自我國提出2060年全社會爭（zhēng）取實現“碳中和”目標後，各行各業對“碳中和（hé）”的討論持續高漲、熱度不減（jiǎn）。一（yī）方麵，這無疑（yí）推動了“碳中和”概念和知識的推廣宣傳，大（dà）大推（tuī）動了“碳中和”構建的*階段目標進程——明晰什麽是“碳中和”，即“知其（qí）然”！另一方麵，隨著對“碳中和”概念的不斷（duàn）理解和清晰，對如何實現行業“碳（tàn）中和”也打（dǎ）上了大大的問號。對於（yú）汙水處理廠來說，盡管國外已經存在完全實現“能量平衡”或（huò）“碳中和”運行的汙水處理廠實際案例，但國內依然存在對汙水處理（lǐ）廠能否實現“碳中和”的擔憂和質疑。從技術角度講，通過能量回（huí）收直接反哺或間接補償汙水廠的碳排量是實現“碳中和”的主要方式，而這些擔憂和（hé）質疑大多聚焦於“汙（wū）水處理廠真的有那麽多可回收能量（liàng）去實現‘碳中和（hé）’嗎？”

       正所謂“知其然更（gèng）應知其所以然（rán）”，隻（zhī）有厘清（qīng）了汙水處（chù）理廠可用的“家底”（能量）才能更有信（xìn）心地朝著“碳中和”方向努力。實際上，“中-荷中心”團隊負責人郝曉（xiǎo）地教授早（zǎo）在2010年就（jiù）已經對汙水處理廠可用的“家（jiā）底”和能否支撐“碳中和”的（de）實現進行了較為詳細的前瞻性探究，當下對汙水（shuǐ）處理廠仍然具有非常大的指導意義。因此，本文基於團隊2015年的一項工作，同大家分享並厘清國內汙水處理廠實現“碳中（zhōng）和”的可用能量來源以及相應的技術思路。

       提到汙水中的能量，人們（men）往往*先想到的即是汙水（shuǐ）中的有機物（COD），而回收這（zhè）部分能量*簡單的方式就是對汙泥實施（shī）厭氧消化，產生甲烷後用於熱電聯產，以此減少汙（wū）水廠對外部能源的需求，繼而間接降低CO2的排放量。理論上講，生活汙水中所含的有機物能量可達汙水處理消耗能量的9~10倍，這一振奮人心的“家底”能否助力汙水廠實現“碳中和”呢？除此之外，汙水（shuǐ）處（chù）理廠生（shēng）物處理池及初沉池、二沉池（chí）等單元具有（yǒu）龐大的表麵麵積，這（zhè）似乎為太陽能（néng）光伏發電創（chuàng）造了必要的場地條件（jiàn）。如果光伏組件能被巧妙地布置在這些處理單元（yuán）上，不僅可以向樓宇屋麵一樣實（shí）現太陽能發電，而且還能在（zài）冬季時利用光伏板來覆蓋這些處理（lǐ）單元，實現（xiàn）對生物處理的（de）保溫作用和臭氣收集。那“太陽能”會成為汙水廠（chǎng）實現“碳中和”的實力擔當麽？另外，市政汙水本（běn）身具（jù）有（yǒu）流量穩定、水量充（chōng）足、帶有餘溫等特點。如果向汙水處理廠引入水（shuǐ）源熱泵（bèng）技術進行熱（rè）能（néng）的提取回收，潛力會有多大呢？帶著這（zhè）些思考和疑問，我們選取了（le）北（běi）京某汙水處理廠為例，對（duì）其（qí）廠內（nèi）這（zhè）三種“家底”（圖1）的可用潛（qián）力進行了匡算分析。


       1. 進水有機物能量回收潛力

       為匡算進水中有機物濃度與通過厭氧消化可回收的有機物能量，我（wǒ）們以物料平衡為基礎，將水質與能量指標進行耦合，構建了能（néng）量平衡模型和分析函數，以評價汙水處理廠能量消耗與回收之間的平衡情況。模型的（de）輸入變量如表1所示，包括進出水水量/水質和（hé）汙泥量/有機質含量共計12個參數（shù）。能量（liàng）相關的過（guò）程單元則（zé）包括了提升水泵、曝氣（qì）係統和厭氧消化池加熱係統導致的能量消耗，以及汙泥厭氧消化（huà）/熱電聯產產生的能量補償。


       模（mó）型構（gòu）建完畢後，我們對案例水廠實際運行的能量（liàng）狀（zhuàng）況進行了評價分析（xī）。圖2是案例汙水廠的工藝流程和部分點的實測參數，模（mó）型匡算結果總結於表2中。由結果可知，經過模型計算得到的提升（shēng）泵和鼓風機能耗數值（147000 MJ/411429 MJ）與實（shí）測數值（142560 MJ/379209 MJ）相差不大，但通過汙泥厭氧（yǎng）消化回收的有機物能量（425848 MJ）卻遠遠高於實測數值（107142 MJ），這是因為案例汙（wū）水廠（chǎng）2010年消化池平均進泥量僅為340 m3/d，僅占設計進泥量的12%，如果按照2010年產（chǎn）氣效率計算，當進泥量達到設計（jì）值時，甲烷產量與模型計算結（jié）果也近乎一致。可見，本（běn）研究構建的模型計算結果是可信的。


       從*終的能量匡算結果來（lái）看，此案例汙水廠從剩餘汙（wū）泥回收的能量可以提供能（néng）耗總量的53.2%，也就是說案例（lì）汙水廠如果僅僅依賴汙水中的有機物（wù）通過厭氧（yǎng）消化回收能量，距“能量平衡”目（mù）標尚且有一（yī）半的差距。

       另外，從所構建的模型來看，汙泥（ní）厭氧消化回收汙水中有機（jī）物能（néng）量的多寡完全取決於進水中的有機（jī）物（wù）濃度，即進水COD濃度越高，可回收的有機物能量潛力便（biàn）越大。繼而我們利用所構建（jiàn）模型針對不同的進水COD濃度進行了能量核（hé）算，結果如圖（tú）3所示。在我國汙（wū）水處理廠平均進水COD濃度水平（283 mg/L），通過汙泥厭氧消化能量回收隻能實現約42%的能量平衡率；而當進水COD濃度（dù）增至600 mg/L時（歐洲平均水平），則回收的能量可以（yǐ）補償總能耗（hào）的68.9%。


       總之，我國汙水處理廠由（yóu）於進水有機物濃度較低，剩餘汙泥厭氧消化回收有機物（wù）能量（liàng）難以實現汙水廠的（de）“能量平衡”，更別提支（zhī）撐“碳中和”的（de）實現。同時（shí），需要強調的是，剩（shèng）餘汙泥中蘊藏的“家底”通過厭氧消化來（lái）補償（cháng）一半的運行能量消耗是完全可行的（de）。另外，根據我們*近的研究結果，厭氧消化並不是回收汙泥中有機（jī）能量的（de）*佳手段（duàn），汙水處理廠（chǎng）應當考慮跳過厭氧消化單元，直接將汙泥（ní）幹化後進行焚（fén）燒發電，可進一步提高有機能量的回收效率。

       2. 汙水（shuǐ）廠光伏發電潛（qián）能

       光伏發電可回收（shōu）的能量多少主要取決於可用於安裝光伏板的麵積大小。對（duì）於汙水處理廠來說，各個處理單元的頂部均可用於光伏板的安裝（zhuāng），且麵積較為可觀。為了解我國汙水（shuǐ）處理（lǐ）廠設計規範下可用的（de）光伏板安裝麵積，我們總結了處理規（guī）模（mó）不同的汙水處理廠部分單元（yuán）構築物的麵積，如表3所（suǒ）示。可知，我國汙水（shuǐ）處理廠處（chù）理單（dān）位萬噸汙水對應的主要構築物的平麵麵（miàn）積在1147~1576 m2之間，平均值為1402 m2。由於規模效應（yīng）的存（cún）在，這一數值是隨著處理水量的增大而減少的。


       按照E20-327型光伏板性能、案例汙水廠所在地的光照條件，單塊光伏板每天產生的能量約為1.09 kWh（單板占地麵積為（wéi）4.65 m2）。如果在案例汙水廠主要構築物平麵（表4）上安裝E20-327型光伏板，可計算（suàn）得其可（kě）回收的太陽能總量為82725 MJ/d，僅僅能滿足案（àn）例汙水廠（chǎng）運行能（néng）耗的10.4%，即通過光伏發電可獲取（qǔ）的能量顯得有（yǒu）些“微不足（zú）道”！


       3. 汙水源熱泵能量回收潛力（lì）

       在我們之前發布的文章中，已多次分享闡述了汙水中存在的卻一直以來被忽視的能量，即熱能。我們的匡算分析（xī）也已明確，汙（wū）水中的熱能儲量遠高於汙水（shuǐ）中的（de）化學能（有機物能量），實際（jì）可回收熱能為化（huà）學能的9倍之多。為更直觀的體現汙水中熱能回收的巨大（dà）潛力，我們在此也基於案例汙水廠對可回收的熱能進行了計算（suàn）。

       北（běi）京地區汙水廠二（èr）級出水在6~9月份的平均水溫為23.4~26.5 ℃，比同時期平（píng）均（jun1）氣溫低4~5 ℃；二級出水水溫在供（gòng）暖季（jì）（11月~次年3月）平均在12.9~20.7 ℃，比氣溫高10~20 ℃。這一條件均能滿足《水源熱泵機組》（GB/T 19409—2003）要（yào）求。

       通（tōng）過計算可知（表5），水源熱泵係統每利用1萬（wàn）噸二級（jí）出水的（de）製冷量和製熱量分別為1.68×105 MJ和2.74 MJ，考慮水源熱泵機組（zǔ）自身能（néng）耗（通過（guò）COP定（dìng）義得出），則二級出水在夏季和冬季淨產能（néng）當量分別為14148 kWh/萬m3和23213 kWh/萬m3。由此（cǐ）可知，汙水中的熱能是汙水廠*大的能量“家底”。據此匡算，案（àn）例汙水（shuǐ）廠每天僅利（lì）用8萬噸二級出水（shuǐ）（即13.3%的出（chū）水量）作為汙水源熱泵的冷、熱源，就（jiù）可滿足汙水廠運行能耗的51%（製冷）和83.6%（製（zhì）熱（rè））。加上上述（shù）提及的汙泥厭氧消化和（hé）太陽能回收（shōu），案例汙（wū）水廠（chǎng）已可實現“能量平衡”。


       需要說明的是，汙水源（yuán）熱泵所產生的冷、熱源一般均（jun1）為直接利用，並非是像（xiàng）甲烷一樣用於發電。所以，上述測算中所（suǒ）產生的能量中絕大部分還是（shì）要靠（kào）輸出廠（chǎng）外供其他商業或民用用戶使用，以“碳交易”方式折算能（néng）量與碳排放的平衡。

       結語（yǔ）

       我們通過考慮剩（shèng）餘（yú）汙泥能量回收、光伏發電和水源熱泵能量回收，分別核算出（chū）各（gè）自能量回收方式對運行能（néng）耗的貢獻率。結果表明，汙水源（yuán）熱泵僅需使（shǐ）用較小的水量（<15%）便可以產生出至少一半（bàn）以上的運行（háng）能耗，完全可以彌補剩餘汙泥轉化能源（yuán）不足形成的能源（yuán）赤字。相形之下，光伏發電可獲得的能量則（zé）顯得有些“微（wēi）不足道”。由此可知，汙水熱能才是汙水處理廠實現（xiàn）“碳中和”的實力擔當。總之，我國（guó）市政汙水處理廠一般可通過剩餘汙泥轉化能源和汙水源熱（rè）泵方式便完全可以滿足“碳中和”運行的目標，該研究結論可為我國市（shì）政（zhèng）汙水廠想著（zhe）低碳運行方向發展奠定理論基礎。