【案例】污水处理厂碳中和运行的潜力分析——以我国为例
现阶段我国污水处理规模体量巨大，碳中和在未来污水厂中的运行中必将成为一大趋势，其对推动行业乃至社会的绿色发展具有重大意义。然而，受限于污水行业技术水平低等诸多因素限制，我国目前尚未建成真正意义上的“碳中和”污水厂。
本次推荐的参考文献是以北京某污水厂为实例，从理论上分析了当前AAO工艺条件下污泥厌氧、水源热泵以及太阳能利用对碳中和运行的贡献潜力，并得出污泥厌氧能量自给率仅达53%的结论。
在我国污水有机物含量低不利于能量回收的情况下，如何制定碳中和发展之路?值得深思。摒弃AAO工艺，利用碳源浓缩技术、主流Anammox技术以及高效厌氧技术，组建低能耗、高能源回收的新型污水处理工艺或许是未来的解决途径之一。
在全球温室效应及气候变化背景下，污水厂污水处理碳中和将会是未来污水处理行业的发展趋势。
目前，一方面污水处理属于高耗能行业，势必会导致较高的碳排放足迹;另一方面，污水中本身蕴含较多的能量(有机物、热能等)，为实现污水处理过程能源自给及碳中和运行提供了客观基础。展望污水处理的未来前景，多个国家已经陆续发布了污水厂碳中和技术路线图。
美国水环境研究基金(Water Environment Research Foundation)提出了2030年美国所有污水处理厂均要实现碳中和运行的目标。欧洲一些国家也相继发布了污水厂能源管理手册。在世界范围内，部分污水厂已经通过技术升级实现了能量自给及碳中和运行(表1)
表1 目前国际上实现能量自给/碳中和的污水厂案例
研究人员以北京一座处理规模为60万吨的污水厂为实例(AAO工艺)，对污水厂碳中和运行进行了潜力分析。研究人员主要从以下三个角度，考虑了污水厂实现碳中和的途径。
回收污水中有机物的能量。
利用水源热泵技术回收污水中热能。
基于目前污水厂一般占地面积较大，沉淀池和曝气池的表面可以用于铺设太阳能光伏发电板，利用太阳能发电。
污水中有机物能量回收主要依靠针对污泥的厌氧过程实现。污水处理过程中会产生初沉污泥和二沉污泥，污泥经过厌氧处理(Anaerobic digestion, AD)产生沼气，沼气经过热电联产(CombinedHeat and Power, CHP)产生电能和热能。
“污泥厌氧产沼气+热电联产”AD-CHP过程中产生的电能可以用于补偿污水厂的能耗，从而降低污水厂的碳足迹排放，甚至实现碳中和运行。
研究人员基于一定系统边界和理想假设，建立了一套模拟计算污水厂物质流平衡和能量消耗的模型。
通过对污水厂几个主要耗能工艺流程(曝气能耗、污水提升泵耗和厌氧加热能耗)的分析，验证该模型计算结果与实际能耗基本吻合。其中厌氧产能部分的实际值比理论值低，主要原因是厌氧污泥量仅为设计值的38%，这从侧面反映出目前污水厂污泥厌氧处理负荷不足的现状。
该模型针对北京污水厂的实际污水水质，模拟计算了“污泥厌氧产沼气+热电联产”过程对水厂总体能源自给的影响，其贡献值仅为53%。需要注意的是，在不考虑设备引起的能量损失情况下，碳中和率可以达到270%。
理论值和实际值产生巨大差异的重要因素是设备效率低(提升泵、曝气泵)和工艺过程有待优化(污泥厌氧产甲烷过程)。
图1 能量消耗与回收、碳排放与补偿
除回收污水有机质所蕴含的能量外，还可以考虑污水热能和太阳能。水源热泵技术已经在建筑物室内温度控制上得到成功应用。
基于北京地区污水厂案例研究，污水厂出水水温夏季平均温度低于环境温度4-5℃(6-9月)，冬季平均温度高于环境温度10-20℃(10-3月)。大部分月份的温度差能够满足水源热泵技术的应用条件，为利用水源热泵回收污水热能提供了基础。
根据模拟计算结果，1吨出水温度降低1℃时，水源热泵回收的热量若由燃煤锅炉产生，等效于产生0.26kwh煤电时的燃煤消耗。仅利用出水量的1/5所回收的能量足以弥补有机质能回收不足带来的能耗缺口。
然而，水源热泵并不能直接产生电能，富裕热能供给周边地区也存在经济半径(6.5公里以内)。热能的输出利用的同时依托与市政供热网络的互动，以及碳交易市场的发展。
太阳能的利用可以直接提供电能。根据北京几座大型污水厂的情况，每万吨污水处理规模可供太阳能铺设的反应池表面积在1147-1576m²之间。
基于商业化光伏太阳能板的产电效率(覆盖4.65m²时产电能力1.09kwh/d)，污水厂太阳能利用可以补偿10%的能耗损失。其对碳中和运行的贡献有限，且投资费用较高。
作者简介：宫徽，清华大学环境学院博士生，从事水处理创新技术研究。曾获“我心中的城市污水处理概念厂”校园创意设计大赛全国总冠军、出版有译注《通往可持续环境保护之路——UASB之父Lettinga的厌氧故事》。
【深度】污水处理厂碳中和运行潜力待挖掘
目前，我国污水处理规模体量巨大、消耗能量多，碳中和（污水处理低碳运行与能源消耗自给自足）在未来污水厂中的运行中将成为一大趋势，其对推动行业的绿色发展具有重大意义。然而，受限于污水行业技术水平低等诸多因素限制，我国目前尚未建成真正意义上的“碳中和”污水厂。
研究人员以北京某污水厂为实例，分析了当前主流工艺条件下污泥厌氧、水源热泵以及太阳能利用对碳中和运行的贡献潜力，认为当前污泥厌氧能量自给率仅达53%。
污水碳中和运行已被国际推行
展望污水处理的未来前景，多个国家已经陆续发布了污水厂碳中和技术路线图。目前，一方面污水处理属于高耗能行业，势必会导致较高的碳排放足迹；另一方面，污水中本身蕴含较多的能量（有机物、热能等），为实现污水处理过程能源自给以及碳中和运行提供了客观基础。
美国水环境研究基金(WaterEnvironmentResearchFoundation)提出了2030年美国所有污水处理厂均要实现碳中和运行的目标。欧洲一些国家也相继发布了污水厂能源管理手册。在世界范围内，部分污水厂已经通过技术升级实现了能量自给及碳中和运行。
回收有机物能量贡献率仅53%，理想状态可达270%
研究人员以北京一座处理规模为60万吨的污水厂为实例(AAO工艺)，对污水厂碳中和运行进行了潜力分析。
当前，污水厂实现碳中和途径主要有以下3个途径：回收污水中有机物的能量；利用水源热泵技术回收污水中热能；基于目前污水厂一般占地面积较大，沉淀池和曝气池的表面可以用于铺设太阳能光伏发电板，利用太阳能发电。
污水中有机物能量回收，主要依靠污泥的厌氧过程实现。在污水处理过程中，会产生初沉污泥和二沉污泥，污泥经过厌氧处理产生沼气，沼气经过热电联产产生电能和热能。
在“污泥厌氧产沼气+热电联产”过程中，产生的电能可以用于补偿污水厂的一部分能耗在理想状态下，甚至可以实现碳中和运行。
模型针对北京几个污水厂的实际污水水质，模拟计算了“污泥厌氧产沼气+热电联产”过程对水厂总体能源自给的影响，其贡献值仅为53%。需要强调的是，如果改进工艺，在不考虑设备引起的能量损失情况下，碳中和率可以达到270%。
理论值和实际值产生巨大差异说明，污水厂碳中和运行的潜力有待挖掘，如果提高设备（提升泵、曝气泵）效率、优化工艺过程（污泥厌氧产甲烷过程），回收污水有机质所蕴含的能量很大，碳中和率可以达到非常理想的状态。
水源热泵产生的热能高，太阳能利用亦可直接提供电能回收污水有机质所蕴含的能量外，还可以考虑污水热能和太阳能。
基于北京地区污水厂案例研究，北京大部分月份的温度差能够满足水源热泵技术的应用条件，为利用水源热泵回收污水热能提供了基础。
根据模拟计算结果，1吨出水温度如果降低1℃，水源热泵回收的热量若由煤电产生，等效于产生0.26kwh煤电时的燃煤消耗。经过初步估算，只利用出水量的1/5所回收的能量，足以弥补上述提到的有机物能量实际回收不足带来的能耗缺口。
然而，水源热泵虽然产生的能量高，但并不能直接产生电能，只是产生热能，不方便将富裕热能向周边供给。比如需要考虑向周边供给半径、市政供热网络的互动等因素。
不过，太阳能的利用可以直接提供电能。根据北京几座大型污水厂的情况，每万吨污水处理规模可供太阳能铺设的反应池表面积在1147m3~1576m3之间。
基于商业化光伏太阳能板的产电效率，污水厂太阳能利用可以补偿10%的能耗损失。但是，其对碳中和运行的贡献率低于回收污水中有机物的能量或利用水源热泵技术回收污水中热能。
作者系中宜环科环保产业研究院研究员清华大学环境学院博士
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北控清洁能源拓展“光伏+污水厂”
日前，北控水务参与投资的北控清洁能源拟以每股0.17港元（单位下同）向启迪科创有限公司发行40.45亿股新股。所得款项净额6.87亿元，用于开发其光伏发电相关业务及作一般营运资金用途。
公告显示，启迪控股及其关联企业的水厂数量达到158家，设计规模近600万吨╱日水处理量。同时，启迪控股将在各地科技园、产业园、孵化器屋顶建立分布式光伏发电站。因而，未来北控清洁能源与启迪控股将在分布式资源上形成优势互补、协同发展。
据悉，在今年5月，北控水务就曾联手北控清洁能源，拟在全国300多座污水厂中建分布式光伏电站。电站建设完成且相关条件达成后，北控清洁能源将向北控水务集团出售电能，打开了“光伏+污水厂”的合作新模式。而此次与启迪合作，或可看成是在此模式基础上的新的拓展。
微生物燃料电池中试规模的放大对污水处理意味着什么
就在我们将目光的注意力集中在厌氧氨氧化和好氧颗粒污泥之际，很多人忘记了前几年业内非常热衷的MFC技术已经取得了一定规模的中试。污水处理观察微信公众号注意到，日前，在美国波士顿坎布瑞恩创新中心的微生物燃料电池（MFC）的中试规模达到了2.25吨，可以生产出清洁的出水，供15人使用，并且MFC自身产生电能驱动中试装置的运行，产生的电能还略有盈余。
这是一个很了不起的突破，这对于传统污水处理行业是一个绝对的好消息，污水处理行业耗能巨大，仅在美国污水处理行业的能耗就在全国总能耗的约1.5%，如果能够实现污水处理的完全能量自给，会对行业及社会产生深刻的影响。
其他研究MFC的团队也在突破规模的放大，加州圣迭戈的J.CraigVenter研究中心的规模达到了630升，处理的养猪废水。该中心还在墨西哥筹划一个更大规模的中试MFC，研究人员称在未来三五年内实现商业化。而坎布瑞恩中心则希望MFC能进一步放大到每天20吨的规模。
美国宾夕法尼亚州立大学环境工程系教授BruceLogan是MFC领域的国际权威，他曾经估计微生物燃料电池实现工业应用需5~10年。但目前一些中试规模的放大似乎在小型分散式的污水处理站有了用武之地。
相比较于国外同行在不断追求规模的放大和成本的降低，笔者接触过一位中国的同行，中国的同行似乎更在意机理的研究，这也许对发表文章很有用。东西方理念的差别，也造成这一技术在各国的不同发展局面。
