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。+ f7 O( I7 U z8 b2 A; M1 O
: N) {0 |# ^4 X# W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。1 f; e2 q$ q% `: k7 l, ~* Q
* ~( j+ w# |5 e2 S
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。& w V) i8 `/ I" {4 D& z ]2 O
]9 U) h5 a7 k0 @- }
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。
& s( ?& o, f3 @2 ~, v% K& Q1 M I- U& V- k; m
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。: a* D9 R8 d5 G2 Q# Z7 T
' f( g1 k I7 T# Q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): \. P, `+ U/ o& m$ Y& L* \
4 K: c. r% @: l: {/ n
表1 目前国际上实现能量自给/碳中和的污水厂案例
4 q$ E3 g1 ~- n1 ^# b0 b8 Z
. S% N i- j4 o3 `7 |( r ]& b7 U0 E& s/ u: c1 i/ v; i6 t* ? ?
/ j8 E+ @8 G$ V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。6 l, f% i4 J$ C; ?% J. n0 R
# d. A: A2 Z" w- L+ G
回收污水中有机物的能量。( w: }3 a- A/ K9 R- B
$ B8 y5 Z) Z3 d- I) ~
利用水源热泵技术回收污水中热能。
+ s0 T8 ~3 ^; R% Q% @
' Q* w2 e, m5 }2 X* ~) [% t% O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。% k: s2 n& D+ B# u4 P
& [; z$ `2 q8 ^+ d; q0 `. u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。
5 T, ~, h3 o- ^# B6 ~+ r) M/ C2 i7 l% z: L( O
“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。1 g, q; V" i/ M7 ]7 b
0 d# S1 _: G$ k" i7 v* L
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。( v& w8 P$ w4 S, t1 b" O2 |8 d
7 H# q3 L! {! Z2 V% S
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。$ J1 F7 T5 t6 f5 p5 E9 b' X* ~8 s
# ^! Y/ T o- v& P& q. O5 d9 g
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%。
! v3 F, F* a a; t9 C* ?2 M+ `7 x, o( I) A1 ^: c( X
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)。
: _: z* ~$ L1 P. r5 i/ T
. m& l/ @0 f* @! h" E
! v3 Z) Z/ u% @
; G$ E. X" W- f/ S8 ?9 K) P 图1 能量消耗与回收、碳排放与补偿
* z1 h" ]3 m) \5 M. k+ a+ {' S8 y( j( D0 x% R) l: r' y
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。
8 }* g4 n* V: a3 o* Z8 }! Z% S1 Y' r
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。7 z4 o9 O5 R7 }, ~; v$ G/ I: N
/ Y$ e+ s7 x i3 G; s; s, ]0 w4 Z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。
5 G4 ^2 p# [/ P$ O
0 v$ M. U H. Y) L% O8 M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。% D, O2 ]& d) Z: F& t, Q# O
" O: j% ?3 r5 n* A/ o
$ n$ |- y$ n9 z& l. l3 M ~( D! O: X$ v
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。
; d; O) T- A# l/ G( o1 p* D+ A$ S& ^% G N: k; O' c
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。原标题:污水厂碳中和运行的潜力分析——以我国为例,作者:宫徽3 Z4 G; K! E" X! \5 q. X8 a1 u8 B. F
9 a: Q- \5 N0 X& `* }& O; l3 Q
|
© 声明:本文仅表作者或发布者个人观点,与环保之家[2TECH.CN]无关。其原创性及陈述文字、内容、数据及图片均未经证实,对本文及其全部或部分内容、图片、文字的真实性、完整性、及时性本站不作任何保证或承诺,仅做参考并自行核实。如有侵权,请联系我们处理,在此深表歉意。
|