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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(shì)，其對(duì)推動(dòng)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(shí)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(duì)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(gè)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(shì)必會(huì)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(shí)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(shí)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(cè)。在世界范圍內(nèi)，部分污水廠已經(jīng)通過技術(shù)升級(jí)實(shí)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(shí)例(AAO工藝)，對(duì)污水廠碳中和運(yùn)行進(jìn)行了潛力分析。
當(dāng)前，污水廠實(shí)現(xiàn)碳中和途徑主要有以下3個(gè)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(shí)現(xiàn)。在污水處理過程中，會(huì)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(shí)現(xiàn)碳中和運(yùn)行。
模型針對(duì)北京幾個(gè)污水廠的實(shí)際污水水質(zhì)，模擬計(jì)算了“污泥厭氧產(chǎn)沼氣+熱電聯(lián)產(chǎn)”過程對(duì)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(shí)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(jì)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(shí)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(shí)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(dòng)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┨柲茕佋O(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(duì)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
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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(xiàng)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(jì)規(guī)模近600萬噸╱日水處理量。同時(shí)，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(shì)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。
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