ReWater -- 丹麥將打造世界最高效的污水資源回收廠
如果你是某水務(wù)公司的工程師，某天你的大老板把你和你的團(tuán)隊(duì)叫到辦公室，說(shuō)要給你20億人民幣，建一個(gè)全世界資源回收率最高的污水處理廠。你一開(kāi)始可能覺(jué)得老板在開(kāi)玩笑，但當(dāng)他說(shuō)他是認(rèn)真的時(shí)候，你會(huì)不會(huì)覺(jué)得這是你夢(mèng)想成真的時(shí)刻呢？
此時(shí)此刻，世界各地的污水處理工程師可能都很羨慕丹麥Aarhus水務(wù)的同行們，因?yàn)樗麄兙陀錾狭诉@樣的大好事。從2017年開(kāi)始，他們就計(jì)劃要在其管轄的Marselisborg污水廠附近打造一座更大更先進(jìn)的污水廠。目標(biāo)很簡(jiǎn)單，但也很明確——就是要成為世界上資源利用效率最高的污水處理廠。
中國(guó)人很少聽(tīng)說(shuō)過(guò)的Aarhus小城，為何有底氣建造世界標(biāo)桿級(jí)的大工程呢？他們又將如何實(shí)現(xiàn)這一大計(jì)呢？在本期微信推送里將帶大家一探究竟。
視頻：Aarhus ReWater
未雨綢繆的規(guī)劃
Aarhus是北歐國(guó)家丹麥的第二大城市，人口數(shù)約30萬(wàn)，距丹麥?zhǔn)锥几绫竟腥齻�(gè)多小時(shí)的車(chē)程。這里有一座叫Marselisborg 的污水廠，當(dāng)?shù)睾芏嗑用窆烙?jì)也從未聽(tīng)過(guò)。不過(guò)，在2016年國(guó)際能源署(IEA)發(fā)布《世界能源展望2016》之后，這座污水廠吸引了來(lái)自世界各地專(zhuān)家團(tuán)的拜訪。到訪的原因是：Aarhus如何通過(guò)改造污水廠，成為全球首個(gè)用污水處理回收的能量來(lái)滿足本地自來(lái)水供給服務(wù)的城市。
圖：Marselisborg污水廠 | 圖源：Aarhus Vand
Aarhus水務(wù)早在2005年就開(kāi)始了積極籌劃水務(wù)運(yùn)營(yíng)節(jié)能減耗的大計(jì)。首先，他們將當(dāng)?shù)?/span>14座污水處理廠精簡(jiǎn)為4座，其中最大的是Marselisborg污水廠。Marselisborg污水廠日平均處理量為27500m³。通過(guò)10年的優(yōu)化，該污水廠在2016年的污水產(chǎn)電量就能滿足自身的能耗，而且還有約50%（2014年為40%）的電力盈余。除此以外，還有2.5GW的熱能可輸送給當(dāng)?shù)氐墓┡到y(tǒng)。通過(guò)對(duì)污水處理廠系統(tǒng)的不斷優(yōu)化，Aarhus水務(wù)已經(jīng)完全實(shí)現(xiàn)能量的中和。
僅僅通過(guò)傳統(tǒng)的厭氧消化是不可能幫助Marselisborg污水廠實(shí)現(xiàn)能量盈余的，它的運(yùn)行優(yōu)化是全方位的，下邊是Aarhus水務(wù)對(duì)Marselisborg污水廠實(shí)施的一系列能耗優(yōu)化措施：
SCADA系統(tǒng)運(yùn)行，在線控制曝氣、氨氮、硝態(tài)氮和磷的水平，以及對(duì)硝化/反硝化工藝的控制；
用ABS HST渦輪壓縮機(jī)取代高真空渦輪鼓風(fēng)機(jī)(HV Turbo Blower)，提高曝氣的效率；
用能效更優(yōu)的丹麥Alfa Laval G3離心機(jī)替代之前的Alfa Laval 550；
用三個(gè)熱電聯(lián)產(chǎn)的沼氣燃機(jī)(CHP) 取代舊款燃?xì)獍l(fā)電機(jī)
污泥處理改用厭氧氨氧化工藝，主流線也有厭氧氨氧化工藝(Nitrite Shunt)
圖：更高效的渦輪壓縮機(jī)、熱電聯(lián)產(chǎn)內(nèi)燃機(jī)、熱交換器和變頻器 | 圖源:Aarhus Vand
事實(shí)上，在2006-2016年間，Marselisborg污水廠的升級(jí)改造已經(jīng)相當(dāng)成功。但Aarhus水務(wù)并不滿足于此。他們已經(jīng)做好了未來(lái)的規(guī)劃和準(zhǔn)備——在未來(lái)10年，Aarhus的污水廠會(huì)進(jìn)一步縮減，將從目前的4個(gè)減至2個(gè)，其中一座的規(guī)模將高達(dá)50萬(wàn)人口當(dāng)量，它將取代現(xiàn)有的Marselisborg污水廠。名字也已經(jīng)取好了，就是Aarhus Rewater。
圖：Aarhus Rewater水廠的資源回收理念
沒(méi)有確切計(jì)劃的計(jì)劃
為什么要建一個(gè)新的污水廠？這是因?yàn)?/span>Aarhus的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，該市的人口以每年6000人的速度增長(zhǎng)。這個(gè)增長(zhǎng)速度會(huì)使Marselisborg污水廠很快超負(fù)荷運(yùn)行，而現(xiàn)在的廠址Tangkrogen位于Marselisborg森林和港口之間，那里的空間沒(méi)有辦法進(jìn)行原位擴(kuò)建。為了要滿足預(yù)期的人口增長(zhǎng)，他們需要新建ReWater污水廠來(lái)取代舊廠，而且要將運(yùn)營(yíng)成本降低40%。
有趣的是，他們至今還沒(méi)有確定具體的工藝技術(shù)，只列出了15個(gè)創(chuàng)新挑戰(zhàn)。他們將通過(guò)探索一系列的問(wèn)題，來(lái)確定最終的技術(shù)選擇。
圖：Marselisborg污水廠的鳥(niǎo)瞰圖
靈活設(shè)計(jì)
其實(shí)，Aarhus水務(wù)公司現(xiàn)在的“遲疑不決”是有道理的，因?yàn)槲鬯幚斫绲纳鐣?huì)需求似乎發(fā)生著新的變化。以污水中的新興污染物為例，這是過(guò)去的污水處理設(shè)計(jì)中從未考慮的問(wèn)題，未來(lái)污水廠要為此尋找答案。Aarhus水務(wù)認(rèn)為他們需要更靈活的設(shè)計(jì)架構(gòu)來(lái)應(yīng)對(duì)這些持續(xù)變化的挑戰(zhàn)。
對(duì)此他們制定了六大創(chuàng)新原則：
原則一，360°全方位分析
對(duì)與新水廠建設(shè)相關(guān)的潛在創(chuàng)新進(jìn)行全方位分析，并以此作為策略制定的基礎(chǔ)。根據(jù)這全方位分析，他們將15個(gè)挑戰(zhàn)問(wèn)題分成了四大類(lèi)別，如下圖所示：
原則二，創(chuàng)新和基礎(chǔ)設(shè)施的分離
在施工前完成創(chuàng)新測(cè)試，因?yàn)橐?guī)劃和施工再創(chuàng)新的成本和難度都很大。
原則三，持續(xù)學(xué)習(xí)型的污水廠
Aarhus水務(wù)的目標(biāo)不是建造一座未來(lái)百年一成不變的工廠。相反，他們要打造一個(gè)不斷擴(kuò)展知識(shí)、不斷改進(jìn)的污水廠，既解決已知的需求，也為未知的探索留出空間。
原則四，做好對(duì)意外的準(zhǔn)備
Aarhus水務(wù)認(rèn)為要指望水圈內(nèi)的人來(lái)創(chuàng)新太難了，因此需要從圈外人那里獲得靈感和啟發(fā)，特別是那些兼具學(xué)術(shù)深度和跨界思考能力的圈外專(zhuān)家。
原則五，做好知識(shí)之間的溝通
ReWater水廠要促進(jìn)外來(lái)新知識(shí)和建廠人員的內(nèi)行專(zhuān)業(yè)知識(shí)之間的有效交流，確保兩者之間的互動(dòng)和協(xié)作，為可行的新想法留出空間。
原則六，全方位激活
ReWater水廠是一個(gè)在多維度同時(shí)進(jìn)行的項(xiàng)目，因此要在水廠、城市和丹麥水資源集群之間建立連貫性，以確保最終獨(dú)一無(wú)二的結(jié)果。
圖：ReWater水廠的概念圖 | 圖源：Aarhus Vand
基于這六大原則，Aarhus邀請(qǐng)企業(yè)、供應(yīng)商、研究機(jī)構(gòu)等在早期就參與到項(xiàng)目中來(lái)，以求盡快解決上述的15大挑戰(zhàn)。因?yàn)樗麄兊哪繕?biāo)不僅僅是要建一個(gè)新的污水處理廠，更是一個(gè)資源回收工廠。
他們已經(jīng)在考察一系列先進(jìn)的技術(shù)方案，例如更好的碳捕捉、主流厭氧氨氧化、ORC廢氣能量回收等工藝技術(shù)和更先進(jìn)的控制系統(tǒng)，涉及的主要技術(shù)包括了Salsnes、EssDe™ 和 DEMON ™ 等。他們要將污水變成一種資源，并借此出售能源、提取有價(jià)值的金屬、回收氮磷等肥料，將污水處理變成正收益的生意。
以數(shù)字化為核心
Aarhus水務(wù)已經(jīng)對(duì)水務(wù)系統(tǒng)完成了初步的儀表化部署，有各種傳感器收集數(shù)據(jù)，在此基礎(chǔ)上，他們正在實(shí)踐“數(shù)字孿生”(Digital Twins)的理念，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行基于模型的控制和優(yōu)化。
圖：Aarhus水務(wù)的代表在Aquatech研討會(huì)上的分享報(bào)告截圖 | 圖源：Aquatech
例如，他們正在積極優(yōu)化對(duì)降雨事件的預(yù)測(cè)，以便更好地管理污水收集工作。
他們有雨水的貯存空間，這些緩沖容量能夠減少雨污溢流的發(fā)生，同時(shí)能更精準(zhǔn)地計(jì)算在雨天進(jìn)入污水處理廠的流量。這些工作的最終目的都是實(shí)現(xiàn)能耗最小化。
Aarhus水務(wù)的首席數(shù)字信息官 Jesper Kjelds 表示：“我們正在以此為基礎(chǔ)構(gòu)建我們的數(shù)字化藍(lán)圖。屆時(shí)，所有的一切都實(shí)現(xiàn)數(shù)字化。那些通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備收集的數(shù)據(jù)將成為未來(lái) ReWater資源工廠的關(guān)鍵部分。數(shù)字化已經(jīng)寫(xiě)進(jìn)了ReWater水廠的DNA中。”
2009年，哥本哈根市政府通過(guò)了《哥本哈根氣候計(jì)劃書(shū)》，定立了兩步走的目標(biāo)：到2015年，CO2排放量要同比2011年減排20%，并在2025年實(shí)現(xiàn)碳中和。Aarhus水務(wù)即將打造的這座污水資源回收工廠，是他們對(duì)丹麥碳中和的響應(yīng)。據(jù)介紹，這座污水廠有望在2028年投產(chǎn)運(yùn)行。屆時(shí)，丹麥將有很多世界知名的建筑設(shè)計(jì)公司，新水廠的模樣值得我們期待。
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https://www.aarhusvand.dk/en/international/our-solutions/wastewater/aarhus-rewater/
參考資料
https://www.youtube.com/watch?v=7KZTST_I7sI
https://www.aarhusvand.dk/en/international/our-solutions/wastewater/aarhus-rewater/status-right-now/
https://www.aquatechtrade.com/news/wastewater/digital-blueprint-for-water-innovation/
https://deltag.aarhus.dk/hoering/debatoplaeg-helhedsplan-tangkrogen
https://www.idrica.com/blog/digital-twins-aquatech-breakouts/
https://www.aquatechtrade.com/news/utilities/digital-twins-drive-better-utility-collaboration/
https://v.qq.com/x/page/b3276o7u6y7.html
