現(xiàn)階段我國污水處理規(guī)模體量巨大，碳中和在未來污水廠中的運(yùn)行中必將成為一大趨勢，其對推動行業(yè)乃至社會的綠色發(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，我國目前尚未建成真正意義上的“碳中和”污水廠。

本次推薦的參考文獻(xiàn)是以北京某污水廠為實例，從理論上分析了當(dāng)前AAO工藝條件下污泥厭氧、水源熱泵以及太陽能利用對碳中和運(yùn)行的貢獻(xiàn)潛力，并得出污泥厭氧能量自給率僅達(dá)53%的結(jié)論。

在我國污水有機(jī)物含量低不利于能量回收的情況下，如何制定碳中和發(fā)展之路?值得深思。摒棄AAO工藝，利用碳源濃縮技術(shù)、主流Anammox技術(shù)以及高效厭氧技術(shù)，組建低能耗、高能源回收的新型污水處理工藝或許是未來的解決途徑之一。

在全球溫室效應(yīng)及氣候變化背景下，污水廠污水處理碳中和將會是未來污水處理行業(yè)的發(fā)展趨勢。

目前，一方面污水處理屬于高耗能行業(yè)，勢必會導(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)，為實現(xiàn)污水處理過程能源自給及碳中和運(yùn)行提供了客觀基礎(chǔ)。展望污水處理的未來前景，多個國家已經(jīng)陸續(xù)發(fā)布了污水廠碳中和技術(shù)路線圖。

美國水環(huán)境研究基金(Water Environment Research Foundation)提出了2030年美國所有污水處理廠均要實現(xiàn)碳中和運(yùn)行的目標(biāo)。歐洲一些國家也相繼發(fā)布了污水廠能源管理手冊。在世界范圍內(nèi)，部分污水廠已經(jīng)通過技術(shù)升級實現(xiàn)了能量自給及碳中和運(yùn)行(表1)

表1 目前國際上實現(xiàn)能量自給/碳中和的污水廠案例

研究人員以北京一座處理規(guī)模為60萬噸的污水廠為實例(AAO工藝)，對污水廠碳中和運(yùn)行進(jìn)行了潛力分析。研究人員主要從以下三個角度，考慮了污水廠實現(xiàn)碳中和的途徑。

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)太陽能光伏發(fā)電板，利用太陽能發(fā)電。

污水中有機(jī)物能量回收主要依靠針對污泥的厭氧過程實現(xiàn)。污水處理過程中會產(chǎn)生初沉污泥和二沉污泥，污泥經(jīng)過厭氧處理(Anaerobic digestion, AD)產(chǎn)生沼氣，沼氣經(jīng)過熱電聯(lián)產(chǎn)(CombinedHeat and Power, CHP)產(chǎn)生電能和熱能。

“污泥厭氧產(chǎn)沼氣+熱電聯(lián)產(chǎn)”AD-CHP過程中產(chǎn)生的電能可以用于補(bǔ)償污水廠的能耗，從而降低污水廠的碳足跡排放，甚至實現(xiàn)碳中和運(yùn)行。

 目前，我國污水處理規(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）在未來污水廠中的運(yùn)行中將成為一大趨勢，其對推動行業(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、水源熱泵以及太陽能利用對碳中和運(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)行已被國際推行

展望污水處理的未來前景，多個國家已經(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)，勢必會導(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），為實現(xiàn)污水處理過程能源自給以及碳中和運(yùn)行提供了客觀基礎(chǔ)。

美國水環(huán)境研究基金(WaterEnvironmentResearchFoundation)提出了2030年美國所有污水處理廠均要實現(xiàn)碳中和運(yùn)行的目標(biāo)。歐洲一些國家也相繼發(fā)布了污水廠能源管理手冊。在世界范圍內(nèi)，部分污水廠已經(jīng)通過技術(shù)升級實現(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60萬噸的污水廠為實例(AAO工藝)，對污水廠碳中和運(yùn)行進(jìn)行了潛力分析。

當(dāng)前，污水廠實現(xiàn)碳中和途徑主要有以下3個途徑：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)太陽能光伏發(fā)電板，利用太陽能發(fā)電。

污水中有機(jī)物能量回收，主要依靠污泥的厭氧過程實現(xiàn)。在污水處理過程中，會產(chǎn)生初沉污泥和二沉污泥，污泥經(jīng)過厭氧處理產(chǎn)生沼氣，沼氣經(jīng)過熱電聯(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，甚至可以實現(xiàn)碳中和運(yùn)行。

模型針對北京幾個污水廠的實際污水水質(zhì)，模擬計算了“污泥厭氧產(chǎn)沼氣+熱電聯(lián)產(chǎn)”過程對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%。

理論值和實際值產(chǎn)生巨大差異說明，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)化工藝過程（污泥厭氧產(chǎn)甲烷過程），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煤電時的燃煤消耗。經(jīng)過初步估算，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)物能量實際回收不足帶來的能耗缺口。

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)的互動等因素。

不過，太陽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，每萬噸污水處理規(guī)�？晒┨�陽能鋪設(shè)的反應(yīng)池表面積在1147m3~1576m3之間。

基于商業(yè)化光伏太陽能板的產(chǎn)電效率，污水廠太陽能利用可以補(bǔ)償10%的能耗損失。但是，其對碳中和運(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。

作者系中宜環(huán)科環(huán)保產(chǎn)業(yè)研究院研究員清華大學(xué)環(huán)境學(xué)院博士

相關(guān)鏈接

北控清潔能源拓展“光伏+污水廠”

日前，北控水務(wù)參與投資的北控清潔能源擬以每股0.17港元（單位下同）向啟迪科創(chuàng)有限公司發(fā)行40.45億股新股。所得款項凈額6.87億元，用于開發(fā)其光伏發(fā)電相關(guān)業(yè)務(wù)及作一般營運(yùn)資金用途。

公告顯示，啟迪控股及其關(guān)聯(lián)企業(yè)的水廠數(shù)量達(dá)到158家，設(shè)計規(guī)模近600萬噸╱日水處理量。同時，啟迪控股將在各地科技園、產(chǎn)業(yè)園、孵化器屋頂建立分布式光伏發(fā)電站。因而，未來北控清潔能源與啟迪控股將在分布式資源上形成優(yōu)勢互補(bǔ)、協(xié)同發(fā)展。

據(jù)悉，在今年5月，北控水務(wù)就曾聯(lián)手北控清潔能源，擬在全國300多座污水廠中建分布式光伏電站。電站建設(shè)完成且相關(guān)條件達(dá)成后，北控清潔能源將向北控水務(wù)集團(tuán)出售電能，打開了“光伏+污水廠”的合作新模式。而此次與啟迪合作，或可看成是在此模式基礎(chǔ)上的新的拓展。

 就在我們將目光的注意力集中在厭氧氨氧化和好氧顆粒污泥之際，很多人忘記了前幾年業(yè)內(nèi)非常熱衷的MFC技術(shù)已經(jīng)取得了一定規(guī)模的中試。污水處理觀察微信公眾號注意到，日前，在美國波士頓坎布瑞恩創(chuàng)新中心的微生物燃料電池（MFC）的中試規(guī)模達(dá)到了2.25噸，可以生產(chǎn)出清潔的出水，供15人使用，并且MFC自身產(chǎn)生電能驅(qū)動中試裝置的運(yùn)行，產(chǎn)生的電能還略有盈余。

這是一個很了不起的突破，這對于傳統(tǒng)污水處理行業(yè)是一個絕對的好消息，污水處理行業(yè)耗能巨大，僅在美國污水處理行業(yè)的能耗就在全國總能耗的約1.5%，如果能夠?qū)崿F(xiàn)污水處理的完全能量自給，會對行業(yè)及社會產(chǎn)生深刻的影響。

其他研究MFC的團(tuán)隊也在突破規(guī)模的放大，加州圣迭戈的J.CraigVenter研究中心的規(guī)模達(dá)到了630升，處理的養(yǎng)豬廢水。該中心還在墨西哥籌劃一個更大規(guī)模的中試MFC，研究人員稱在未來三五年內(nèi)實現(xiàn)商業(yè)化。而坎布瑞恩中心則希望MFC能進(jìn)一步放大到每天20噸的規(guī)模。

美國賓夕法尼亞州立大學(xué)環(huán)境工程系教授BruceLogan是MFC領(lǐng)域的國際權(quán)威，他曾經(jīng)估計微生物燃料電池實現(xiàn)工業(yè)應(yīng)用需5~10年。但目前一些中試規(guī)模的放大似乎在小型分散式的污水處理站有了用武之地。

相比較于國外同行在不斷追求規(guī)模的放大和成本的降低，筆者接觸過一位中國的同行，中國的同行似乎更在意機(jī)理的研究，這也許對發(fā)表文章很有用。東西方理念的差別，也造成這一技術(shù)在各國的不同發(fā)展局面。