shù)措施不僅向美國而且也向世界展示了其污水處理能耗基本可以實(shí)現(xiàn)自給自足。利用廠外高濃度食品廢物與剩余污泥厭氧共消化產(chǎn)生的高甲烷含量生物氣進(jìn)行熱電聯(lián)產(chǎn)（CHP），可產(chǎn)生較多的電和熱供運(yùn)行使用。通過更新變頻水泵、鼓風(fēng)機(jī)系統(tǒng)、氣流控制閥、加熱設(shè)備以及相關(guān)的自控系統(tǒng)（PLC和SCADA），可以大幅降低運(yùn)行能耗。到2013年，該廠已實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)電量與耗電量比值達(dá)90%~115%、產(chǎn)熱量與耗熱量比值達(dá)85%~90%的佳績，已逼近碳中和運(yùn)行目標(biāo)。在介紹該廠工藝流程的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)剖析該廠在能源開源/節(jié)流、逼近碳中和運(yùn)行目標(biāo)方面的成功經(jīng)驗(yàn)。

傳統(tǒng)的污水處理過程“以能消能、污染轉(zhuǎn)嫁”加劇了溫室氣體的排放。而能源價(jià)格的日趨攀升態(tài)勢(shì)也抬升了污水處理成本。面對(duì)污水這一潛在能源、資源的“聚寶盆”，歐美等國家紛紛提出未來污水處理要走碳中和運(yùn)行之路，美國水環(huán)境研究基金（WERF）更是制定出至2030年美國所有污水處理廠均要實(shí)現(xiàn)碳中和運(yùn)行的目標(biāo)。位于美國威斯康辛州的希博伊根（Sheboygan）污水處理廠很早便認(rèn)識(shí)到了污水處理可持續(xù)性和能源獨(dú)立的重要性，于2002年參與“威斯康辛聚焦能源（Wisconsin Focus on Energy，FOE）”項(xiàng)目，確立了“能源零消耗”的運(yùn)行目標(biāo)和實(shí)施計(jì)劃。

1 工藝概況與處理效果

希博伊根污水處理廠始建于1982年，采用傳統(tǒng)活性污泥法工藝。1997年—1999年該廠進(jìn)行了工藝升級(jí)改造，具體流程見圖1。

圖1 希博伊根污水處理廠工藝流程

2 能源回收與節(jié)能

希博伊根污水處理廠在能源利用上從開源、節(jié)流兩方面入手，具體措施為增加能源回收效率和減少處理工藝能耗，逐步朝著“能源零消耗”的目標(biāo)邁進(jìn)。

在開源方面，希博伊根污水處理廠利用熱電聯(lián)產(chǎn)（CHP）技術(shù)充分利用污泥厭氧消化產(chǎn)生的生物氣體（CH₄）產(chǎn)電、產(chǎn)熱。同時(shí)，通過向剩余污泥中投加高濃度食品廢物（HSW）實(shí)現(xiàn)厭氧共消化，以加大生物氣體產(chǎn)出量（2012年增量達(dá)200%）。

在節(jié)流環(huán)節(jié)，希博伊根污水處理廠自籌資金近110萬美元，更新水泵變頻機(jī)組（節(jié)能20%）、鼓風(fēng)機(jī)系統(tǒng)（節(jié)能13%）、氣流控制閥（節(jié)能17%）、加熱設(shè)備以及相關(guān)的自控系統(tǒng)（PLC和SCADA），最大限度降低污水處理關(guān)鍵設(shè)備的能耗。

通過開源與節(jié)流措施，到2013年希博伊根污水處理廠已實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)電量與耗電量比值達(dá)90%~115%、產(chǎn)熱量與耗熱量值達(dá)85%~90%的佳績，基本接近碳中和運(yùn)行目標(biāo)。其回收能源應(yīng)用流程如圖2所示。

圖2 能源回收并應(yīng)用流程

3 結(jié)語

盡管目前美國絕大多數(shù)污水處理廠都未考慮剩余污泥厭氧消化產(chǎn)甲烷提供能量供其運(yùn)行使用，但美國水環(huán)境研究基金（WERF）已制定出2030年全部污水處理廠要實(shí)現(xiàn)碳中和運(yùn)行目標(biāo)。希博伊根污水處理廠能源使用逼近自給自足的經(jīng)驗(yàn)雖不可復(fù)制，但它向進(jìn)水有機(jī)物濃度較低、剩余污泥產(chǎn)量較少的污水處理廠展示，剩余污泥與其他有機(jī)廢物共消化完全可以彌補(bǔ)污水廠自身有機(jī)能源不足的問題。對(duì)于崇尚“民以食為天”的我國來說，居家有機(jī)垃圾與餐館廚余垃圾完全可以收集后送到污水處理廠與剩余污泥一同共消化，從而實(shí)現(xiàn)我國污水處理廠的碳中和運(yùn)行目標(biāo)。

（本文將發(fā)表于《中國給水排水》雜志2014年第24期“本刊特稿”欄目）

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