自我國提出2060年（nián）全社會爭取（qǔ）實現（xiàn）“碳中和”目（mù）標後，各（gè）行各業對“碳中和”的討論持續高（gāo）漲、熱度不減。一方麵，這無疑推動了“碳（tàn）中和”概念（niàn）和知識的推（tuī）廣宣傳，大大推動了“碳中和”構建的*階段目標進程——明晰什麽是“碳中和”，即“知其然”！另一方麵，隨著對“碳中和”概念的不斷理解和清晰，對如何實現行業“碳（tàn）中和”也（yě）打上了大大的（de）問號。對於汙水處理廠來說，盡管國外已經存在完全實現“能量平衡”或“碳中和”運行的（de）汙水處理廠實際案例，但國內依然存在對汙（wū）水處理廠能否實現“碳中和”的擔憂和質疑（yí）。從技術角度講，通過能量回收（shōu）直接反哺或間接補償汙水廠的碳排量是實現“碳中和”的主（zhǔ）要（yào）方（fāng）式，而（ér）這些擔憂和質疑（yí）大多聚（jù）焦於“汙水處理廠真的有那麽多（duō）可回收能量去實現‘碳中和’嗎？”

       正所謂“知其然更應知其所（suǒ）以然”，隻有厘清了汙水處理廠可用的“家底”（能量）才能更（gèng）有信心地朝（cháo）著“碳中和”方向努力。實際上，“中-荷中心”團隊負責（zé）人郝曉地教授早在2010年就已經對汙水處理廠可用的“家底”和能否支撐“碳中和”的實現進行了（le）較（jiào）為詳細的前瞻性探究，當下對汙水處理廠仍然（rán）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（nèi）汙水處理廠實現“碳（tàn）中和（hé）”的可（kě）用能量來源（yuán）以及（jí）相（xiàng）應的技術思路。

       提到汙水中的能量，人們往往*先想到的即是汙水中（zhōng）的（de）有機物（COD），而回（huí）收這部分能量*簡單的方式就是對汙（wū）泥實施厭氧消化（huà），產生甲烷後用於熱電聯產，以此減少汙水廠對（duì）外部能源（yuán）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（wù）能量可達汙水處（chù）理消耗能量的9~10倍，這（zhè）一振奮（fèn）人心的“家底（dǐ）”能否助力（lì）汙水廠實現“碳中和”呢？除此之外，汙水處理廠生物處理池及初沉池、二沉池等單元具有龐大的表麵麵積（jī），這似乎為太陽能（néng）光伏發電創造了必要的場地條件。如果光伏組件能被巧妙地布置在這些處理單（dān）元上，不僅可以向樓（lóu）宇屋麵一樣實現太陽能發電，而且還（hái）能在冬季時利用光伏板來（lái）覆蓋這些處理（lǐ）單元，實現對生物處理（lǐ）的保溫作用和臭（chòu）氣收（shōu）集。那“太陽能”會成為汙水廠實現“碳（tàn）中和”的實力擔（dān）當麽（me）？另外，市政汙水本身具（jù）有流量穩定、水量充足、帶有（yǒu）餘溫（wēn）等特點。如果向汙（wū）水處理廠（chǎng）引（yǐn）入水源熱泵技術進行熱能的提取回收，潛（qián）力會有（yǒu）多大呢？帶著這些思考和疑問，我們選取了北京某汙水處理（lǐ）廠為例，對其廠內這（zhè）三種“家（jiā）底”（圖1）的可用（yòng）潛力（lì）進行了匡算分析。


       1. 進水有機物（wù）能量回收（shōu）潛（qián）力

       為匡算進水中有機（jī）物濃度與通過厭氧消（xiāo）化可回收的有機（jī）物能量，我們以物料平衡為基礎，將水質與能量指（zhǐ）標進行耦合，構（gòu）建了能量平衡（héng）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。模型的輸入變量如表1所（suǒ）示（shì），包括進出水（shuǐ）水量/水質和汙泥量/有機質含（hán）量共計12個參數。能量相關的過程（chéng）單元則包括了提升（shēng）水泵、曝氣係（xì）統和厭氧消化池加熱係（xì）統導致的（de）能量消（xiāo）耗，以及汙泥厭氧消化/熱電聯產產（chǎn）生的能量補（bǔ）償。


       模型構建完畢後，我們對案（àn）例水廠（chǎng）實際運行的（de）能量狀況進行了評價分析。圖2是案例汙水廠的工藝流程和部分點的實測參（cān）數，模型匡算（suàn）結果總結於表2中（zhōng）。由結果可知，經過模型計算得（dé）到的提升泵和鼓風機能耗數值（147000 MJ/411429 MJ）與實測數值（142560 MJ/379209 MJ）相差不大，但通過汙泥厭氧消化回收（shōu）的有機物能量（425848 MJ）卻（què）遠遠高於實測數值（107142 MJ），這是因為案例汙水廠2010年（nián）消化池（chí）平均進泥量僅為340 m3/d，僅占設計進泥（ní）量的12%，如果按照2010年產氣效率（lǜ）計算（suàn），當進泥量（liàng）達到設（shè）計值時，甲烷產量（liàng）與模型計算結果也近乎一致。可見，本研（yán）究構建的（de）模型計算（suàn）結果是可信的。


       從*終的能量匡算結果來看，此案（àn）例汙水廠從剩餘汙泥回收的能量可以提供（gòng）能耗總量的（de）53.2%，也就是說案例汙（wū）水廠如果（guǒ）僅僅依賴汙水中的有機物通（tōng）過厭氧（yǎng）消化回收能量，距“能量平衡”目標尚且有（yǒu）一半的差距。

       另外（wài），從（cóng）所構建（jiàn）的模型來看，汙泥厭氧消化回收汙水中有機物能量的多寡完全取決於進水中的有機物濃度，即進水COD濃度（dù）越高，可回收的有機物（wù）能量潛力便越大。繼而（ér）我們利用所構建模型針對不同的進水COD濃度進行了能量核（hé）算，結果如圖3所示。在（zài）我（wǒ）國汙水處理廠平（píng）均進水COD濃度（dù）水平（283 mg/L），通過汙泥厭氧消化能量回收隻能實（shí）現約42%的能量平（píng）衡率；而當進水COD濃度增至600 mg/L時（歐洲（zhōu）平均水平），則回收的能量可以補償總能耗的68.9%。


       總之，我國汙水處理廠由於進水有機物濃度較（jiào）低，剩餘汙泥厭氧消化回收有機物能量難以實現（xiàn）汙水廠的“能量平衡”，更別提支撐（chēng）“碳中和”的實現。同時，需要強調的是，剩餘汙泥（ní）中蘊藏的“家底”通過厭氧消化（huà）來補償一半的運行能量消耗是完全可行的。另外，根據我們*近（jìn）的研究結果，厭氧消化並不是回收（shōu）汙泥中有機能量的*佳手段，汙水（shuǐ）處理廠應當考慮跳（tiào）過厭氧消化單元，直接將汙泥幹化後進行焚燒發（fā）電，可進一步提（tí）高有機能量的回收效率。

       2. 汙水廠光伏發電潛能

       光伏發電可回收的能量多少主（zhǔ）要取（qǔ）決於可用（yòng）於安裝光伏（fú）板（bǎn）的麵積大小。對於汙水處理廠來說，各個（gè）處理單元的頂部均可用於光伏板的安裝，且麵積（jī）較為可觀。為了解我國汙（wū）水處理廠設計規範下可用的光伏板安裝麵積，我們總結了處理（lǐ）規模不同的汙水處理（lǐ）廠部分單元構築物的麵積，如表3所示。可知，我國汙水處理廠處理單位萬噸汙水對應的主要構築物的平麵麵積在（zài）1147~1576 m2之間，平均值（zhí）為1402 m2。由於規模效應的存（cún）在（zài），這一（yī）數值是隨著處理水量的增大而減（jiǎn）少的。


       按照E20-327型光伏板性能、案例（lì）汙（wū）水廠（chǎng）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（lì）汙水廠主要構築物平麵（表4）上（shàng）安裝E20-327型光伏（fú）板，可計算得其可（kě）回收的太陽能總（zǒng）量為82725 MJ/d，僅僅能滿足案例（lì）汙水廠運行能耗（hào）的10.4%，即通過光伏發電可（kě）獲（huò）取的能量顯得有些“微不足道”！


       3. 汙水源熱泵能量回（huí）收潛力（lì）

       在我（wǒ）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（néng）。我們的匡算分（fèn）析也已明確，汙水（shuǐ）中的熱能儲量遠（yuǎn）高於汙水中的化學能（有機物能量），實際可回收熱能為化學能的9倍之多。為更直觀的體現汙水中熱能回收的巨大潛（qián）力（lì），我們在此也基於案（àn）例（lì）汙水廠對（duì）可回收的熱能進行了計算（suàn）。

       北京（jīng）地區汙水廠二級出水在（zài）6~9月份的平均水溫為23.4~26.5 ℃，比同時期平均氣溫低4~5 ℃；二級出水水溫在供暖季（11月~次年3月）平均（jun1）在12.9~20.7 ℃，比氣溫高10~20 ℃。這（zhè）一條件均能滿足《水源熱泵機組》（GB/T 19409—2003）要求。

       通（tōng）過計算可知（表5），水（shuǐ）源熱泵係統每利用1萬噸二級出水的（de）製冷量和製熱量分別為1.68×105 MJ和2.74 MJ，考慮水源熱泵機組自身能耗（通過COP定義得出），則（zé）二級出水在夏季和冬季淨產能當量分別為14148 kWh/萬m3和23213 kWh/萬m3。由此可知，汙水中的熱能是汙水廠*大的能量“家（jiā）底”。據此匡算，案例汙水廠每天僅利用8萬噸二級出水（shuǐ）（即13.3%的出水量）作（zuò）為汙水（shuǐ）源熱泵的冷、熱源，就可滿足汙水（shuǐ）廠運行能耗的51%（製冷）和83.6%（製（zhì）熱）。加上上（shàng）述提及（jí）的汙泥厭氧（yǎng）消化和太陽能回收，案例（lì）汙水廠已可實現“能量平衡”。


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

       結（jié）語

       我們通過考慮剩餘汙泥能量（liàng）回收、光伏發電和水源熱泵（bèng）能量回（huí）收，分別核算出各自能量（liàng）回收方式對運行（háng）能耗的（de）貢（gòng）獻率。結果表明，汙水源熱泵（bèng）僅需使用較小的水量（<15%）便可以產生出至少一半以上的運行能耗，完全可以彌補剩餘汙泥轉化能（néng）源不足形成的能源赤字。相形之下，光伏發電可獲得（dé）的能量則顯得有些“微不足道”。由此可知，汙水熱能才是汙（wū）水處理廠實現“碳中和”的實力擔當。總之，我國市（shì）政汙水處理廠一般可通過剩餘汙泥轉化能（néng）源（yuán）和汙水源熱泵方式便完全可以滿足“碳中和”運行的目（mù）標，該研究結論可為我國市政汙（wū）水廠想著低（dī）碳運行方向發展奠定理論基礎（chǔ）。