完美,污水处理能源中和与碳中和案例分析 来源：中国给水排水作者：郝晓地、张益宁等 　（本文将刊登于《中国给水排水》2021年第20期，题目：污水处理能源中和与碳中和案例分析；作者：北京建筑大学郝晓

焦点提醒：污水处置能源中和与碳中和案例阐发 来历：中国给水排水作者：郝晓地、张益宁等

导语：污水处置进程因高耗能和间接温室气体排放，使得迫近碳中和运转势在必行。但是，污水处置多以寻求“能源中和（Energy neutrality）”为目标，且经常与“碳中和（Carbon neutrality）”概念混为一谈。经由过程欧洲3个污水处置厂实例，能够直不雅注释并申明能源中和与碳中和的分歧。现实运转案例注解，实现能源中和其实不意味着同时能够实现碳中和，而假如实现碳中和则能够认为也同时实现了能源中和。这是由于污水处置进程中除能源耗损的间接碳排放外，还会在处置进程中间接发生NxO、CH4、VOCs等温室气体（从COD转化的CO2因年夜多为生源性，所以不计入碳排放清单）。另外，各类化学药剂（如碳源、除磷药剂等）等出产与运输进程也会间接发生CO2等温室气体。厂外植树造林、风力发电、外源无机物厌氧共消化当然有助在污水处置厂实现碳中和，但这些体例并不是污水处置厂分内之事，应当都是“伪中和”。其实，污水处置厂要想同时实现能源中和与碳中和，只要深切发掘污水余温热能方能实现。

现今，“能源中和（Energy neutrality）”这一概念被愈来愈多污水处置厂所说起；同时，污水处置实现“碳中和（Carbon neutrality）”也是年夜势所趋。能源中和与碳中和是不是为同义语，能够等量齐观吗？这个问标题问题前还比力恍惚，需要借助今朝碳中和热度和碳中和实现路径予以厘清。能源中和，顾名思义指污水处置厂削减本身能源耗损且可以或许在厂表里收受接管或发生一种或多种洁净能源，能够间接（电、热自用）或间接（发生能量并网）填补污水处置厂本身能源耗损量，从而到达污水处置不依托化石能源等（电、热）而实现能源自力更生。对污水处置厂而言，实现能源中和可采纳以下办法：① 削减污水处置本身能源耗损；②提高污水中能源收受接管效力；③寻觅其他外部可再生能源。相对而言，污水处置厂的碳中和概念更加直不雅。它指的是，污水处置厂经由过程本身节能降耗或增添本身产能，或增添碳汇，使该污水处置厂的碳减排量与碳排放量彼此抵消。但是，污水处置厂的碳排放组成较为复杂，分为间接碳排和间接碳排。间接碳排放暗示污水处置厂在水处置进程中因无机物降解、氮转化进程发生的各类温室气体（首要指CO2、CH4和N2O）碳排放量。此中，间接碳排放中的CO2由于首要（亦含少许化石碳成份）是生源性的，所以，一般其实不计入碳排放清单。间接碳排放指的是污水处置厂耗损外部化石能源等（产电、产热）和各类化学药剂出产运输进程发生的碳萍踪。明显，污水处置厂实现能源中和不同等在实现碳中和。能源中和仅意味着污水处置厂能耗实现自力更生，只抵消了间接碳排放量中能耗碳萍踪，而间接碳排放量中的药耗碳萍踪和间接碳排中的NxO、CH4、VOCs等温室气体发生的碳排放量并未抵消。反过来看，污水处置厂假如实现了碳中和，一般可认为同时能够实现能源中和。例如，污水余温热能潜力庞大，但属在不克不及间接发电操纵的低档次能源，只能作为热/冷输出供热或制冷，污水处置厂仍然需要依托外部电力；这类低档次能源（热/冷僻洁能源）被厂外社会利用后可替换/填补高档次能源（电、自然气等）的利用，进而削减社会年夜量碳排放，这些被节流的碳排放完全能够用来抵消污水处置厂本身电耗碳萍踪。换句话说，污水处置碳中和是间接实现能源中和，所供给社会的热/冷可被是作为一种“碳汇”。为此，别离操纵3个欧洲现实案例阐发并申明污水处置厂能源中和与碳中和之关系，解析高耗能污水处置向能源中和、乃至是碳中和运转改变策略，以期为我国污水处置厂“双碳”方针供给参考。

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德国Bochum-Ölbachtal污水处置厂

Bochum-Ölbachtal污水处置厂位在德国北莱茵—威斯特法伦州鲁尔区波鸿市，处置范围为4.3×104m3/d。进水COD=380 mg/L，TN=56 mg/L，TP=6.5 mg/L。该厂采取三段进水前置反硝化工艺，生化段出水采取化学药剂体例除磷。出水知足欧盟排放尺度（TN≤13 mg/L，TP≤1 mg/L）。该厂处置工艺流程如图1所示。

图1 Bochum-Ölbachtal污水处置厂工艺流程

1.1 能源中和评价

Bochum-Ölbachtal污水处置厂在2013年进级革新前，Ruhrverband公司对其电耗环境进行了统计，并与德国《污水处置厂能源手册（MURL）》中的尺度值进行了对照，发觉除生物处置阶段除曝气单位外，其他单位耗电量均远远超标，具有较年夜节能空间。为此，该厂对生物处置阶段进行进级革新，将原有单点进水改成三段进水，并只保存了第一段可节制开启/封闭的硝化液内回流管道（见图1）；同时优化了该厂其他装备。2015年Bochum-Ölbachtal污水处置厂正式革新完成，革新前后电耗环境见表1。终究该厂总电耗由34.6 kW·h/(PE·a)（折合吨水电耗0.47 kW·h/m3）下降至24.1 kW·h/(PE·a)（吨水电耗0.33 kW·h/m3），能耗下降到达30.3%。同时出水总氮浓度也不变在TN<5 mg/L，远远跨越出水排放要求（TN≤13 mg/L）。

表1 Bochum-Ölbachtal污水处置厂革新前、后耗电量对照

以2015年能量均衡评价，上半年污泥厌氧消化热电联产系统(CHP) 发生净电能2.47 GW·h，CHP产热不管进级前后均已自力更生。按照2015年上半年CHP产电数据推算，全年CHP发生净电能4.94 GW·h。2013年工艺进级前，该厂污水处置全流程总耗电量为12.77 GW·h，可知经由过程厌氧消化能源转化，能源自给率仅为38.7%，距离能源中和方针（100%）仍有61.3%能源赤字。进级后，按照2015年上半年总耗电量推算，该厂全年总耗电量为5.1 GW·h。在厌氧消化效力不变的环境下，因全年CHP发生净电能4.94 GW·h，所以能源自给率达96.9%，已接近能源中和。Bochum-Ölbachtal污水处置厂仅采取本身节能降耗体例，保持原有厌氧消化不变，能源自给率从革新前的38.7%晋升至96.9%，接近能源中和。值得留意的是，该案例中进水COD为380 mg/L，与我国市政污水COD（COD=200～400 mg/L）高值接近，对我国污水处置厂以节能降耗为目标进级革新，并操纵厌氧消化能源转化实现能源中和方针具有必然参考价值。

1.2 节能降耗办法

阐发Bochum-Ölbachtal污水处置厂节能降耗手段首要包罗：①削减回流泵耗能。革新后打消了第2、第三段内回流，只保存第一段回流，且按照第一段结尾硝酸盐（NO3-）浓度凹凸选择性开启，以提高反硝化水平。改良后内回流泵水头丧失从19 kPa下降到13kPa，内回流比从0.9下降至0.5。② 经由过程公道分派进水比例，继续利用原有反映池，以下降本钱，缩短工期。该厂按照硝化和反硝化池体积间差别，经由过程数学摹拟对进水比例进行最好分派。三段进水比例顺次为50%、33%、17%，原第二段内回流管道被间接改成33%污水进水管道。③ 其他装备能耗优化。盘式曝气器改换为板式曝气器，增添淹没深度且替换搅拌器。改良前搅拌器比功率为2.15 W/m3，而替代搅拌器后比功率下降至0.88 W/m3。

1.3 经济性评价

德国《污水纳税法》划定，假如污水处置厂出水TN<5 mg/L，则无需付出污水氮排放费。革新前Bochum-Ölbachtal污水处置厂出水TN>5 mg/L，年污水氮排放费为16万欧元/a。革新后该厂选择在第三段反硝化池投加碳源（按照第三段硝化池出水TN值决议），以包管出水TN<5 mg/L。外加碳源本钱年夜约为10万欧元/a，是以，投加碳源更加经济。表2为该厂革新前、后运转本钱浮动环境，工艺革新后最少节流50万欧元/a。

表2Bochum-Ölbachtal污水处置厂革新前后本钱浮动环境 万欧元·a-1

1.4 碳中和率核算

按照碳萍踪模子，Bochum-Ölbachtal污水处置厂碳排/减排核算成果示在表3。此中，碳排放量分为：① 间接碳排放量。CH4、N2O当量生齿间接碳排放量为7 kg CO2-eq/(PE×a)，则年碳排总量为1 491 t CO2-eq/a；② 间接碳排放量，分为能耗与药耗两部门。能耗包罗污水处置所需电耗和热耗。按照材料，该厂全年总电耗为5.1 GW·h/a，按2015年德国电力温室气体排放强度0.46 kgCO2/（kW·h）核算，总电耗发生碳排量为2 346 t CO2-eq/a，污泥厌氧消化池因保温耗能所发生碳排放量为1 264 tCO2-eq/a。药耗碳排首要包罗除磷药剂与外加碳源碳萍踪，此中，除磷药剂碳排放量约为154 t CO2-eq/a，外加碳源碳排放量约为385 t CO2-eq/a。综上，Bochum-Ölbachtal污水处置厂碳排放总量为5 640 t CO2-eq/a。核算碳减排量：该厂经由过程污泥厌氧消化热电联发生产电能约5 GW·h/a、热能约6.53 GW·h/a，总计可实现碳减排量3 564 t CO2-eq/a。

经核算，Bochum-Ölbachtal污水处置厂碳排放总量为5 640 tCO2-eq/a，碳减排总量为3 564 t CO2-eq/a，碳中和率为63.2%。明显，能源中和率（96.9%）与碳中和率（63.2%）其实不相等，也不是一码事。该案例注解，经由过程工艺进级革新可实现固然可实现“节能降耗”的显著结果，并最年夜限度迫近能源中和运转，可是，在无额外操纵污水潜伏能源（如余温热能）的环境下，仍是难以实现碳中和运转目标。

表3 Bochum-Ölbachtal污水处置厂碳排/减排核算

02

德国Köhlbrandhöft/Dradenau 污水处置厂

德国Köhlbrandhöft/Dradenau 污水处置厂位在德国汉堡，应属德国最年夜的污水处置厂，担任处置周边200万居平易近糊口污水和欧洲第三年夜海港工业废水。处置水量达38.2×104m3/d（范围约为240万当量生齿，PE）；进水水质为：COD=850 mg/L，TN=67 mg/L，TP=9.4 mg/L。该厂由汉堡水务公司运营，革新前是该市最年夜公共能源耗损单元之一。该厂支流处置工艺为活性污泥法，生化段出水投加化学药剂除磷。污泥处置包罗残剩污泥厌氧消化产沼气、沼气热电联产、消化后污泥继续干化、燃烧用在能量收受接管。该厂污水、污泥处置全工艺流程如图2所示。

图2 Köhlbrandhöft/Dradenau污水处置厂污水、污泥处置/措置工艺流程

2.1 能源中和评价

Köhlbrandhöft/Dradenau污水处置厂对残剩污泥进行厌氧消化，同时搜集厂外生物烧毁物与污泥共消化以增添沼气产量，并实现沼气转换为自然气对外输送。后续消化熟污泥施以燃烧措置，进一步热电联产收受接管电能和热能；电能填补本身电耗利用，热能则被输送至污泥干化装备，可完全知足高温干化需要；污泥干化后的低温余热可继续供消化池保温利用。如斯设想，可实现电能与热能高效收受接管操纵。另外，自2009年起该厂充裕热能还向四周船埠输出供给。图3为该厂2018年电能与热能流向示企图。该厂污泥燃烧产能远弘远在沼气热电联产，且利用太阳能、风能等洁净能源，实现能源收受接管的同时进一步削减CO2排放。2018年该厂总电耗为107.2 GW·h/a，产电量为115 GW·h/a，电能自给率达107%；总热耗为99.7 GW·h/a，产热量为113 GW·h/a，热能自给率达113%。可见，该厂经由过程本身进水中高浓度无机物（COD=850 mg/L）、外����APP源无机烧毁物、太阳能、风能等分析操纵，已超出能源中和方针并可向外供气（CH4）和热。估计将来该厂将到达发电量年夜在耗电量的30%，热能供给规模也将进一步扩年夜。

图3 Köhlbrandhöft/Dradenau污水处置厂电能与热能流向示意

该案例具有两点利用劣势：①提高沼气操纵效力。沼气操纵CHP发生电能与热能这类体例固然简洁，但非最优体例。由于电能发生进程中不成避免形成能量丧失，而发生的热能又遭到供给区域的限制。是以，该厂经由过程胺洗去除沼气中CO2，使沼气成份到达自然气利用尺度后间接输送至市政自然气管网。该体例在提高能源转化效力、避免能量华侈的同时还可实现必然经济效益。② 污泥燃烧是一种实现能源中和很是无力和经济的体例，该厂污泥燃烧可充实收受接管污泥无机质能源，产能远弘远在沼气热电联产。

2.2 碳中和率核算

按照碳萍踪模子计较Köhlbrandhöft/Dradenau污水处置厂的碳排放量，成果见表4。能够看出，该厂总碳排放量为176 703 t CO2-eq/a。

表4 Köhlbrandhöft/Dradenau 污水处置厂碳排放量核算

该厂碳减排经由过程电能与热能收受接管实现，成果见表5。该厂电能碳减排量为52 923 t CO2-eq/a，热能碳减排量为21 900 t CO2-eq/a，总碳减排量则为74 823 t CO2-eq/a。是以，碳中和率仅为42.3%，远未到达碳中和方针。

表5Köhlbrandhöft/Dradenau 污水处置厂碳减排量核算

Köhlbrandhöft/Dradenau污水处置厂运转实践再次注解，虽然能源中和率已超出100%，但其实现的碳中和率依然很低，还不足45%。

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希腊Chania污水处置厂

Chania污水处置厂位在希腊克里特岛干尼亚州市中间东部几千米处，至2017年办事生齿为17万人，处置水量19 400 m3/d；进水水质：COD=869 mg/L，TN=50 mg/L，TP=8.4 mg/L 。该厂采取保守活性污泥法作为支流工艺，不设额外除磷举措措施。残剩污泥厌氧消化后产沼气并热电联产。污水、污泥处置/措置全工艺流程如图4所示。

图4 Chania污水处置厂工艺流程

3.1 能源中和评价

该厂除污泥厌氧消化并热电联产收受接管能源外，还采取了光伏发电与风力发电手艺，分述以下：

①沼气热电联产（CHP）。该厂配备有4个污泥厌氧消化池，总池容6 200 m3。厌氧消化温度节制为35 ℃，沼气中CH4含量65%～68%。CHP发生电能和热能，此中，热能用在加热消化池，电能则输入公共电网。

②太阳能光伏发电。克里特岛是希腊最年夜的岛屿，本地太阳辐照度很高，太阳能资本丰硕。太阳能电池板安装在厂区内部，后续打算在场外继续安装太阳能光伏板。今朝太阳能光伏系统范围为640 kW/a，每一年发生960 MW·h/a电量，供污水处置厂本身利用。

③ 风力发电。干尼亚州北部紧沿克里特海，因为海陆热力性质差别，海洋比热容弘远在陆地，所以，在该地安装风力发电装配是可行的。风力涡轮机容量系数为0.28，发电量为960 MW·h/a，范围为391 kW/a。

Chania污水处置厂2017年总耗电量为3 840 MW·h/a，单元耗电量0.543 kW·h/m3。CHP可发生768 MW·h/a电能（总耗电量20%）并输入外部电网；光伏系统可发生960 MW·h/a电能（25%）；风力涡轮机发生电能一样为960 MW·h/a（25%）。合计，该厂本身产能为2 688 MW·h/a，与总耗电量（3 840 MW·h/a）比拟，仍具有30%（1 152 MW·h/a）用电赤字，即，能源中和率仅到达70%。

3.2 碳中和评价

在碳排方面，间接碳排首要由NxO、VOCs等间接性温室气体引发，与药耗等碳排放总计约500 tCO2-eq/a；间接碳排中，因为沼气CHP产热完全能够知足消化池供热需求，是以，热能致使的间接碳排放量与碳减排量彼此抵消，不计入表6。2017年希腊电力温室气体排放强度为0.657 kg CO2-eq/(kW·h)。该厂每一年经由过程电网用电发生的间接碳排放量为2 523 tCO2-eq/a，即，0.36 kgCO2-eq/m3。综上，Chania污水处置厂总碳排放量为3 023 tCO2-eq/a。

在碳减排方面，CHP产电碳减排量为504.6 tCO2-eq/a；太阳能和风能碳减排量均为630.7 tCO2-eq/a。所以，该厂总碳减排量为1 766 tCO2-eq/a。基在总碳排放量3 023 tCO2-eq/a，该厂碳中和率只要58.4%。

对残剩碳排放量，该厂筹算进一步经由过程外部植树造林固碳办法实现削减。依照其近况，斟酌单元面积人工林碳汇能力7.3 tCO2-eq/ha，需莳植最少172.2 hm2地盘树木方可完成碳中和使命。表6列出了该厂各项能源中和与碳中和份额核算。

表6 Chania污水处置厂各项目能源中和与碳中和核算

其实，依托“丛林碳汇”等额外碳汇并不是污水处置厂的本身实现碳中和，其素质与采办碳汇无异，实际上是“伪中和”。再者，莳植树木面积年夜都是虚拟。现实上，全球贸易巨子早已许诺经由过程植树造林体例获得“丛林碳信誉”间接实现各自出产进程碳中和，并且所有许诺合计起来，丛林应当已笼盖地球概况几层了。以上案例阐发注解，污水处置厂经由过程本身节能降耗、污泥厌氧消化与燃烧能量收受接管，辅之以额外的太阳能、风能等能源操纵，可较轻易实现能源中和方针；但碳中和方针的实现，必需到达填补本身间接碳排与能耗和药耗间接碳排的要求。在此方面，芬兰Kakolanmäki污水处置厂除污泥厌氧消化外热电联产外，重点对出水余温热能予以收受接管操纵，且热能收受接管份额达全数收受接管总能量的90%。这一行动让该厂转型为“能源工场”。因为余温热能的收受接管操纵，该厂不但实现能源中和，还构成年夜量碳汇，致使其碳中和率高达333%。

04

结语

在遍及强调碳中和的今天，能源中和与碳中和经常被同等起来，即，实现了能源中和也就意味着碳中和也响应实现。可是，对污水处置而言，能源中和与碳中和其实不同等，或说能源中和纷歧定可实现碳中和，而碳中和则常常能够涵盖能源中和。这是由于污水处置进程中除不计入碳排放的生源性CO2外，还会在处置进程中发生NxO、CH4、VOCs等温室气体。另外，各类化学药剂（如，碳源、除磷药剂等）等出产与运输进程也会发生CO2等温室气体。是以经由过程欧洲3个污水处置厂运转实践案例，注释并申明能源中和与碳中和的区分。德国Bochum-Ölbachtal与Köhlbrandhöft/Dradenau 2个污水处置厂虽已接近（96.9%）或超出（>100%）了能源中和，但因处置进程间接碳排和药耗等碳排比重较年夜而均难以实现碳中和运转（碳中和率别离为63.2%与42.3%），乃至差距还很年夜。一样，希腊Chania污水处置厂能源中和率在70%时碳中和率仅为58.4%。Chania污水处置厂筹算经由过程厂外植树造林体例填补其碳中和赤字（41.6%），但这类体例其实犹如采办碳汇，属因而“伪中和”。只要经由过程不竭发掘污水潜能（如余温热能），方能同时实现真正意义上的能源中和与碳中和。明显，污水处置厂仅仅寻求能源中和是远远不敷的，要想实现碳中和确切需要当真看待余温热能操纵问题。

　（本文将登载在《中国给水排水》2021年第20期，标题问题：污水处置能源中和与碳中和案例阐发；作者：北京建筑年夜学郝晓地、张益宁、李季；初创生态环保团体刘杰）