污水潛能開(kāi)發(fā)，看看國(guó)外怎么做！
導(dǎo)讀
污水中含有大量化學(xué)能（COD）和熱能（余溫），其潛在含能值可達(dá)污水處理運(yùn)行所消耗能量的9~10倍。轉(zhuǎn)化污水化學(xué)能和熱能其實(shí)可采用常規(guī)技術(shù)，傳統(tǒng)污泥厭氧消化和水源熱泵技術(shù)即可奏效。然而，看似簡(jiǎn)單而又成熟的厭氧消化與水源熱泵技術(shù)在我國(guó)污水處理行業(yè)應(yīng)用十分有限，并不普及。究其原因，技術(shù)顯然不是首要因素，政府管理層面意識(shí)和認(rèn)識(shí)滯后乃主要瓶頸，缺乏有效的政策/法律、經(jīng)濟(jì)補(bǔ)貼措施制約了對(duì)污水潛能的開(kāi)發(fā)與利用。在這一問(wèn)題上，歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家或區(qū)域組織的作法與經(jīng)驗(yàn)值（如政策制定、法律形成、經(jīng)濟(jì)補(bǔ)貼、稅收減免、市場(chǎng)調(diào)節(jié)等環(huán)節(jié)）得學(xué)習(xí)和借鑒。
作者簡(jiǎn)介：郝曉地（1960-），男，山西柳林人，教授，從事市政與環(huán)境工程專(zhuān)業(yè)教學(xué)與科研工作；主要研究方向?yàn)槲鬯锩摰准夹g(shù)、污水處理數(shù)學(xué)模擬技術(shù)、可持續(xù)環(huán)境生物技術(shù)�，F(xiàn)為國(guó)際水協(xié)期刊《WaterResearch》區(qū)域主編（Editor）。
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國(guó)內(nèi)概況
我國(guó)對(duì)污水潛能開(kāi)發(fā)、利用起步較晚，但技術(shù)發(fā)展已經(jīng)相對(duì)成熟，也曾出臺(tái)過(guò)一些政策、法規(guī)。但至今為止，污水潛能利用并不普及，污水源熱泵多用作示范，剩余污泥仍以填埋為主。盡管政府層面口頭、甚至?xí)嬷С�，但污水潛能開(kāi)發(fā)進(jìn)程步履蹣跚，污水處理廠(chǎng)多擔(dān)心“買(mǎi)豆腐花了肉價(jià)錢(qián)”而沒(méi)有主動(dòng)去發(fā)掘污水潛能。即使一些利用政府補(bǔ)貼建成的能量回收示范項(xiàng)目（污水源熱泵、污泥厭氧消化）也常因運(yùn)行費(fèi)用無(wú)法維持而“半途而廢”。
我國(guó)盡管已出臺(tái)一些相關(guān)政策、法規(guī)，例如，2005年頒布的《可再生能源法》、2008年發(fā)布的《城市污水處理廠(chǎng)污水污泥處理處置最佳可行技術(shù)導(dǎo)則》征求意見(jiàn)稿）、2010年2月發(fā)布的《城鎮(zhèn)污水處理廠(chǎng)污泥處理處置污染防治最佳可行技術(shù)指南》(試行)以及 2012 年公布的《可再生能源發(fā)展“十二五 ”規(guī)劃》等。但是，這些政策法規(guī)顯得比較粗獷，大多是定性的，并沒(méi)有相應(yīng)的經(jīng)濟(jì)補(bǔ)貼或稅收減免定量措施。這便導(dǎo)致污水處理企業(yè)普遍認(rèn)為，開(kāi)發(fā)污水潛能是個(gè)“好經(jīng)”，但念完后不但不會(huì)“解渴”，反而還會(huì)“挨餓”。可見(jiàn)，既要“念好經(jīng)”也要讓企業(yè)“喝足”、 “吃飽”。政府只有從宏觀層面看清污水潛能開(kāi)發(fā)對(duì)低碳經(jīng)濟(jì)、甚至碳中和運(yùn)行的好處，算清“大帳”，實(shí)施必要的經(jīng)濟(jì)補(bǔ)貼政策才能真正推動(dòng)污水潛能開(kāi)發(fā)。
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國(guó)際背景
世界上許多國(guó)家和地區(qū)主要是通過(guò)促進(jìn)清潔能源、可再生能源發(fā)展而推動(dòng)污水潛能開(kāi)發(fā)與利用的。圖1 顯示了一些國(guó)家和地區(qū)可再生能源現(xiàn)狀。
圖1 一些國(guó)家或地區(qū)可再生能源現(xiàn)狀
在發(fā)展清潔能源與可再生能源的雙雙推動(dòng)下，歐美等國(guó)家較早便開(kāi)始了對(duì)污水潛能的開(kāi)發(fā)與利用。其中，歐盟國(guó)家在歐盟政策框架指令下走在了世界前列。歐盟可再生能源利用的基礎(chǔ)是1997年歐盟理事會(huì)和歐洲議會(huì)通過(guò)的《白皮書(shū)社區(qū)戰(zhàn)略和行動(dòng)計(jì)劃》。2003年歐洲議會(huì)又頒布了《生物燃料指令2003/30 / EC》，要求歐盟國(guó)家到2010年時(shí)交通運(yùn)輸能耗中可再生能源和生物質(zhì)能源的比例至少達(dá)到4.4%。歐盟委員會(huì)后續(xù)又出臺(tái)了《歐洲能源政策COM（2007）》、《歐洲2020戰(zhàn)略智能、可持續(xù)和包容性增長(zhǎng)COM(2010)2020》等政策、法令，對(duì)可再生能源比例做出了強(qiáng)制性要求。2015年，歐盟《可再生能源行動(dòng)計(jì)劃》分析顯示，歐盟國(guó)家可再生能源使用預(yù)計(jì)從2005年的4 181 PJ （1PJ=1015 J）達(dá)到2020年時(shí)的10 255 PJ。
此外，歐盟還設(shè)立了歐盟區(qū)域發(fā)展基金（EU funding），用于組織和發(fā)展與可再生能源相關(guān)的教育性項(xiàng)目和多媒體競(jìng)賽。這也促進(jìn)了人們對(duì)污水潛能的開(kāi)發(fā)，2016年底，波蘭政府利用該項(xiàng)基金在格但斯克（Gdansk）投資560萬(wàn)歐元建設(shè)了新型污水處理廠(chǎng)，該廠(chǎng)剩余污泥通過(guò)厭氧消化產(chǎn)甲烷后以熱電聯(lián)產(chǎn)（CHP）形式回收能量，能源貢獻(xiàn)相當(dāng)于年發(fā)電量2.864 GW的發(fā)電廠(chǎng)（1 GW=109 W）。
2.1
政策、法律、法規(guī)
歐盟在污水潛能開(kāi)發(fā)方面更加關(guān)注污泥利用和熱電聯(lián)產(chǎn)技術(shù)，而在利用污水熱能方面（污水源熱泵）的特定政策、法規(guī)則顯得薄弱。歐盟《能源效率指令政策（2012/27/EU）》以構(gòu)建測(cè)量能源效率之共同框架去實(shí)現(xiàn)2020年能源效率提高的目標(biāo)；該指令的關(guān)注點(diǎn)旨在能源供應(yīng)方面，并沒(méi)有單獨(dú)提及污水余熱利用。在此之前的《可再生能源指令（2009/28/EG）》、《能源指令（2010/31/EU）》也沒(méi)有提及對(duì)污水余熱的利用。有關(guān)污水余熱利用目前尚未列入歐洲立法。盡管如此，一些發(fā)達(dá)國(guó)家在發(fā)展可再生能源的大框架下先行一步，在污水潛能開(kāi)發(fā)方面制定了各自相應(yīng)政策和相應(yīng)法律保障。
瑞典是世界上最早認(rèn)識(shí)到環(huán)境問(wèn)題，并制訂相應(yīng)環(huán)保法規(guī)的國(guó)家之一。在《邁向2020無(wú)油國(guó)家》宣言中，瑞典提出將在2020年成為全球第一個(gè)不使用石油的國(guó)家。這個(gè)行動(dòng)宣言也直接促進(jìn)對(duì)污水潛能的開(kāi)發(fā)，并使之邁入一個(gè)新的階段。
德國(guó)在歐盟國(guó)家中沼氣發(fā)電產(chǎn)業(yè)一直處于世界領(lǐng)先地位，這主要得益于其完善的政策支持和有效的法律保障。2002年，德國(guó)開(kāi)始實(shí)施《熱電聯(lián)產(chǎn)（CHP）法》，主要目的是鼓勵(lì)CHP大規(guī)模工程應(yīng)用。經(jīng)多次修訂，該法適用范圍由最初的火力發(fā)電不斷擴(kuò)展至垃圾、廢熱、生物質(zhì)能等領(lǐng)域。2012年，對(duì)CHP法再一次進(jìn)行了修訂，主要是對(duì)經(jīng)濟(jì)補(bǔ)貼的額度（有效期延長(zhǎng)至2020年）進(jìn)行了修改，旨在2020年CHP發(fā)電量比例達(dá)25%年。2015年《可再生熱法（EWärmeG,2015）》明確提及通過(guò)熱泵技術(shù)利用的環(huán)境熱也是一種可再生能量源。2016年7月8日，德國(guó)又出臺(tái)了《2017年可再生能源法案》（EEG2017），預(yù)示著德國(guó)能源轉(zhuǎn)型將進(jìn)入全新階段，其投資利益回報(bào)將完全由市場(chǎng)進(jìn)行調(diào)節(jié)。全新的可再生能源法案已于2017年1月1日開(kāi)始生效，不再以政府指導(dǎo)價(jià)格收購(gòu)電量，而是通過(guò)市場(chǎng)競(jìng)價(jià)來(lái)發(fā)放補(bǔ)貼，競(jìng)價(jià)最低的企業(yè)便可以按此價(jià)格獲得新建設(shè)施入網(wǎng)補(bǔ)貼。
英國(guó)環(huán)境協(xié)會(huì)發(fā)布《污水處理設(shè)施碳減排舉證》要求提高污泥厭氧消化普及率，指出最佳污泥厭氧消化+CHP每年可減少102 000 t CO2/a二氧化碳排放量（前提是50%英國(guó)污水處理廠(chǎng)進(jìn)行升級(jí)改造）,同時(shí)對(duì)產(chǎn)生的沼氣燃燒監(jiān)控、后續(xù)科研、技術(shù)投入也提出了建設(shè)性意見(jiàn)。
蘇格蘭于2014年6月成立了SHARC能源系統(tǒng)組織，專(zhuān)門(mén)從事污水熱量回收技術(shù)工作。該組織在英國(guó)和歐洲獨(dú)樹(shù)一幟，專(zhuān)門(mén)為商建、民建筑制冷、供熱提供兼顧節(jié)能、成本與環(huán)保的綜合解決方案。這個(gè)組織推廣的熱能系統(tǒng)即采用污水源熱泵提取能量，以達(dá)到節(jié)能、碳減排的目的。目前，這種系統(tǒng)在蘇格蘭已有一些實(shí)際應(yīng)用案例。
2010年頒布的《英格蘭和威爾士環(huán)境容量規(guī)定（2010修訂，EPR）》規(guī)定了設(shè)置污泥厭氧消化甲烷（CH4）燃燒設(shè)備的污水處理廠(chǎng)均需要燃燒許可證。這導(dǎo)致許多企業(yè)無(wú)法申請(qǐng)到適合熱量輸出<3 MW的燃燒許可證而嚴(yán)重阻礙了污泥厭氧消化的廣泛應(yīng)用。為解決這一許可證限制弊端，英國(guó)環(huán)境機(jī)構(gòu)準(zhǔn)備發(fā)布新的財(cái)務(wù)狀況監(jiān)管表，這將有利于燃燒許可證的發(fā)放，并會(huì)根據(jù)可能出現(xiàn)的實(shí)際情況繼續(xù)修訂，以利于污泥厭氧消化產(chǎn)能利用。
法國(guó)于2010年發(fā)布《國(guó)家可再生能源行動(dòng)計(jì)劃》，對(duì)2020年可再生能源在能源結(jié)構(gòu)、制冷/制熱、交通運(yùn)輸、電力結(jié)構(gòu)中所占的比例提出了具體要求，并對(duì)現(xiàn)行政策進(jìn)行了修訂。行政程序的修訂克服了可再生能源發(fā)展的行政壁壘，同時(shí)增加了對(duì)增值稅的減免成都，以發(fā)展建筑節(jié)能、提高能源效率。與此同時(shí)，法國(guó)還增加了贈(zèng)款資助研究、開(kāi)發(fā)項(xiàng)目，并提出在鐵路等基礎(chǔ)設(shè)施投資方面考慮利用可再生能源。該計(jì)劃從可再生能源角度促進(jìn)了污水潛能的開(kāi)發(fā)與利用。
荷蘭在有機(jī)廢水厭氧消化領(lǐng)域研發(fā)與應(yīng)用處于世界領(lǐng)先地位，從污水、廢物中收集資源和能源乃荷蘭一種循環(huán)經(jīng)濟(jì)模式，亦有相應(yīng)政策、法律支持。2010年荷蘭發(fā)布了《面向2030年的污水管理路線(xiàn)圖》，預(yù)測(cè)未來(lái)污水處理廠(chǎng)將轉(zhuǎn)變?yōu)槟茉垂S(chǎng)（NEWs），并列出了2010年—2030年間具體的發(fā)展目標(biāo)和側(cè)重點(diǎn)，有效地促進(jìn)了污水潛能開(kāi)發(fā)。該“路線(xiàn)圖”指出，通過(guò)轉(zhuǎn)換污水中的化學(xué)能（COD）為電能、熱能將使污水處理廠(chǎng)產(chǎn)生超過(guò)其自身能耗的能量；利用動(dòng)物糞便與污泥共消化將提供更多的沼氣發(fā)電量，相關(guān)立法也將隨即修訂。同時(shí)，污水中的熱能也是非常重要的潛能。夏季可通過(guò)水源熱泵提取污水中熱量存儲(chǔ)于地下水系統(tǒng)中，冬季再利用熱泵交換出熱量為建筑物提供高質(zhì)量的熱能。荷蘭自2011年起實(shí)行《可再生能源激勵(lì)計(jì)劃(SDE +)》，向利用可再生能源發(fā)電企業(yè)和其他組織提供贈(zèng)款（包括水務(wù)局在內(nèi)的非營(yíng)利組織），以鼓勵(lì)可再生能源發(fā)展。
作為歐盟成員國(guó)之一，愛(ài)爾蘭對(duì)污水潛能開(kāi)發(fā)相對(duì)滯后。為了改善這一狀況，愛(ài)爾蘭《全國(guó)污水污泥管理計(jì)劃（NWSMP）》給出了利用污泥的政策和指導(dǎo)方針，明確指出污水污泥除了用作肥料和土壤改良劑之外，因其富含能量而可視為一種寶貴資源。該計(jì)劃要求增大對(duì)污泥能量的回收，并從中提取其他有用資源；明確提出污泥厭氧消化產(chǎn)CH4發(fā)電可顯著降低污水處理廠(chǎng)的能源成本。
瑞士雖不在歐盟成員國(guó)之列，但是，其獨(dú)立的法律體系比歐盟國(guó)家更加支持對(duì)污水潛能的開(kāi)發(fā)。早在2004年，瑞士聯(lián)邦能源辦公室便發(fā)布了《污水熱回收處置指南(BFE，2004年)》，提倡污水熱能利用。后期又出臺(tái)了《能源法（2014）》、《能量調(diào)節(jié)法（2015）》。前者在宏觀上構(gòu)建了能源供應(yīng)框架，后者從微觀角度詳細(xì)規(guī)定、規(guī)范了對(duì)污水處理廠(chǎng)余熱的利用。
美國(guó)慣以立法形式對(duì)能源比例作出要求，收效顯著，例如，《2009年美國(guó)清潔能源與安全法》中包括了清潔能源、能源效率、減少全球變暖與污染、向清潔能源經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型等4個(gè)方面的內(nèi)容。該法規(guī)定，從2012年開(kāi)始，年發(fā)電量在100萬(wàn)MW·h以上的電力供應(yīng)商每年必須有6 %的電力供應(yīng)來(lái)自于可再生能源，直至增加至2020年的20%；同時(shí)要求至2020年時(shí)，各州電力供應(yīng)中至少有15%以上電力供應(yīng)必須來(lái)自可再生能源。在該法的規(guī)定下，預(yù)計(jì)美國(guó)到2020年生物質(zhì)發(fā)電量將高達(dá)200 TWH。在鼓勵(lì)污水處理廠(chǎng)CHP方面，美國(guó)于2009年啟動(dòng)了《復(fù)蘇與再投資法案》，建立了美國(guó)環(huán)境保護(hù)署（EPA）清潔水狀態(tài)周轉(zhuǎn)基金(CWSRF)項(xiàng)目。該項(xiàng)目可向初次安裝CHP系統(tǒng)的污水處理廠(chǎng)提供為期20年利率為1.625%的低息貸款。CHP融資通常來(lái)自國(guó)家或地方債券、當(dāng)?shù)毓檬聵I(yè)或第三方業(yè)主/運(yùn)營(yíng)商或州/聯(lián)邦的貸款和贈(zèng)款。
早在 2001 年 4月，澳大利亞就制定了《強(qiáng)制性可再生能源目標(biāo)》；2009 年又對(duì)該目標(biāo)進(jìn)行了修訂，確定到2020 年可再生能源電力生產(chǎn)要占到其總電力供應(yīng)的20%。近年來(lái)，澳大利亞政府還多次修訂了《可再生能源（電力）法》和《可再生能源（電力）（收費(fèi)）法》�！�2010 年可再生能源（電力）法》則要求通過(guò)簽發(fā)可再生能源證書(shū)，并要求電力特定購(gòu)買(mǎi)者提交法定數(shù)量證書(shū)，以獲取年度電力來(lái)促進(jìn)可再生能源的發(fā)展。
2.2
技術(shù)扶持
雖然污水中含有大量化學(xué)能（COD）、熱能（余溫），但由于技術(shù)轉(zhuǎn)化效率、操作管理水平有限，使得能源化利用效果在實(shí)踐中顯得差強(qiáng)人意，這從另一角度也挫傷了污水處理企業(yè)開(kāi)發(fā)潛能的積極性。因此，發(fā)達(dá)國(guó)家普遍高度重視可再生能源的研發(fā)，并為此制定了許多技術(shù)扶持政策，這對(duì)我國(guó)具有很好的借鑒意義。
2.2.1
研發(fā)政策
德國(guó)是最早鼓勵(lì)新能源研發(fā)與示范的國(guó)家，多項(xiàng)可再生能源技術(shù)專(zhuān)利數(shù)量上居世界第一，其中包括含污水潛能開(kāi)發(fā)在內(nèi)的生物質(zhì)能技術(shù)、風(fēng)力發(fā)電技術(shù)等。
英國(guó)政府為履行可再生能源義務(wù)責(zé)令成立了“國(guó)家能源研究中心”，以匯集各方精英協(xié)調(diào)研發(fā)活動(dòng)，并實(shí)行數(shù)據(jù)共享。同時(shí)，英國(guó)正在籌備“可持續(xù)能源政策辦公室”，負(fù)責(zé)監(jiān)督和評(píng)價(jià)現(xiàn)行政策，并順應(yīng)形勢(shì)進(jìn)行戰(zhàn)略修訂。
倡導(dǎo)“能源獨(dú)立”的美國(guó)對(duì)生物質(zhì)能科研投資力度非常之大。截至2007年，對(duì)包括污泥厭氧消化產(chǎn)CH4發(fā)電在內(nèi)的生物質(zhì)能利用的研發(fā)投入已經(jīng)超過(guò)10億美元。并于2011年3月31日發(fā)布了《未來(lái)能源安全藍(lán)圖》，提出了確保美國(guó)未來(lái)能源供應(yīng)和能源安全的三大戰(zhàn)略：1）注重在清潔能源領(lǐng)域開(kāi)展全球合作；2）推廣節(jié)能減排，提高能源利用效率；3）激發(fā)創(chuàng)新精神，加快發(fā)展清潔能源。該內(nèi)容的頒布有效推動(dòng)污水潛能研發(fā)和投資進(jìn)程。
日本是亞洲較早開(kāi)發(fā)污水潛能的國(guó)家。早在1997年—2008年期間，日本建有污泥厭氧消化設(shè)施的污水處理廠(chǎng)已達(dá)310座，占其污水處理廠(chǎng)總數(shù)的16 %。為了進(jìn)一步促進(jìn)污水潛能開(kāi)發(fā)，日本國(guó)土交通省在2005年推出了由其主導(dǎo)、為期3年的“下水道污泥資源化技術(shù)和先端技術(shù)引導(dǎo)(LOTUS)”項(xiàng)目。LOTUS包括“下水污泥生物質(zhì)燃料化”、“下水污泥和生物質(zhì)同時(shí)處理回收能源”、“促進(jìn)消化污泥減量和沼氣發(fā)電”等，極大地推動(dòng)了污水潛能開(kāi)發(fā)的工程應(yīng)用。
2.2.2
產(chǎn)業(yè)化政策
傳統(tǒng)厭氧消化產(chǎn)CH4的單一利用模式會(huì)限制污水潛能進(jìn)一步開(kāi)發(fā)。為此，瑞典、瑞士等國(guó)家開(kāi)發(fā)了沼氣提純、凈化后用作車(chē)用燃料和民用天然氣等利用新途徑，實(shí)現(xiàn)了能量開(kāi)發(fā)產(chǎn)業(yè)化和商品化應(yīng)用。
自1996年起，瑞典開(kāi)始提純沼氣作為汽車(chē)燃料使用，并制定了相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，已成功地將沼氣用作汽車(chē)、火車(chē)燃料，也形成了良好的運(yùn)作模式。此外，將污水熱能直接用作供熱或制冷應(yīng)用也比較普遍。瑞典是利用污水源熱泵供應(yīng)城市供熱取暖最早的國(guó)家。1981年6月世界上第一座污水源熱泵系統(tǒng)便在斯德哥爾摩Sala鎮(zhèn)投入運(yùn)行，裝機(jī)容量為3.3 MW。瑞典首都斯德哥爾摩樓宇建筑物供熱方式中約有40 %釆用熱泵系統(tǒng)，其中約10 %利用的是污水處理廠(chǎng)二級(jí)出水轉(zhuǎn)換的熱量。從處理后污水中交換的能量十分可觀：一個(gè)處理能力為1×104m3/d的污水處理廠(chǎng)，冬季從污水中提取7 ℃溫差的熱量，可滿(mǎn)足8.37 ×104m2建筑物供暖需要；夏季向污水中釋放12 ℃溫差的能量，可為6.5×104m2的建筑物供冷。
瑞士效仿瑞典模式，近年來(lái)在生物天然氣車(chē)用方面突飛猛進(jìn)。利用剩余污泥加入其它有機(jī)廢棄物共消化生產(chǎn)沼氣，不僅解決了污泥、固體廢棄物二次污染問(wèn)題，又可取得相當(dāng)可觀的CO2減排效果。以首都伯爾尼市（30萬(wàn)居民）為例 ，2010年已有1.5萬(wàn)多輛汽車(chē)（主要為大型公交車(chē)）使用生物天然氣，其中一部分則來(lái)自該市污水處理廠(chǎng)生產(chǎn)、提純的沼氣。
2.3
經(jīng)濟(jì)政策
污水含能利用成本和發(fā)電電價(jià)較高，相對(duì)于化石能源價(jià)格缺乏市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。為了鼓勵(lì)潛能開(kāi)發(fā)，可再生能源發(fā)電量或電價(jià)補(bǔ)貼政策已成國(guó)際慣例，稅收優(yōu)惠和其它費(fèi)用減免也較為常見(jiàn)。
2.3.1
生產(chǎn)及上網(wǎng)補(bǔ)貼
德國(guó)是固定上網(wǎng)電價(jià)政策的發(fā)源地，也是歐盟中可再生能源補(bǔ)貼支出最高的國(guó)家之一。德國(guó)從FIT（固定價(jià)格）制度發(fā)展演變成FIP（獎(jiǎng)勵(lì)+市場(chǎng)價(jià)格）制度，現(xiàn)已被歐洲國(guó)家廣泛采用。FIT制度是根據(jù)發(fā)電裝機(jī)容量從小到大分類(lèi)遞減上網(wǎng)收購(gòu)電價(jià)，也就是說(shuō)發(fā)電規(guī)模越小收購(gòu)電價(jià)越高，旨在保護(hù)發(fā)展初期的微小企業(yè)。逐漸更新后的FIP制度廢棄了原FIT制度中發(fā)電量全額義務(wù)收購(gòu)的條例，轉(zhuǎn)為要求可再生能源發(fā)電量直接進(jìn)入電力市場(chǎng)銷(xiāo)售，對(duì)長(zhǎng)期維持一定水平電價(jià)的企業(yè)進(jìn)行“售后”獎(jiǎng)勵(lì)。自2009年起，德國(guó)沼氣工程基本發(fā)電并網(wǎng)補(bǔ)助為0.0779~0.1167歐元/ (kW·h)。利用動(dòng)物糞便、生物垃圾（餐飲、市政固體垃圾）等作為原料的沼氣發(fā)電力工程可額外獲得最少0.03歐元/ (kW·h)補(bǔ)助，較2004年增加了0.01歐元/(kW·h)；此外，還另享有技術(shù)創(chuàng)新補(bǔ)助0.02歐元/ (kW·h)。裝機(jī)容量低于70 kW的沼氣發(fā)電工程還可獲得15 000歐元的補(bǔ)助金或低息貸款。
2011年以來(lái)，法國(guó)開(kāi)始實(shí)行沼氣工程發(fā)電注入天然氣電網(wǎng)的政策，并規(guī)定保持固定稅率在0.05~0.15歐元/kW·h之間15年不變。這里所指的沼氣（CH4）可以被任何燃?xì)夤⿷?yīng)商或上級(jí)買(mǎi)家購(gòu)買(mǎi)，這種自由交易模式增加了市場(chǎng)活力。法國(guó)2016年頒布了《能源過(guò)渡法案》，建立了包括FIP（feed-in-premium）方案在內(nèi)的支持可再生能源發(fā)電計(jì)劃，相對(duì)于原有政策增加了細(xì)節(jié)性?xún)?nèi)容。法案指出實(shí)行FIP方案的兩種途徑：一是與能夠簽訂15~20年合格技術(shù)方直接簽訂合同；二是通過(guò)競(jìng)爭(zhēng)性招標(biāo)簽訂合同。對(duì)簽訂合同的企業(yè)也設(shè)置了準(zhǔn)入門(mén)檻，規(guī)定從垃圾填埋場(chǎng)、污水處理廠(chǎng)獲得沼氣發(fā)電量在500 kW以上的企業(yè)具有直接承包的技術(shù)資格；生物質(zhì)沼氣發(fā)電量在500 kW以上的單位則具有技術(shù)招標(biāo)資格。
如上所述，荷蘭在有機(jī)廢水厭氧消化領(lǐng)域研發(fā)與應(yīng)用處于世界領(lǐng)先地位，這完全依賴(lài)于政府財(cái)政在污水能源回收/利用（沼氣發(fā)電）方面的經(jīng)濟(jì)補(bǔ)貼。自2005年1月起，從動(dòng)物糞便、剩余污泥等底物厭氧消化產(chǎn)生的沼氣發(fā)電量，可獲得政府0.091歐元/（kW·h）現(xiàn)金補(bǔ)貼，成為一種富有成效的發(fā)展可再生能源激勵(lì)措施。上文提及的《可再生能源激勵(lì)計(jì)劃（SDE +）》也有相應(yīng)的財(cái)政補(bǔ)貼規(guī)定；2014年該計(jì)劃發(fā)放專(zhuān)項(xiàng)資金總額達(dá)35億歐元；2017年該計(jì)劃預(yù)算高達(dá)60億歐元，面向風(fēng)能、太陽(yáng)能、地?zé)崮�、水能和生物質(zhì)能等各種可再生能源項(xiàng)目，而最高補(bǔ)貼額度從2016年0.15歐元/（kW·h）降至目前的0.13歐元/（kW·h），旨在激勵(lì)企業(yè)盡可能以低成本生產(chǎn)更多的可再生能源。
2.3.2
稅收抵扣及其他優(yōu)惠
丹麥Marselisborg污水處理廠(chǎng)是全球首個(gè)能單純從污水中回收能量并實(shí)現(xiàn)能量盈余的成功案例。污水處理之所以扭虧為盈與丹麥財(cái)政支持是分不開(kāi)的。2010年丹麥制定的《2050年能源發(fā)展戰(zhàn)略》中提及，丹麥將大力發(fā)展可再生能源，計(jì)劃在2050年完全擺脫對(duì)化石燃料的依賴(lài)。根據(jù)2012年《能源協(xié)議》，丹麥給予沼氣發(fā)電工程建設(shè)補(bǔ)助由原來(lái)的20% 提高至39%，2013年—2015年間政府投資7 000萬(wàn)丹麥克朗（約合1 000萬(wàn)美元）用于混合燃料汽車(chē)加氣站等基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)。
瑞典對(duì)建設(shè)沼氣發(fā)電工程的企業(yè)/農(nóng)場(chǎng)給予工程投資30%的補(bǔ)貼，對(duì)沼氣純化后替代車(chē)用燃料免征化石燃油使用稅，減征沼氣企業(yè)增值稅，免征車(chē)輛擁堵稅（僅限斯德哥爾摩等大城市）。對(duì) CO2超過(guò)一定排放量的車(chē)輛則征收車(chē)輛附加稅，起征車(chē)輛排放底限由2012年的120 g/km 降低至2013年的 117 g/km，而可再生能源環(huán)保車(chē)量起征點(diǎn)放寬至150 g/km。使用環(huán)保型燃料的車(chē)輛還也可享受?chē)?guó)家購(gòu)車(chē)補(bǔ)貼以及一些區(qū)域性?xún)?yōu)惠政策，如，免費(fèi)停車(chē)等。2013年起，瑞典開(kāi)始實(shí)行對(duì)使用包括“人造”天然氣（CH4）在內(nèi)的環(huán)保車(chē)量免征5年車(chē)輛稅的政策。
為促進(jìn)污水潛能開(kāi)發(fā)的迅速發(fā)展，歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家還采用了約束性指標(biāo)、配額、綠色證書(shū)等方面的措施。在此方面，英國(guó)實(shí)行比例配額和義務(wù)證書(shū)（ROC）制度；比例配額指用電企業(yè)從電力企業(yè)購(gòu)買(mǎi)的電量必須包含規(guī)定比例的“綠色電能”，否則企業(yè)將面臨10%的罰款；而ROC制度重點(diǎn)在于可再生能源（電力）義務(wù)證書(shū)，電力供應(yīng)商有義務(wù)供應(yīng)一定比例的可再生能源電力，提交 ROC 或購(gòu)買(mǎi) ROC， 以履行義務(wù)。瑞典、意大利、比利時(shí)、波蘭、挪威等國(guó)家也實(shí)行了類(lèi)似的比例配額制度。
2.4
日趨完善的污水潛能開(kāi)發(fā)政策
作為污水潛能發(fā)展的風(fēng)向標(biāo)，政府政策具有極強(qiáng)的時(shí)效性和針對(duì)性。污水潛能開(kāi)發(fā)政策從無(wú)到有、從略到細(xì)，實(shí)現(xiàn)了以無(wú)害化處理污泥為主，到以獲取優(yōu)質(zhì)可再生能源為目的的戰(zhàn)略性轉(zhuǎn)向，反映出政府部門(mén)高屋建瓴，認(rèn)識(shí)水平不斷提高和轉(zhuǎn)變，污水潛能開(kāi)發(fā)政策也與時(shí)俱進(jìn)。
2013 年12月8日，英國(guó)《能源法》正式引入差額支付合同制度（CfD），要求可再生能源電力企業(yè)義務(wù)在電力市場(chǎng)銷(xiāo)售電力，并與交易方（電力購(gòu)買(mǎi)者）簽訂差額支付合同。當(dāng)市場(chǎng)價(jià)格超過(guò)合同基準(zhǔn)價(jià)格時(shí)，政府補(bǔ)貼電力企業(yè)合同差額，即，相對(duì)于合約價(jià)格實(shí)行“多退少補(bǔ)”。另外，對(duì)正在采用某種技術(shù)進(jìn)行可再生能源電力生產(chǎn)的企業(yè)，規(guī)定用競(jìng)標(biāo)形式確定基準(zhǔn)價(jià)位，進(jìn)而制定最大補(bǔ)助額值。英國(guó)改革方案的實(shí)施彌補(bǔ)了ROC政策下電力供應(yīng)商購(gòu)買(mǎi)可再生能源義務(wù)證書(shū)積極性較差的缺陷。
德國(guó)自出臺(tái)相關(guān)政策以來(lái)，又進(jìn)行了多次修訂和補(bǔ)充，現(xiàn)行鼓勵(lì)污水潛能開(kāi)發(fā)的政策如表1所示。
表1 德國(guó)鼓勵(lì)沼氣發(fā)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展的法律及政策措施
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措施 |
熱電聯(lián)產(chǎn)（CHP） |
供熱 |
人造天然氣并網(wǎng) |
車(chē)用人造天然氣 |
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目標(biāo) |
2020年可再生能源發(fā)電占總發(fā)電量20% |
2020年14%來(lái)自可再生能源 |
2020年注入 60×108 m3 |
生物燃油替代化石燃油路線(xiàn)圖 |
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立法手段 |
REL促進(jìn)法：可再生能源發(fā)電量占17.1% |
市場(chǎng)推進(jìn)計(jì)劃：撥款、低息貸款 |
地位視同天然氣 |
2015年分別替代4.4%和3.6%柴油和汽油 |
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經(jīng)濟(jì)激勵(lì) |
根據(jù)可再生能源法（EEG）免除能源稅 |
免除能源稅 |
免除能源稅 |
免除能源稅，零售價(jià)低于柴油和汽油（等能量當(dāng)量） |
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基礎(chǔ)設(shè)施 |
現(xiàn)成電網(wǎng) |
- |
擴(kuò)建現(xiàn)有天然氣管網(wǎng) |
由天然氣/保險(xiǎn)公司提供服務(wù) |
2016年4月1日起，日本全面放開(kāi)電力零售市場(chǎng)，允許所有用戶(hù)自由選擇供電商；取消批發(fā)市場(chǎng)的價(jià)格管制，鼓勵(lì)供電商、十大區(qū)域電力公司和售電商同時(shí)進(jìn)入交易市場(chǎng)，在交易所（JEPX）中進(jìn)行余缺電力的交易。 市場(chǎng)化的改變?yōu)榭稍偕茉窗l(fā)電入網(wǎng)注入新的活力。
3
橫向思考
縱觀各個(gè)先行國(guó)家在污水潛能開(kāi)發(fā)方面的舉措，從方針政策到法律法規(guī)、再到補(bǔ)貼納稅等等，總體上體現(xiàn)了政府通過(guò)制定政策、法律、法規(guī)而實(shí)施的宏觀調(diào)節(jié)作用，相應(yīng)的經(jīng)濟(jì)補(bǔ)貼、稅收減免措施則顯示了經(jīng)濟(jì)上“四兩撥千金”的效果，亦體現(xiàn)了社會(huì)的公平性。上有政策，下有好處；政策定位了企業(yè)的發(fā)展方向，經(jīng)濟(jì)補(bǔ)貼/稅收減免則保證了企業(yè)的收益；立法又能確保公平交易，且能根據(jù)實(shí)際情況及時(shí)作出改進(jìn)和修正。在此方面，德國(guó)經(jīng)驗(yàn)值得借鑒；他們結(jié)合國(guó)情，從硬性規(guī)定過(guò)渡到軟性激勵(lì)；當(dāng)發(fā)展到一定階段時(shí)，又通過(guò)逐年減少甚至取消補(bǔ)貼優(yōu)惠政策來(lái)刺激電力供應(yīng)商不斷更新能源技術(shù)以降低成本，帶動(dòng)可再生能源向更成熟階段發(fā)展。
我國(guó)對(duì)污水潛能開(kāi)發(fā)起步較晚，目前基本處于劣勢(shì)狀態(tài)。政府相關(guān)政策頒布不及時(shí)、內(nèi)容不適時(shí)、無(wú)相應(yīng)經(jīng)濟(jì)補(bǔ)貼措施將使污水潛能發(fā)展進(jìn)一步受阻�，F(xiàn)行有關(guān)政策、法律也只是給出了一個(gè)大致框架，企業(yè)實(shí)際操作性很弱。由于缺乏細(xì)節(jié)性?xún)?nèi)容，對(duì)補(bǔ)貼和優(yōu)惠等激勵(lì)政策還沒(méi)有明確標(biāo)準(zhǔn)，很難取得預(yù)期效果�？梢�(jiàn)，我國(guó)開(kāi)發(fā)污水潛能的當(dāng)務(wù)之急是首先從國(guó)家和地方層面制定出適時(shí)的補(bǔ)貼、優(yōu)惠政策，其次才是從科技層面上鼓勵(lì)和指導(dǎo)污水潛能技術(shù)研發(fā)。
(更詳細(xì)內(nèi)容參見(jiàn)《中國(guó)給水排水》第12期：污水潛能開(kāi)發(fā)取決于適時(shí)補(bǔ)貼政策，作者：北京建筑大學(xué) 郝曉地、羅玉琪、林甲、曹達(dá)啟)
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污水中確實(shí)蘊(yùn)含著巨大的潛在能量 國(guó)內(nèi)污水潛能定量計(jì)算結(jié)果首次發(fā)布 來(lái)源:中國(guó)給水排水-cnww1985 郝曉地
國(guó)內(nèi)污水潛能定量計(jì)算結(jié)果首次發(fā)布
來(lái)源:中國(guó)給水排水 郝曉地
截至目前，國(guó)內(nèi)尚未發(fā)現(xiàn)對(duì)污水中潛能進(jìn)行定量計(jì)算的報(bào)道，對(duì)于污水潛能大多引用國(guó)外數(shù)據(jù)，并引發(fā)一些質(zhì)疑。為此，北京建筑大學(xué)中—荷未來(lái)污水處理技術(shù)研發(fā)中心郝曉地教授團(tuán)隊(duì)試圖通過(guò)之前已建立的能量平衡與計(jì)算模型，分別定量計(jì)算污水中蘊(yùn)含的化學(xué)能與熱能含量，以詮釋污水潛能的蘊(yùn)藏量以及可以回收利用的價(jià)值，讓業(yè)內(nèi)人士真正了解污水潛能的來(lái)源與豐量。
郝曉地（1960-），山西柳林人，教授，從事市政與環(huán)境工程專(zhuān)業(yè)教學(xué)與科研工作，主要研究方向?yàn)槲鬯锩摰准夹g(shù)、污水處理數(shù)學(xué)模擬技術(shù)、可持續(xù)環(huán)境生物技術(shù)�，F(xiàn)為國(guó)際水協(xié)期刊《WaterResearch》區(qū)域主編（Editor）。
污水中含有有機(jī)物（COD）化學(xué)能和余溫?zé)崮埽@種潛能一直不被人們所重視。計(jì)算表明，污水所含化學(xué)能、熱能理論值雖然前者小于后者，但相差倍數(shù)（3.33）不大，取決于進(jìn)水COD濃度。然而，COD化學(xué)能在能量轉(zhuǎn)化過(guò)程中有相當(dāng)一部分并不能回收或受限于能量轉(zhuǎn)化效率而不能全部轉(zhuǎn)化。
對(duì)某實(shí)際污水處理廠(chǎng)（COD=400mg/L）潛能轉(zhuǎn)化計(jì)算顯示，污泥厭氧消化產(chǎn)甲烷（CH4）后實(shí)施熱電聯(lián)產(chǎn)（CHP）可轉(zhuǎn)化的化學(xué)能折算電當(dāng)量?jī)H為0.20kW˙h/m³，只能滿(mǎn)足實(shí)際運(yùn)行耗能0.37kW˙h/m³的53.2%。因水源熱泵可轉(zhuǎn)換熱能（全部出水，4oC溫差）1.77kW˙h/m³（供熱）/1.18kW˙h/m³（制冷），所以利用不到15%的出水量（供熱9.8%、制冷14.7%）即可彌補(bǔ)46.8%碳中和運(yùn)行赤字能量。總之，實(shí)例廠(chǎng)供熱時(shí)出水熱能與化學(xué)能所占總潛能值比例分別為90%和10%；折算電當(dāng)量后，總潛能值為1.97kW˙h/m³。
有關(guān)污水化學(xué)能與熱能計(jì)算顯示，城市污水中所蘊(yùn)含的潛能（化學(xué)能+熱能）值可達(dá)污水處理耗能的9~10倍。同時(shí)也有人指出，城市污水中化學(xué)能約占總潛能值的10%，而90%的污水潛能由熱量產(chǎn)生；美國(guó)原污水中廢熱和化學(xué)能含量約為1500億kW˙h，其中80%為廢熱，20%為化學(xué)能。然而，這些被定量的污水潛能值在文獻(xiàn)中很難找到具體的估算方法或計(jì)算有誤，對(duì)大多數(shù)人來(lái)說(shuō)似乎還是一個(gè)比較模糊的估計(jì)值，仍屬于“定性”范圍。
1污水潛能理論計(jì)算
1.1化學(xué)能計(jì)算
有關(guān)污水有機(jī)物中蘊(yùn)含的化學(xué)能，一些研究者從不同角度進(jìn)行過(guò)定量評(píng)估�；瘜W(xué)能評(píng)估大都基于生活污水所含有機(jī)物的COD值，以?xún)煞N方式表征：1）單位COD含能值；2）單位（m3）水量COD化學(xué)潛能值。本研究采用第二種方式計(jì)算污水有機(jī)物理論化學(xué)潛能值。污水有機(jī)物最大理論化學(xué)潛能值是指污水所含COD全部提�。ú缓⑸锓纸猓┎⑥D(zhuǎn)化為甲烷（CH4）的能量值，且不考慮轉(zhuǎn)化過(guò)程的實(shí)際能量損失。假如城市污水COD含量為400mg/L，所含化學(xué)能可按CH4氧化計(jì)量方程計(jì)算，見(jiàn)化學(xué)計(jì)量式（1）。
根據(jù)公式（1），0.25gCH4氧化需要消耗1gO2。換句話(huà)說(shuō)，1gCOD可以產(chǎn)生0.25gCH4。據(jù)此，COD=400mg/L的污水每m3可產(chǎn)CH4理論量為：
因?yàn)镃H4燃燒熱為50200kJ/kg，所以，當(dāng)污水COD含量為400mg/L時(shí)，每m3污水理論最大化學(xué)潛能值為：
污水化學(xué)能顯然取決于進(jìn)水COD濃度，不同COD濃度下每m3污水所能獲取的理論最大化學(xué)潛能值可根據(jù)表1能源換算關(guān)系轉(zhuǎn)變成電當(dāng)量，具體計(jì)算結(jié)果如圖1所示。具體而言，COD=400mg/L時(shí)轉(zhuǎn)換的電當(dāng)量為0.56kW˙h/m3。
表1能源換算關(guān)系
1.2熱能計(jì)算
污水處理廠(chǎng)出水流量、水質(zhì)一般較為穩(wěn)定，且水溫變化不大，夏季在20~24℃之間（低于空氣環(huán)境溫度），冬季處于10~15℃范圍（高于空氣環(huán)境溫度）。因此，非常適合應(yīng)用水源熱泵工程。城市污水中所賦存的理論冷/熱量可用（4）式計(jì)算。
式中：A—城市污水冷/熱量，kJ
M—污水質(zhì)量，kg
Δt—污水進(jìn)出水源熱泵機(jī)組溫差，℃
C—污水比熱容，計(jì)算時(shí)取比熱容4.18kJ/(kg˙℃)
若取污水熱能溫差為4℃，則每m3污水中所含理論熱能值為：
將每m3污水中所含熱能值根據(jù)表1能源換算關(guān)系轉(zhuǎn)變成電當(dāng)量為1.85kW˙h/m3。
1.3熱能與化學(xué)能比值
圖1不同COD濃度下污水熱能與化學(xué)能比值以及每m3污水所含化學(xué)潛能理論值
2污水處理廠(chǎng)潛能轉(zhuǎn)化計(jì)算
2.1化學(xué)能轉(zhuǎn)化計(jì)算
不同污水處理工藝因運(yùn)行工況和所需設(shè)備不同導(dǎo)致處理過(guò)程耗能以及最終可回收的能量存在一定差異。本研究以目前包括脫氮除磷在內(nèi)而廣泛使用的A2/O工藝為藍(lán)本，根據(jù)之前已構(gòu)建的能量轉(zhuǎn)化物料平衡，參考圖2所示的流程編號(hào)建立計(jì)算公式。假設(shè)污泥厭氧消化產(chǎn)生的沼氣以熱電聯(lián)產(chǎn)（CHP）方式利用，并以此計(jì)算化學(xué)能轉(zhuǎn)化值，主要計(jì)算公式列于表2；其中，能量消耗定義為正，能量回收顯示為負(fù)。
圖2化學(xué)能轉(zhuǎn)化模型參考工藝流程
表2化學(xué)能轉(zhuǎn)化計(jì)算公式
2.2熱能轉(zhuǎn)化計(jì)算
水源熱泵總供熱量/制冷量可用式（6）計(jì)算。
式中：AR/L—熱泵總供熱量/制冷量，kJ；下標(biāo)R/L分別代表供熱/制冷工況；
W—熱泵所消耗電能對(duì)輸出熱能的貢獻(xiàn)值。
根據(jù)相關(guān)研究，W可利用水源熱泵供熱/制冷系數(shù)COP（表示輸入1kW˙h電的熱量，可以產(chǎn)生多少kW˙h的熱量，無(wú)因次）計(jì)算，即A:W:AR/L=COP±1:1:COP（供熱時(shí)取“-”，制冷時(shí)取“+”）；其中，COP表征了水源熱泵消耗電能轉(zhuǎn)化熱能的能力。
公式（6）中的“±”號(hào)選取根據(jù)不同目的而異。冬季供熱時(shí)，因水源熱泵消耗電能向污水轉(zhuǎn)化熱能，提高了輸出熱能值，所以取“+”，夏季制冷時(shí)，水源熱泵消耗電能向污水轉(zhuǎn)化熱能為負(fù)，降低了輸出熱能值，因此取“-”。
3案例計(jì)算、分析
污水實(shí)際可以獲得的潛能與所處地域、工藝選擇、處理規(guī)模有關(guān)。本研究以具有地域代表性的北方城市北京為例，選擇目前廣泛采用的A2/O工藝，處理規(guī)模選大型污水處理廠(chǎng)，根據(jù)上述列出的化學(xué)能、
3.1案例污水處理廠(chǎng)概況
北京某市政污水處理廠(chǎng)采用A2/O工藝，處理規(guī)模為60萬(wàn)m3/d。該廠(chǎng)全年平均進(jìn)/出水水質(zhì)以及相關(guān)運(yùn)行參數(shù)列于表3。初沉與剩余污泥經(jīng)過(guò)厭氧消化穩(wěn)定后脫水減量，厭氧消化池產(chǎn)生的沼氣假定通過(guò)熱電聯(lián)產(chǎn)（CHP）加以利用。
表3案例污水處理廠(chǎng)水質(zhì)及運(yùn)行參數(shù)
3.2化學(xué)能轉(zhuǎn)化計(jì)算
根據(jù)之前已經(jīng)建立的物料平衡模型，物料衡算中不考慮污泥外回流和混合液內(nèi)回流，忽略初沉池和二沉池排泥對(duì)水量的影響，并假定初沉池對(duì)COD截留不影響后續(xù)脫氮除磷效果，亦不考慮曝氣池內(nèi)COD揮發(fā)損失，對(duì)案例廠(chǎng)進(jìn)行物料衡算，得出厭氧消化池中產(chǎn)生甲烷量Sm=23.64kgCOD/m³。
據(jù)此，再根據(jù)表2相關(guān)計(jì)算公式，可對(duì)化學(xué)能轉(zhuǎn)化進(jìn)行計(jì)算，其中，c=4200J/(kg˙℃)，ρ=1020kg/m3，α=0.8。案例廠(chǎng)厭氧消化池設(shè)計(jì)進(jìn)泥量為3000m³/d，Q8-9=Q7-8=3000m³/d。因?yàn)樵谙刂腥芙庑訡OD（SCOD）并不能完全被降解（我國(guó)SCOD在消化池中的平均降解率為0.6），厭氧消化產(chǎn)沼氣熱電聯(lián)產(chǎn)的效率一般在65~90%（計(jì)算取值80%），所以，最后可得出案例廠(chǎng)工藝化學(xué)能轉(zhuǎn)化計(jì)算結(jié)果，列入表4。
表4案例污水處理廠(chǎng)工藝化學(xué)能轉(zhuǎn)化計(jì)算結(jié)果
表4計(jì)算結(jié)果顯示，污泥厭氧消化產(chǎn)CH4如果實(shí)施熱電聯(lián)產(chǎn)，所產(chǎn)生的能量遠(yuǎn)高于厭氧消化池加熱所投入的能量，即，污泥厭氧消化確實(shí)是一種能量轉(zhuǎn)化并輸出的必要單元。產(chǎn)生的凈能量也就是污水有機(jī)物在完成基本污染物去除功能（脫氮除磷兼COD去除）后所獲得的實(shí)際化學(xué)能，可以抵消曝氣、回流、消化池加熱等環(huán)節(jié)的能量消耗，以減少對(duì)外部能源的依賴(lài)。
3.3熱能轉(zhuǎn)化計(jì)算
案例廠(chǎng)出水流量、水質(zhì)均較為穩(wěn)定；水溫變化不大，夏季在20~24℃之間（低于空氣環(huán)境溫度），冬季處于10~15℃范圍（高于空氣環(huán)境溫度）。因此，非常適合應(yīng)用水源熱泵工程。利用公式（4），取用案例廠(chǎng)處理后的出水（60萬(wàn)m3），提取溫差設(shè)定Δt=4℃，則案例廠(chǎng)每天出水所含熱量計(jì)算如下：
根據(jù)綜合公式（6）和COP定義得到熱泵實(shí)際供熱量/制冷量的變形計(jì)算公式（8）。
計(jì)算中，分別取熱泵機(jī)組供熱COP為3.5、制冷COP為4.8，利用公式（7）、（8）以及表1中能源換算關(guān)系，可計(jì)算系統(tǒng)可獲取的熱/冷量、系統(tǒng)供熱/制冷時(shí)機(jī)組實(shí)際能耗，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表5。
表5水源熱泵系統(tǒng)利用案例廠(chǎng)出水可產(chǎn)生的當(dāng)量電量
表5顯示，水源熱泵系統(tǒng)在供熱工況下，每消耗494211kW˙h電量，可產(chǎn)生1556544kW˙h的電當(dāng)量，熱泵機(jī)組每天凈產(chǎn)出電當(dāng)量1062333kW˙h。在制冷工況下，每消耗213022kW˙h電量，可產(chǎn)生920179kW˙h電當(dāng)量，熱泵機(jī)組每天凈產(chǎn)能電當(dāng)量707157kW˙h。可見(jiàn)，案例廠(chǎng)如果采用水源熱泵系統(tǒng)，節(jié)能與能量回收效果非常明顯。
綜上所述，將水源熱泵系統(tǒng)從污水中獲取的熱能與污泥厭氧消化產(chǎn)CH4后熱電聯(lián)產(chǎn)轉(zhuǎn)化的化學(xué)能相比，熱能顯著高于化學(xué)能；供熱時(shí)熱能與化學(xué)能比值為1062333/118056=9.0，制冷時(shí)熱能與化學(xué)能的比值為707157/118056=6.0。
3.4潛能評(píng)價(jià)與碳中和運(yùn)行
為評(píng)價(jià)污水可獲潛能與污水處理碳中和運(yùn)行的可行性，將上述案例廠(chǎng)每天經(jīng)轉(zhuǎn)化可獲得的潛能值與實(shí)際運(yùn)行耗能進(jìn)行比較，數(shù)據(jù)列于表6，其中，輸入為正，輸出為負(fù)，能量單位kW˙h。
表6案例廠(chǎng)能耗及可獲化學(xué)能
表6顯示，案例廠(chǎng)實(shí)際運(yùn)行時(shí)每天總能耗為221945kW˙h。這表明，經(jīng)熱電聯(lián)產(chǎn)產(chǎn)生的化學(xué)能只能滿(mǎn)足該廠(chǎng)曝氣、回流、厭氧池加熱等主要耗能單元的53.2%，并不能涵蓋全部運(yùn)行能耗。但是，如果用水源熱泵彌補(bǔ)46.8%碳中和運(yùn)行能量赤字，每天只需使用5.9萬(wàn)m3（供熱時(shí)）和8.8萬(wàn)m3（制冷時(shí)）的出水，僅相當(dāng)于60萬(wàn)m3/d處理水量的9.8%和14.7%。也就是說(shuō)，只需利用不足15%的出水熱量即可彌補(bǔ)化學(xué)能在實(shí)現(xiàn)碳中和運(yùn)行時(shí)的能量赤字�？梢�(jiàn)，污水余溫所含能量之巨大，85%的熱/冷能可供廠(chǎng)外周邊供熱/制冷用戶(hù)使用。
案例廠(chǎng)實(shí)際運(yùn)行能耗為0.37kW˙h/m³；熱電聯(lián)產(chǎn)轉(zhuǎn)化的化學(xué)能電當(dāng)量為0.20kW˙h/m³；供熱/制冷時(shí)（全部出水）熱能電當(dāng)量分別為1.77kW˙h/m³和1.18kW˙h/m³。電當(dāng)量折算表明，供熱時(shí)化學(xué)能與熱能潛能值合計(jì)為1.97kW˙h/m³，制冷時(shí)合計(jì)為1.38kW˙h/m³。
4結(jié)語(yǔ)
污水有機(jī)物化學(xué)能與余溫?zé)崮苡?jì)算表明，污水中確實(shí)蘊(yùn)含著巨大的潛在能量。污水所含化學(xué)能、熱能理論值雖然前者小于后者，但相差倍數(shù)不大，取決于進(jìn)水COD濃度。如果進(jìn)水COD=400mg/L，與獲取4℃余溫差熱量相比，熱能約為化學(xué)能的3.33倍。
然而，有機(jī)物化學(xué)能在實(shí)際能量轉(zhuǎn)化過(guò)程中有相當(dāng)一部分不能回收（如COD氧化分解至CO2部分，即分解）或散失（受限于能量轉(zhuǎn)化效率）。實(shí)際案例計(jì)算表明，以水源熱泵轉(zhuǎn)化同樣溫差（4℃）熱能實(shí)際可獲取的熱/冷量分別是污泥厭氧消化產(chǎn)甲烷（CH4）后熱電聯(lián)產(chǎn)（CHP）可獲得化學(xué)能的9.0倍（供熱）和6.0倍（制冷），即供熱時(shí)污水熱能與化學(xué)能所占比例大約為90%和10%，與國(guó)際專(zhuān)家聲稱(chēng)值（90%和10%）完全一致。
污水潛能折算電當(dāng)量后顯示，熱電聯(lián)產(chǎn)轉(zhuǎn)化的化學(xué)能電當(dāng)量為0.20kW˙h/m³，而供熱/制冷時(shí)（全部出水）電當(dāng)量分別為1.77kW˙h/m³和1.18kW˙h/m³。電當(dāng)量折算表明，供熱時(shí)化學(xué)能與熱能潛能值合計(jì)1.97kW˙h/m³，制冷時(shí)合計(jì)1.38kW˙h/m³。
案例廠(chǎng)實(shí)際運(yùn)行能耗為0.37kW˙h/m³，上述經(jīng)轉(zhuǎn)化后可獲得的有機(jī)物化學(xué)能（0.20kW˙h/m³）僅能滿(mǎn)足碳中和運(yùn)行能量需求的53.2%。碳中和赤字能量（46.8%）利用不足15%（供熱9.8%/制冷14.7%）的出水量中熱能即可獲得滿(mǎn)足。
污水潛能計(jì)算結(jié)果預(yù)示著我國(guó)污水處理行業(yè)若要實(shí)現(xiàn)碳中和運(yùn)行，僅靠有機(jī)物化學(xué)能是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，必須就近考慮利用潛在、巨大的污水余溫?zé)崮�。誠(chéng)然，污水熱能是一種低品位能量，不可能用于發(fā)電目的，只能直接、近距離熱/冷量利用。這就需要市政熱力規(guī)劃進(jìn)行全盤(pán)考慮，將污水處理廠(chǎng)大部分熱能提取而供出廠(chǎng)外，用以交換自身碳中和運(yùn)行赤字電量。
