目前，我國污水處理規(guī)模體量巨大、消耗能量多，碳中和(污水處理低碳運行與能源消耗自給自足)在未來污水廠中的運行中將成為一大趨勢，其對推動行業(yè)的綠色發(fā)展具有重大意義。然而，受限于污水行業(yè)技術(shù)水平低等諸多因素限制，我國目前尚未建成真正意義上的“碳中和”污水廠。

　　研究人員以北京某污水廠為實例，分析了當前主流工藝條件下污泥厭氧、水源熱泵以及太陽能利用對碳中和運行的貢獻潛力，認為當前污泥厭氧能量自給率僅達53%。

　　污水碳中和運行已被推行

　　展望污水處理的未來前景，多個國家已經(jīng)陸續(xù)發(fā)布了污水廠碳中和技術(shù)路線圖。目前，一方面污水處理屬于高耗能行業(yè)，勢必會導致較高的碳排放足跡;另一方面，污水中本身蘊含較多的能量(有機物、熱能等)，為實現(xiàn)污水處理過程能源自給以及碳中和運行提供了客觀基礎(chǔ)。

　　美國水環(huán)境研究基金(WaterEnvironmentResearchFoundation)提出了2030年美國所有污水處理廠均要實現(xiàn)碳中和運行的目標。歐洲一些國家也相繼發(fā)布了污水廠能源管理手冊。在世界范圍內(nèi)，部分污水廠已經(jīng)通過技術(shù)升級實現(xiàn)了能量自給及碳中和運行。

　　回收有機物能量貢獻率僅53%，理想狀態(tài)可達270%

　　研究人員以北京一座處理規(guī)模為60萬噸的污水廠為實例(AAO工藝)，對污水廠碳中和運行進行了潛力分析。

　　當前，污水廠實現(xiàn)碳中和途徑主要有以下3個途徑：回收污水中有機物的能量;利用水源熱泵技術(shù)回收污水中熱能;基于目前污水廠一般占地面積較大，沉淀池和曝氣池的表面可以用于鋪設(shè)太陽能光伏發(fā)電板，利用太陽能發(fā)電。

　　污水中有機物能量回收，主要依靠污泥的厭氧過程實現(xiàn)。在污水處理過程中，會產(chǎn)生初沉污泥和二沉污泥，污泥經(jīng)過厭氧處理產(chǎn)生沼氣，沼氣經(jīng)過熱電聯(lián)產(chǎn)產(chǎn)生電能和熱能。

　　在“污泥厭氧產(chǎn)沼氣+熱電聯(lián)產(chǎn)”過程中，產(chǎn)生的電能可以用于補償污水廠的一部分能耗在理想狀態(tài)下，甚至可以實現(xiàn)碳中和運行。

　　模型針對北京幾個污水廠的實際污水水質(zhì)，模擬計算了“污泥厭氧產(chǎn)沼氣+熱電聯(lián)產(chǎn)”過程對水廠總體能源自給的影響，其貢獻值僅為53%。需要強調(diào)的是，如果改進工藝，在不考慮設(shè)備引起的能量損失情況下，碳中和率可以達到270%。

　　理論值和實際值產(chǎn)生巨大差異說明，污水廠碳中和運行的潛力有待挖掘，如果提高設(shè)備(提升泵、曝氣泵)效率、優(yōu)化工藝過程(污泥厭氧產(chǎn)甲烷過程)，回收污水有機質(zhì)所蘊含的能量很大，碳中和率可以達到非常理想的狀態(tài)。

　　水源熱泵產(chǎn)生的熱能高，太陽能利用亦可直接提供電能回收污水有機質(zhì)所蘊含的能量外，還可以考慮污水熱能和太陽能。

　　基于北京地區(qū)污水廠案例研究，北京大部分月份的溫度差能夠滿足水源熱泵技術(shù)的應(yīng)用條件，為利用水源熱泵回收污水熱能提供了基礎(chǔ)。

　　根據(jù)模擬計算結(jié)果，1噸出水溫度如果降低1℃，水源熱泵回收的熱量若由煤電產(chǎn)生，等效于產(chǎn)生0.26kwh煤電時的燃煤消耗。經(jīng)過初步估算，只利用出水量的1/5所回收的能量，足以彌補上述提到的有機物能量實際回收不足帶來的能耗缺口。

　　然而，水源熱泵雖然產(chǎn)生的能量高，但并不能直接產(chǎn)生電能，只是產(chǎn)生熱能，不方便將富裕熱能向周邊供給。比如需要考慮向周邊供給半徑、市政供熱網(wǎng)絡(luò)的互動等因素。

　　不過，太陽能的利用可以直接提供電能。根據(jù)北京幾座大型污水廠的情況，每萬噸污水處理規(guī)模可供太陽能鋪設(shè)的反應(yīng)池表面積在1147m3~1576m3之間。

　　基于商業(yè)化光伏太陽能板的產(chǎn)電效率，污水廠太陽能利用可以補償10%的能耗損失。但是，其對碳中和運行的貢獻率低于回收污水中有機物的能量或利用水源熱泵技術(shù)回收污水中熱能。