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【案例】污水处理厂碳中和运行的潜力分析——以我国为例

时间:2017-12-07 00:51 来源: 作者: 点击:

节能环保网讯: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。

延伸阅读:

厌氧技术的发展和未来 专访厌氧技术的实践者

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》。

延伸阅读:

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原标题:污水厂碳中和运行的潜力分析——以我国为例

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