美国碳中和运行成功案例——Sheboygan污水处理厂

郝晓地，魏静, 曹亚莉

(北京建筑大学北京应对气候变化研究与人才培养基地，北京100044)

摘要：作为美国碳中和运行的榜样，希博伊根污水处理厂通过开源与节流并举的技术措施不仅向美国而且也向世界展示了其污水处理能耗基本可以实现自给自足。利用厂外高浓度食品废物与剩余污泥厌氧共消化产生的高甲烷含量生物气进行热电联产（CHP），可产生较多的电和热供运行使用。通过更新变频水泵、鼓风机系统、气流控制阀、加热设备以及相关的自控系统（PLC和SCADA），可以大幅降低运行能耗。到2013年，该厂已实现了产电量与耗电量比值达90%~115%、产热量与耗热量比值达85%~90%的佳绩，已逼近碳中和运行目标。在介绍该厂工艺流程的基础上，重点剖析该厂在能源开源/节流、逼近碳中和运行目标方面的成功经验。

传统的污水处理过程“以能消能、污染转嫁”加剧了温室气体的排放。而能源价格的日趋攀升态势也抬升了污水处理成本。面对污水这一潜在能源、资源的“聚宝盆”，欧美等国家纷纷提出未来污水处理要走碳中和运行之路，美国水环境研究基金（WERF）更是制定出至2030年美国所有污水处理厂均要实现碳中和运行的目标。位于美国威斯康辛州的希博伊根（Sheboygan）污水处理厂很早便认识到了污水处理可持续性和能源独立的重要性，于2002年参与“威斯康辛聚焦能源（Wisconsin Focus on Energy，FOE）”项目，确立了“能源零消耗”的运行目标和实施计划。

1 工艺概况与处理效果

希博伊根污水处理厂始建于1982年，采用传统活性污泥法工艺。1997年—1999年该厂进行了工艺升级改造，具体流程见图1。

图1 希博伊根污水处理厂工艺流程

2 能源回收与节能

希博伊根污水处理厂在能源利用上从开源、节流两方面入手，具体措施为增加能源回收效率和减少处理工艺能耗，逐步朝着“能源零消耗”的目标迈进。

在开源方面，希博伊根污水处理厂利用热电联产（CHP）技术充分利用污泥厌氧消化产生的生物气体（CH₄）产电、产热。同时，通过向剩余污泥中投加高浓度食品废物（HSW）实现厌氧共消化，以加大生物气体产出量（2012年增量达200%）。

在节流环节，希博伊根污水处理厂自筹资金近110万美元，更新水泵变频机组（节能20%）、鼓风机系统（节能13%）、气流控制阀（节能17%）、加热设备以及相关的自控系统（PLC和SCADA），最大限度降低污水处理关键设备的能耗。

通过开源与节流措施，到2013年希博伊根污水处理厂已实现了产电量与耗电量比值达90%~115%、产热量与耗热量值达85%~90%的佳绩，基本接近碳中和运行目标。其回收能源应用流程如图2所示。

图2 能源回收并应用流程

3 结语

尽管目前美国绝大多数污水处理厂都未考虑剩余污泥厌氧消化产甲烷提供能量供其运行使用，但美国水环境研究基金（WERF）已制定出2030年全部污水处理厂要实现碳中和运行目标。希博伊根污水处理厂能源使用逼近自给自足的经验虽不可复制，但它向进水有机物浓度较低、剩余污泥产量较少的污水处理厂展示，剩余污泥与其他有机废物共消化完全可以弥补污水厂自身有机能源不足的问题。对于崇尚“民以食为天”的我国来说，居家有机垃圾与餐馆厨余垃圾完全可以收集后送到污水处理厂与剩余污泥一同共消化，从而实现我国污水处理厂的碳中和运行目标。

（本文将发表于《中国给水排水》杂志2014年第24期“本刊特稿”栏目）

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