WATER8848前言：“污水處理綠色低碳標桿廠”的概念強調(diào)了在污水處理過程中實現(xiàn)“綠色”和“低碳”兩個核心目標。這里的“標桿”意味著這些污水處理廠不僅要在技術(shù)水平、運營效率上達到行業(yè)領(lǐng)先水平，更要在減少溫室氣體排放、促進能源資源高效循環(huán)利用等方面成為行業(yè)的典范和參照點。

關(guān)于“綠色”的評價標準，它通常涉及資源的有效利用、環(huán)境的友好性以及生態(tài)的恢復(fù)與保護等方面。在污水處理領(lǐng)域，這可能包括減少化學(xué)藥劑的使用、提高污泥的資源化利用率、增強水體的生態(tài)功能等。

而“低碳”的評價標準則聚焦于減少溫室氣體排放和提高能源利用效率。這可能包括優(yōu)化污水處理工藝以減少能源消耗、采用可再生能源（如太陽能、風(fēng)能等）替代化石能源、開展碳捕捉和儲存技術(shù)等。

針對如何建設(shè)“標桿廠”，從以下幾個方面入手：

1. 技術(shù)創(chuàng)新：采用先進的污水處理技術(shù)和工藝，如生物處理技術(shù)、膜技術(shù)等，以提高處理效率并減少能源消耗和溫室氣體排放。

2. 能源優(yōu)化：優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)，提高可再生能源的利用比例，如利用太陽能、風(fēng)能等可再生能源為污水處理廠提供動力。

3. 資源回收：加強污泥的資源化利用，如將污泥轉(zhuǎn)化為肥料、燃料等，以減少污泥的處置成本并降低環(huán)境負擔(dān)。

4. 管理創(chuàng)新：建立精細化的管理體系，利用數(shù)據(jù)技術(shù)和智能監(jiān)控手段提高污水處理廠的運營效率和管理水平。

5. 標準制定：加快制定和完善相關(guān)的國家標準和行業(yè)標準，為“標桿廠”的建設(shè)提供明確的指導(dǎo)和依據(jù)。

目前，雖然國家層面尚未有具體的評價標準，但企業(yè)可以參考現(xiàn)有的相關(guān)標準和規(guī)范，如《城鎮(zhèn)污水處理廠碳減排評估標準》、《污水處理廠低碳運行評價技術(shù)規(guī)范》等，作為建設(shè)“標桿廠”的參考和借鑒。同時，隨著國家相關(guān)政策的出臺和標準的完善，相信“標桿廠”的建設(shè)將會得到更加明確和具體的指導(dǎo)。

 

污水處理綠色低碳標桿廠在推動污水處理行業(yè)的綠色、低碳、可持續(xù)發(fā)展方面發(fā)揮著重要作用。以下是關(guān)于其作用的詳細分析：

1. 促進節(jié)能減排和低碳發(fā)展：
   • 標桿廠采用先進的污水處理技術(shù)和工藝，能夠有效提高污水處理效率，降低能耗和碳排放。
   • 通過優(yōu)化能源利用，如利用可再生能源替代傳統(tǒng)能源，以及采用節(jié)能降耗的技術(shù)和設(shè)備，實現(xiàn)污水處理的低碳運行。
   • 標桿廠的建設(shè)有助于推動污水處理行業(yè)向綠色低碳方向轉(zhuǎn)型，為碳達峰和碳中和目標做出貢獻。
2. 提升資源利用效率：
   • 標桿廠在污水處理過程中注重資源的循環(huán)利用，如污泥的資源化利用、水資源的回收再利用等，提高資源利用效率。
   • 通過推廣和應(yīng)用資源化利用技術(shù)，減少廢棄物的產(chǎn)生，降低對環(huán)境的壓力，促進可持續(xù)發(fā)展。
3. 推動技術(shù)創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)升級：
   • 標桿廠的建設(shè)促進了污水處理技術(shù)的創(chuàng)新和發(fā)展，推動行業(yè)技術(shù)進步和產(chǎn)業(yè)升級。
   • 標桿廠在污水處理過程中積極引入新技術(shù)、新工藝和新設(shè)備，提高污水處理效率和水質(zhì)標準。
   • 通過標桿廠的示范引領(lǐng)作用，帶動整個污水處理行業(yè)的技術(shù)創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)升級。
4. 增強環(huán)境監(jiān)管和治理能力：
   • 標桿廠在建設(shè)和運行過程中加強了環(huán)境監(jiān)管和治理能力，確保污水處理過程的綠色、低碳、安全、穩(wěn)定。
   • 通過建立完善的環(huán)境監(jiān)測和預(yù)警系統(tǒng)，及時發(fā)現(xiàn)和處理環(huán)境問題，保障生態(tài)環(huán)境安全。
   • 標桿廠的建設(shè)有助于提升污水處理行業(yè)的環(huán)境監(jiān)管和治理能力，促進生態(tài)環(huán)境保護和可持續(xù)發(fā)展。
5. 引領(lǐng)行業(yè)發(fā)展和樹立標桿：
   • 標桿廠在污水處理行業(yè)中樹立了綠色低碳的標桿，引領(lǐng)行業(yè)向綠色、低碳、高效方向發(fā)展。
   • 通過標桿廠的示范引領(lǐng)作用，鼓勵其他污水處理廠積極向標桿廠學(xué)習(xí)借鑒，推動整個行業(yè)的綠色、低碳、可持續(xù)發(fā)展。
   • 根據(jù)《關(guān)于推進污水處理減污降碳協(xié)同增效的實施意見》，到2025年，全國將建成100座能源資源高效循環(huán)利用的污水處理綠色低碳標桿廠，這將極大地推動污水處理行業(yè)的綠色、低碳發(fā)展進程。

綜上所述，污水處理綠色低碳標桿廠在促進節(jié)能減排和低碳發(fā)展、提升資源利用效率、推動技術(shù)創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)升級、增強環(huán)境監(jiān)管和治理能力、引領(lǐng)行業(yè)發(fā)展和樹立標桿等方面發(fā)揮著重要作用。

污水處理綠色低碳標桿廠的特點可以歸納為以下幾個方面：

1. 綠色低碳理念貫穿全過程：
   • 從設(shè)計、建設(shè)到運營、管理，標桿廠始終貫徹綠色低碳理念，將節(jié)能、降耗、減排作為重要目標。
   • 如鄭州新區(qū)污水處理廠，在設(shè)計階段就充分考慮了節(jié)能高效的深度處理工藝，同時充分利用污泥中所含能量，降低能耗。
2. 高效處理工藝與設(shè)備：
   • 標桿廠采用先進的污水處理技術(shù)和工藝，如微濾、超濾、反滲透等膜法，或結(jié)合生化處理和微絮凝過濾等傳統(tǒng)方法，確保出水水質(zhì)穩(wěn)定達到國家標準，甚至超越標準。
   • 在設(shè)備選型上，優(yōu)先選擇節(jié)能高效設(shè)備，如高效節(jié)能型水泵、低諧波變頻控制等，提高設(shè)備運行效率。
3. 能源資源高效循環(huán)利用：
   • 標桿廠注重能源資源的循環(huán)利用，如通過厭氧消化、熱干化等技術(shù)實現(xiàn)污泥中熱能的回收利用，減少碳排放。
   • 利用構(gòu)筑物面積安裝光伏發(fā)電設(shè)備，為廠區(qū)提供清潔能源，如鄭州新區(qū)污水處理廠平均年發(fā)電量達到1160萬kwh，有效減少了外網(wǎng)供電量。
4. 智能化運營與管理：
   • 標桿廠借助智能化技術(shù)實現(xiàn)精細化管控，如應(yīng)用智能調(diào)控系統(tǒng)、自動倒換系統(tǒng)等提高生產(chǎn)穩(wěn)定性和設(shè)備使用壽命。
   • 建立完善的環(huán)境監(jiān)測和預(yù)警系統(tǒng)，實現(xiàn)污水處理過程的實時監(jiān)控和預(yù)警，確保環(huán)境安全。
5. 創(chuàng)新技術(shù)應(yīng)用：
   • 標桿廠在污水處理過程中積極引入新技術(shù)、新工藝和新設(shè)備，如水源熱泵技術(shù)應(yīng)用、污泥處理新工藝等，提高處理效率和環(huán)保性能。
   • 通過技術(shù)創(chuàng)新和升級改造，推動污水處理行業(yè)的綠色、低碳、高效發(fā)展。
6. 顯著的減污降碳效果：
   • 標桿廠在減少溫室氣體排放、降低能耗和藥耗等方面取得顯著成效，如鄭州新區(qū)污水處理廠通過厭氧消化和光伏發(fā)電技術(shù)預(yù)計每年可減少二氧化碳排放約1萬噸。
   • 通過優(yōu)化工藝和設(shè)備選型等措施，實現(xiàn)污水的深度處理和資源的高效利用，促進生態(tài)環(huán)境保護和可持續(xù)發(fā)展。

綜上所述，污水處理綠色低碳標桿廠在綠色低碳理念、高效處理工藝與設(shè)備、能源資源循環(huán)利用、智能化運營與管理、創(chuàng)新技術(shù)應(yīng)用以及減污降碳效果等方面具有顯著特點。這些特點使得標桿廠在污水處理行業(yè)中具有較高的示范引領(lǐng)作用，有助于推動整個行業(yè)的綠色、低碳、高效發(fā)展。

污水處理綠色低碳標桿廠的各項指標達到了相當高的水平，這些指標涵蓋了綠色、低碳、高效等多個方面。以下是對這些指標的詳細梳理和歸納：

1. 綠色指標：
   • 資源循環(huán)利用：標桿廠通過采用先進的污泥處理技術(shù)，如厭氧消化、熱干化等，實現(xiàn)了污泥中熱能的回收利用，減少了碳排放。同時，利用構(gòu)筑物面積安裝光伏發(fā)電設(shè)備，為廠區(qū)提供清潔能源，實現(xiàn)了能源資源的循環(huán)利用。
   • 生態(tài)恢復(fù)與保護：標桿廠注重水體的生態(tài)功能恢復(fù)和保護，通過優(yōu)化污水處理工藝，減少對水生態(tài)系統(tǒng)的破壞，促進了水環(huán)境的自然恢復(fù)。
2. 低碳指標：
   • 碳排放量：標桿廠通過采用節(jié)能高效的污水處理技術(shù)和設(shè)備，大幅降低了污水處理過程中的能源消耗和溫室氣體排放。具體來說，如鄭州新區(qū)污水處理廠通過厭氧消化和光伏發(fā)電技術(shù)預(yù)計每年可減少二氧化碳排放約1萬噸。
   • 溫室氣體減排措施：標桿廠有針對性地采取了溫室氣體減排措施，并取得了顯著的減排效果。例如，科學(xué)開展污水管網(wǎng)清淤管護，減少甲烷排放；支持依法依規(guī)將上游生產(chǎn)企業(yè)可生化性強的廢水作為下游污水處理廠碳源補充；加強高效脫氮除磷等低碳技術(shù)應(yīng)用，減少脫氮過程氧化亞氮逸散。
3. 高效指標：
   • 處理效率：標桿廠采用先進的污水處理技術(shù)和工藝，確保出水水質(zhì)穩(wěn)定達到國家標準甚至超越標準。同時，通過優(yōu)化處理工藝和設(shè)備選型等措施，提高了污水處理效率和處理能力。
   • 運營效率：標桿廠借助智能化技術(shù)實現(xiàn)精細化管控，提高了生產(chǎn)穩(wěn)定性和設(shè)備使用壽命。通過引入智能控制系統(tǒng)實現(xiàn)自動調(diào)節(jié)和優(yōu)化運行減少人工干預(yù)提高能源利用效率。
4. 具體數(shù)字與效果：
   • 節(jié)能降耗：標桿廠通過廢熱回收利用、生物能源利用和智能控制系統(tǒng)等技術(shù)手段最大限度地減少了污水處理過程中所需的能源消耗降低了采暖、照明、通風(fēng)等方面的能源支出。
   • 環(huán)境保護效果：節(jié)能減排技術(shù)的應(yīng)用減少了對環(huán)境的污染降低了大氣中的溫室氣體排放有效減少了水體和土壤污染的程度保護了生態(tài)環(huán)境。

綜上所述污水處理綠色低碳標桿廠在綠色、低碳、高效等多個方面均達到了較高的水平通過采用先進的技術(shù)和設(shè)備實現(xiàn)了資源的循環(huán)利用、溫室氣體的減排以及處理效率的提升為污水處理行業(yè)的綠色、低碳、高效發(fā)展樹立了標桿。

關(guān)于污水處理綠色低碳標桿廠的指標在國內(nèi)外的領(lǐng)先程度，從以下幾個方面進行清晰的分析和歸納：

一、國內(nèi)領(lǐng)先程度

在國內(nèi)，污水處理綠色低碳標桿廠的指標確實處于領(lǐng)先地位。這主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

技術(shù)先進性：標桿廠采用了先進的污水處理技術(shù)和工藝，如中國節(jié)能自主研發(fā)的“AAO工藝高標準處理城鎮(zhèn)污水低碳集成技術(shù)”，該技術(shù)經(jīng)鑒定委員會專家評估，一致認定達到國際先進水平。

節(jié)能降耗效果：標桿廠通過采用節(jié)能高效的深度處理工藝、充分利用污泥中所含能量、合理配置工藝段和優(yōu)化設(shè)備選型等措施，實現(xiàn)了顯著的節(jié)能降耗效果。例如，鄭州新區(qū)污水處理廠采用上述措施后，單位噸水能耗降低8%-16%，單位噸水藥劑（除磷、碳源）耗量降低15%-50%。

資源循環(huán)利用：標桿廠注重資源的循環(huán)利用，如通過厭氧消化和熱干化工藝實現(xiàn)污泥中熱能的回收利用，以及利用光伏發(fā)電技術(shù)為廠區(qū)提供清潔能源。這些措施不僅降低了運營成本，還減少了對環(huán)境的壓力。

二、國外領(lǐng)先程度

與國外相比，國內(nèi)污水處理綠色低碳標桿廠的指標在某些方面已達到或接近國際先進水平，但在某些方面仍有提升空間。

技術(shù)水平：國內(nèi)標桿廠采用的技術(shù)在國際上具有一定的競爭力。但值得注意的是，一些發(fā)達國家在污水處理技術(shù)方面有著更長的歷史和經(jīng)驗積累，可能擁有更為成熟和先進的技術(shù)。

能源自給率：在能源自給方面，國內(nèi)標桿廠雖然已有一定的進展，但與一些發(fā)達國家相比仍有一定差距。例如，丹麥的Marselisborg污水處理廠通過沼氣發(fā)電實現(xiàn)了100%的能量自給，并有50%的電力盈余。

碳排放量：國內(nèi)標桿廠在降低碳排放方面取得了顯著成效，但與國際先進水平相比仍有提升空間。隨著全球氣候變化問題的日益嚴重，未來在降低污水處理過程中的碳排放量方面將面臨更大的挑戰(zhàn)。

三、總結(jié)

綜上所述，國內(nèi)污水處理綠色低碳標桿廠的指標在國內(nèi)處于領(lǐng)先地位，并在國際上具有一定的競爭力。但與一些發(fā)達國家相比，在技術(shù)水平、能源自給率和碳排放量等方面仍有提升空間。未來，國內(nèi)污水處理行業(yè)應(yīng)繼續(xù)加強技術(shù)創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)升級，推動綠色低碳發(fā)展，為實現(xiàn)碳達峰和碳中和目標做出貢獻。

 

來源： IWA微信公眾號
本月IWA微信公眾號曾向大家介紹過 丹麥污水廠如何通過全面的運行優(yōu)化措施實現(xiàn)了能量自給 。2016年底，國際著名科學(xué)期刊《新科學(xué)家 (New Scientist) 》報道了Aarhus將成為世界上第一個用污水處理回收的能量來給市民提供自來水供給服務(wù)的城市。該市的Marselisborg 污水廠目前的產(chǎn)能能力估計在自身所需能耗的192%-230%的水平，能滿足周邊20萬居民的供水能耗需求。據(jù)稱這是全球首個單從污水中回收能量實現(xiàn)能量盈余的案例：他們沒有在污水廠內(nèi)蓋光伏太陽能板，也沒有建風(fēng)力發(fā)電機或從添加餐廚垃圾協(xié)同消化，只是通過中溫厭氧消化技術(shù)，從污水中回收沼氣，再通過熱電聯(lián)產(chǎn)回收能量。

今天的推送我們將從另外一個角度帶大家走近 Marselisborg 污水廠，了解他們在主流厭氧氨氧化上的嘗試和經(jīng)驗。

 

圖1.Marselisborg污水處理廠鳥瞰圖 | 圖源：BACWA.org

Marselisborg污水廠的升級工作早在2010年就開始了，經(jīng)過多年的努力終于打造成了全球水務(wù)行業(yè)的新標桿。其升級內(nèi)容包括了碳捕捉、厭氧氨氧化、ORC廢氣能量回收等工藝技術(shù)和更先進的控制系統(tǒng)。2015年3月，他們安裝了DEMON的側(cè)流厭氧氨氧化反應(yīng)器，來處理厭氧消化的高氨氮出水。同時，他們將DEMON的剩余污泥富集到主流中，企圖實現(xiàn)一定程度的主流厭氧氨氧化，以進一步降低處理能耗。

 

圖2.Marselisborg污水處理廠工藝流程圖 | 圖源：janeschipma.bloggersdelight.dk

這是一項開創(chuàng)性的長期實驗，時間超過3年，研究團隊想解答兩個疑問：

在沒有旋流分離器的情況下，厭氧氨氧化菌能否在留在主流里；

為了評估這次長期研究的效果，他們在2018年8月進行了兩次采樣，通過同位素示蹤技術(shù)（15N原位標記），在10、20、30°C三個不同溫度下，測量DEMON和主流活性污泥的anammox和反硝化率，主要考察內(nèi)容包括：

（a）計算厭氧氨氧化和反硝化反應(yīng)的溫度依賴性；

（b）評估厭氧氨氧化菌對主流潛在低溫的適應(yīng)性；

（c）鑒定各反應(yīng)器中的厭氧氨氧化和反硝化作用的相對重要性。

他們也想通過研究發(fā)現(xiàn)主流的厭氧氨氧化或反硝化作用是否會跟短程生物脫氮 （SBNR）相結(jié)合，例如DEMON工藝中的硝化-厭氧氨氧化反應(yīng)。所以他們也就主流的DO、氨氮、硝態(tài)氮和亞硝態(tài)氮進行原位測量，分析氮轉(zhuǎn)化的情況。

研究結(jié)果

溫度依賴性顯著

如下圖1所示，厭氧氨氧化和反硝化反應(yīng)顯示了溫度依賴性，在30°C時反應(yīng)速率最高，而且溫度對anammox菌影響更明顯—— 10°C的速率和30°C的速率相差近10倍

 

 

圖3. 左側(cè)是DEMON，右側(cè)是硝化/反硝化池的速率對比（灰色TSS, 黑色是VSS）。其中Anammox的速率是15N標記的 15 NH 4 -N生成的 29 N 2 -N來計算的；反硝化使用 15 NO 2 -N生成的 30 N 2 -N

主流的Anammox速率超低

結(jié)果顯示，厭氧氨氧化是DEMON反應(yīng)器中主要的異化脫氮路徑，而反硝化是硝化/反硝化池中的主要脫氮路徑。在30°C的DEMON里，厭氧氨氧化速率是反硝化的30倍，但在10°C的硝化/反硝化池里（丹麥非夏季溫度），反硝化速率是厭氧氨氧化的115倍，在20°C的情況下（丹麥夏季溫度），這差值更是升至173倍。因此在此研究里，Marselisborg污水廠主流脫氮里的anammox可以說是可以忽略不計的。

全硝化占優(yōu)勢

調(diào)查很大程度上排除了短程脫氮在該污水廠硝化/反硝化池存在的可能性。如下圖2所示，曝氣池里的氨氮大多氧化成硝態(tài)氮。他們認為亞硝態(tài)氮向硝態(tài)氮的轉(zhuǎn)化非常之快，所以很難捕捉，而且此進程可以在胞內(nèi)完成（例如通過可以一步硝化的comammox菌）。

 

 

 

圖4.四種物質(zhì)在硝化/反硝化池的濃度的時間序列。左、右兩圖的水深分別為1.5m和3-4m；a/b/c分別指靠近、位于和遠離曝氣區(qū)的情況。

 

 

 

圖5. 硝化/反硝化池不同深度的氨氮凈消耗速率和硝態(tài)氮和亞硝態(tài)氮的生成速率情況。a/b/c分別指靠近、位于和遠離曝氣區(qū)的情況

結(jié)果討論

側(cè)流厭氧氨氧化已在Marselisborg污水廠成功實施。因此他們想借此順便測試主流厭氧氨氧化的可能性。之所以選擇直接連續(xù)式的進料方式，是因為這樣可以充分利用已有的設(shè)施，無需對工藝和反應(yīng)池進行重新設(shè)計。盡管這次嘗試非常具有開創(chuàng)性，應(yīng)該是唯一一個在正常運行的污水廠里將anammox菌引入主流線的長期實驗，但結(jié)果顯示主流線中的厭氧氨氧化的反應(yīng)速率只有反硝化的約1%。

研究團隊在報告討論部分對這個結(jié)果進行探討。他們認為隨著這些細菌存在溫度依賴性，而且丹麥的氣溫偏低，這會影響厭氧氨氧化進程對低溫的適應(yīng)，但他們覺得這些不是唯一的原因。他們認為厭氧氨氧化菌的低豐度是乍眼看去一個信服的解釋——在側(cè)流DEMON里，旋流分離器幫助厭氧氨氧化顆粒的富集，其污泥顆粒比達22%。但在這次試驗里，他們沒有在主流里做顆粒截留富集的措施，也沒有控制顆粒從DEMON到硝化/反硝化的轉(zhuǎn)移。

另外，Marselisborg污水廠的SRT為6-12天，作者認為SRT不夠長也可能影響了anammox菌的生長。因此他們認為可以嘗試通過延長SRT來增加細菌的截留率，例如將SRT和HRT進行分離，但這需要重新設(shè)計工藝，以及提高A段初始污泥的提取率，讓主流工藝變得更像DEMON，只是溫度更低，而C含量更高而已。他們提議的另一個可能就是安裝旋流分離器這樣的設(shè)備或者生物膜載體，因為有相關(guān)文獻顯示了可行性。

然而，作者也指出，上述的猜測可能只是亞硝態(tài)氮濃度低的結(jié)果，所以后者才是更深層次的原因。這么一來，如何強化亞硝化反應(yīng)將成為關(guān)鍵，但這就需要為富集AOB菌和抑制NOB菌創(chuàng)造條件。丹麥天氣的限制因素決定了不能通過提高溫度來促進AOB菌的生長。但是他們認為調(diào)節(jié)pH可能是一個可行途徑，因為NOB菌生長的最佳pH在7.2-7.6之間，而anammox不受低pH影響（6.7-8.3），因為將pH調(diào)至7.0左右來為AOB生長創(chuàng)造優(yōu)勢。

小結(jié)

需要提醒的是，丹麥人這次主流厭氧氨氧化實驗的結(jié)果并不能說明主流厭氧氨氧化行不通，畢竟它只解答了兩個疑問，而且有很多限制條件。雖然這次研究本身顯示的結(jié)果并不成功，但也為我們帶來寶貴的數(shù)據(jù)，同時也說明如果只是簡單地引入anammox菌，不對主流工藝進行重新設(shè)計和控制的話，是不能順利實現(xiàn)主流厭氧氨氧化的。

Marselisborg污水廠低于主流厭氧氨氧化的探索仍在繼續(xù)，大家可以持續(xù)關(guān)注丹麥在這方面的研究進展。想了解這次研究更多細節(jié)的讀者，可以訪問國際水協(xié)會期刊《Water Science & Technology》以下網(wǎng)址下載并查閱原文：

由于疫情帶來的諸多限制，原定于明年在丹麥首都哥本哈根舉辦的IWA世界水大會現(xiàn)已決定延期至2022年9月。屆時，世界水大會也會安排對丹麥污水廠的技術(shù)參觀，帶大家近距離了解丹麥在污水處理能耗自給和碳中和上的經(jīng)驗，歡迎大家關(guān)注和參與。

 

視頻：Danfoss公司關(guān)于Marselisborg污水廠介紹視頻

Aarhus是北歐國家丹麥的第二大城市，人口規(guī)模約30萬，距丹麥首都哥本哈根有三個多小時的車程。這里有一座叫Marselisborg 的污水廠，很多當?shù)鼐用窆烙嬕矎奈绰犨^。不過在2016年國際能源署(IEA)發(fā)布了《世界能源展望2016》之后，這座污水廠吸引了世界各地專家團的拜訪。原因是由于這座污水廠的改造，Aarhus成為全球首個用污水處理回收的能量來滿足本地自來水供給服務(wù)能耗需求的城市。

 

圖. Marselisborg污水廠 | 圖源：Aarhus Vand

污水廠實現(xiàn)100%的能量自給，也不算新聞了。在污水廠內(nèi)蓋太陽能板，安裝風(fēng)力發(fā)電機，以及添加外源餐廚垃圾和污泥協(xié)同消化都可以算是污水廠的產(chǎn)能途徑。

但在水務(wù)同行看來，這幾種實現(xiàn)能量自給的方式都有“作弊”嫌疑。Marselisborg污水廠的特別之處在于，它僅從進水中蘊含的能量就能實現(xiàn)能量盈余。它是怎么做到的呢？

長期規(guī)劃

為山九仞,豈一日之功。Aarhus水務(wù)早在2006年就開始積極籌劃水務(wù)運營的節(jié)能減耗大計。首先，他們將當?shù)?4座污水處理廠精簡為4座，未來將進一步縮減為2座，包括最大的Marselisborg污水廠和十多公里外的Egaa污水廠。Marselisborg污水廠日平均處理量為27,500m³，約20多萬的人口當量。通過10年的優(yōu)化，該污水廠在沒有添加外來有機廢物的情況下，從污水中回收沼氣，選擇中溫厭氧消化工藝(38°C)，再將沼氣通過熱電聯(lián)產(chǎn)回收能量。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?shù)氐墓┡�系統(tǒng)。經(jīng)過對污水處理廠系統(tǒng)的不斷優(yōu)化，Aarhus水務(wù)的水圈已經(jīng)實現(xiàn)完全的能量中和。

多管齊下

顯然，僅僅使用傳統(tǒng)的厭氧消化是不足以幫助Marselisborg污水廠實現(xiàn)能量盈余的，它的運行優(yōu)化是全方位的。

SCADA系統(tǒng)是其中的基礎(chǔ)。SCADA是數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制系統(tǒng)的英文縮寫，總投入40萬歐元。Aarhus水務(wù)的總工程師Per Overgaard Pedersen說：“SCADA的優(yōu)化包括了對氨氮、磷水平的監(jiān)控，以及一些設(shè)備上的變頻器控制，這些優(yōu)化是電耗可以降低的最大貢獻來源。這部分投資的回報期只需2-3年。” Pedersen先生說的變頻器(VFD)幾乎安裝在了污水廠的所有旋轉(zhuǎn)設(shè)備中，包括鼓風(fēng)機、提升泵、攪拌設(shè)備和脫水泵。變頻器幫助工廠以最大的靈活性來適應(yīng)每日污水進水負荷的變化。他們使用的是Danfoss的VLT®變頻器。

 

圖. Marselisborg污水廠70%的節(jié)能歸功于先進的SCADA控制系統(tǒng) | 圖源:IWA

2014年，Marselisborg污水廠對污泥處理線進行了升級，引進了先進的側(cè)流厭氧氨氧化DEMON®工藝，投資成本約40萬歐。“這套系統(tǒng)的一個好處是它每年能讓我們節(jié)省約8萬歐的污水稅，因為它能使污水廠的出水總氮值減少2mg/L。” Pedersen評論道。此外，厭氧氨氧化工藝也為污水廠每年節(jié)省5萬kWh的電耗。

之后，他們新增購了一臺污泥脫水離心機，對消化反應(yīng)器的剩余污泥進行脫水。這些污泥最終還會成為農(nóng)用肥料。能效更高的離心機能為廠區(qū)每年節(jié)省5萬KWh電耗。

除了節(jié)流，Aarhus污水廠也很重視開源的工作。污水廠有三個厭氧消化反應(yīng)器。為了提高產(chǎn)電效率，他們新購了兩臺250kW和一臺355kW的熱電聯(lián)產(chǎn)單元，總投資約170萬歐。

Marselisborg污水廠能耗優(yōu)化措施一覽：

 

圖.更高效的渦輪壓縮機、熱電聯(lián)產(chǎn)內(nèi)燃機、熱交換器和變頻器 | 圖源:Aarhus Vand

改進成果

正如上述所說，SCADA的引入對污水工藝的許多細節(jié)進行了優(yōu)化，加上其他設(shè)備的升級，污水廠的年電耗一共節(jié)省了約1GWh，污水廠電耗從2005年的4.2GWh降至2016年的3.15GWh,減幅約25%，相當于節(jié)省了8.7萬歐元的電費，處理一噸水的能耗降至0.25kWh/m³。

2016年，Marselisborg污水廠的總產(chǎn)電量4.8GWh，這意味著廠區(qū)的發(fā)電量比電耗多出53%，這些多余的電能會賣給國家電網(wǎng)，此外還有大約2.5GWh的多余的熱能直接用于地區(qū)供熱，創(chuàng)收約5.5萬歐元。這些成效是在沒有添加外來的餐廚垃圾等有機廢棄物或碳源的情況下取得的。通過這些能源交易，污水廠的產(chǎn)能能夠抵消水務(wù)公司其他業(yè)務(wù)的能耗，包括地下水開采、飲用水處理、飲用水和污水運輸以及污水廠自身的運行。

 

據(jù)Pedersen介紹，整個項目花費約300萬歐元。其中90%由水務(wù)公司自己投資，10%由政府資助。但掐指一算，因為余電和余熱的銷售每年可收入約32.6萬歐元，節(jié)能設(shè)備能每年減少約20.6萬歐元，加上每年8萬歐元排污稅的節(jié)省，污水廠每年一共可節(jié)省超過60萬的費用，也就是說這筆投資不用5年就能回收成本。因為維護成本的降低和并網(wǎng)電量的增加，這項目也得到了市民的支持，因為他們是最終的受益者——水價降低了！

 

下一個十年?

Marselisborg污水廠在2006-2016年間的升級改造顯然已經(jīng)相當成功。但Aarhus水務(wù)并不滿足以此。他們已經(jīng)為未來做好了準備——“在未來10年，我們會進一步將目前的4個污水廠減至2個，我們還打算打造一個全新的、處理能力更大的Marselisborg污水廠，為50萬人服務(wù)”， Aarhus水務(wù)的總工程師Pedersen先生說。“這里確實沒有多余的擴建空間，但新的污水廠會給我們一個機會，將目前我們知道的最好的技術(shù)方案與實踐融入其中，而且不僅是污水處理本身，還包括資源回收等等方面。”

 

圖.Marselisborg 污水廠已經(jīng)改名為Aarhus Rewater

Pedersen先生指的最好的技術(shù)方案包括了更好的碳捕捉、主流厭氧氨氧化、ORC廢氣能量回收等工藝技術(shù)和更先進的控制系統(tǒng)，涉及的公司包括了Salsnes、EssDe™ 和 DEMON ™ 等。為了更好地對外宣傳Marselisborg 污水廠，Aarhus水務(wù)也賦予了它一個新的名字--Aarhus Rewater。

Marselisborg污水廠的升級工作早在2010年就開始了，經(jīng)過多年的努力終于打造成了全球水務(wù)行業(yè)的新標桿。“Aarhus模式”顯然吸引到了世界各地的效仿：過去幾年里，除了北歐鄰國，Pederson先生也已經(jīng)接待過來自法國、塞爾維亞、以及更遠的阿根廷、南非、印度、美國的代表團。

中國的污水廠是否也為下個十年做好準備了呢？相信中國不少地方也想復(fù)制這個“丹麥童話”。2021年5月的IWA世界水大會將在丹麥首都哥本哈根舉辦，屆時大家將有機會通過技術(shù)參觀對Aarhus水務(wù)的Marselisborg污水廠有更多的了解。
來源： 本文來自IWA國際水協(xié)會