郝曉地：污水處理行業(yè)實(shí)現碳中和的路徑及其適用條件對比分析

節能降耗、污泥厭氧消化產(chǎn)甲烷、與工藝相關(guān)的能源利用等策略可有助于碳減排，但這些常規方法潛力距碳中和目標仍有相當距離。國外諸多案例表明，污水余溫熱能利用技術(shù)是污水處理領(lǐng)域實(shí)現碳中和運行的可行方案。在總結污水處理領(lǐng)域碳減排策略的基礎上，評價(jià)分析其對碳中和的貢獻。通過(guò)對國內案例計算分析余溫熱能潛力并與有機（COD）能轉化率進(jìn)行比較發(fā)現，污水中蘊含的余溫熱能潛力為有機化學(xué)能的9倍。余溫熱能利用可使污水處理廠(chǎng)達到碳中和目標，還可將剩余熱能（約75%~85%）以供熱/制冷形式向外輸出，或用于原位低溫污泥干化，實(shí)現污水處理廠(chǎng)向“能源工廠(chǎng)”轉型。

在污水處理過(guò)程中，由于大量藥劑，以及曝氣、污泥脫水設備、水泵等的電耗非常大，因此，污水處理行業(yè)在保護水環(huán)境的同時(shí)，也是高耗能產(chǎn)業(yè)。同時(shí)，一些污水處理過(guò)程還伴有CH4、N2O等直接溫室氣體排放，污水處理過(guò)程的、中碳排放問(wèn)題不可小覷。

以實(shí)現碳中和（Carbon neutrality）或能量自給自足(Energy self-sufficiency)為目標，多個(gè)國家對污水處理碳中和運行制定了相關(guān)政策。荷蘭提出NEWs概念，將未來(lái)污水處理廠(chǎng)描述為“營(yíng)養物（Nutrient）”、“能源（Energy）”、“再生水（Water）”三廠(chǎng)（Factories）合一的運行模式；新加坡國家水務(wù)局推行“NEWater”計劃，并制定水行業(yè)能源自給自足的三階段目標，其遠期目標為完全實(shí)現能源自給自足，甚至向外提供能量；美國以“Carbon-free Water”為目標，期望實(shí)現對水的取用、分配、處理、排放全過(guò)程以實(shí)現碳中和；日本發(fā)布“Sewerage Vision 2100”，宣布本世紀末將完全實(shí)現污水處理過(guò)程中能源自給自足。

已有存在一些通過(guò)不同手段實(shí)現污水處理廠(chǎng)“能量中和”或“碳中和”的國外案例。奧地利Strass污水處理廠(chǎng)利用初沉池可截留進(jìn)水懸浮物（SS）中近60%的COD，并以A/B工藝最大化富積剩余污泥，將初沉與剩余污泥共厭氧消化并熱電聯(lián)產(chǎn)（CHP）后可實(shí)現108%能源自給率。美國Sheboygan污水處理廠(chǎng)利用廠(chǎng)外高濃度食品廢棄物與剩余污泥厭氧共消化并熱電聯(lián)產(chǎn)實(shí)現產(chǎn)電量與耗電量比值達90%~115%、產(chǎn)熱量與耗熱量比值達85%~90%。德國B(niǎo)ochum-Ölbachtal污水處理廠(chǎng)通過(guò)節能降耗與熱電聯(lián)產(chǎn)實(shí)現能源中和率96.9%、碳中和率63.2%。德國Köhlbrandhöft/Dradenau污水處理廠(chǎng)通過(guò)厭氧消化與污泥干化焚燒實(shí)現能源中和率>100%，并實(shí)現42.3%的碳中和率。希臘Chania污水處理廠(chǎng)通過(guò)厭氧消化實(shí)現70%的能源中和率，碳中和率達到58.5%。德國布倫瑞克市Steinhof污水處理廠(chǎng)通過(guò)剩余污泥單獨厭氧消化并熱電聯(lián)產(chǎn)獲得79%的能源中和率，再通過(guò)補充出水農灌、污泥回田等手段額外實(shí)現了35%的碳減排量，使碳中和率高達114%。芬蘭Kakolanmäki污水處理廠(chǎng)通過(guò)熱電聯(lián)產(chǎn)與余溫熱能回收最終實(shí)現高達640%能源中和率與332.7%碳中和率。

以上案例表明，為實(shí)現碳中和目標，國外污水處理廠(chǎng)大都采取超量有機物厭氧消化并熱電聯(lián)產(chǎn)的方案。然而，我國市政污水處理廠(chǎng)普遍存在碳源低下的情況，該路徑可能無(wú)法實(shí)現我國污水處理廠(chǎng)碳中和。這就需要全方位分析污水自身潛能及利用方式來(lái)制定適宜于我國污水處理領(lǐng)域的碳中和途徑。在國內，基于碳中和的污水處理運行機制研究才剛起步。在技術(shù)層面，各種節能降耗、能量回收方式直接或間接補償污水處理碳排放量似乎是實(shí)現污水處理碳中和的重要手段�；�于此，本文從能量中和與碳中和基本概念入手，梳理污水處理行業(yè)碳減排策略，同時(shí)探討其能量潛力、技術(shù)路徑及可操作性等，以期為我國污水處理領(lǐng)域選擇適宜的碳中和路徑提供參考。

一、污水處理碳減排途徑及案例分析

1.技術(shù)升級實(shí)現節能減排

污水處理過(guò)程碳排放分直接碳排放與間接碳排放。其中，按IPCC規定由污水中生源性COD產(chǎn)生的CO2（直接排放）不應納入污水處理碳排放清單，而CH4、N2O及污水COD中化石成分產(chǎn)生的CO2則應納入污水處理直接碳排放清單。因此，間接碳排放包括：電耗（化石燃料）碳排放，即，污水、污泥處理全過(guò)程涉及能耗，以及藥耗碳排放（指污水處理所用碳源、除磷藥劑等在生產(chǎn)與運輸過(guò)程中形成的碳排放）。

在污水、污泥處理過(guò)程中，直接產(chǎn)生的CH4、N2O是節能減排中應重點(diǎn)關(guān)注的溫室氣體�？刂莆鬯�處理過(guò)程中產(chǎn)生的CH4有兩種方式：一是嚴防其從污泥厭氧消化池中逃逸，二是在污水處理其它單元（特別是污泥脫水和儲泥單元）及管道中避免沉積物聚積的死角，也要注意沉砂池（需選用曝氣沉砂池或旋流沉砂池）有效去除砂粒表面有機物。對N2O控制則比CH4顯得難度要大，N2O主要產(chǎn)生于硝化和反硝化過(guò)程。目前，有關(guān)N2O形成的機理研究已漸清晰，硝化過(guò)程是N2O形成的主因，反硝化過(guò)程對N2O形成的作用為次因。根據N2O產(chǎn)生機理，提高硝化過(guò)程DO濃度，增加反硝化過(guò)程有效碳源量有助于抑制N2O形成，然而，這勢必會(huì )增加CO2排放量。

間接排放主要是能耗和藥耗。由于在污水處理廠(chǎng)運行中最直接反映的是能耗，而藥耗形成的碳排放一般在污水處理以外的行業(yè)（化工、運輸等）產(chǎn)生（但應計入污水處理碳排放清單），故污水處理廠(chǎng)并不關(guān)心。圖1為不同國家污水處理能耗以及所對應的碳排放量。不同地區能耗差異較為明顯，但大數國家的處理能耗為0.5~0.6 kW·h·m-3；我國平均處理能耗0.31 kW·h·m-3（居中），巴西和印度處理能耗僅為0.22 kW·h·m-3，而丹麥、比利時(shí)、薩摩亞（1.4 kW·h·m-3）等國家污水處理平均能耗超過(guò)1.0 kW·h·m-3。然而，碳排放量結果顯示，瑞士、巴西單位水處理碳排量最低，僅為0.05 kg CO2-eq·m-3，墨西哥最高，達0.76 kg CO2-eq·m-3，我國則處于中等水平（平均值約0.28 kg CO2-eq·m-3）。高能耗一般伴隨著(zhù)嚴格的出水排放標準。圖1表明，上述高能耗國家碳排放量水平卻處于與我國一樣的中等水平（≤0.4 kg CO2-eq·m-3）。調研顯示，以上國家的污水處理大都利用了污泥厭氧消化與熱電聯(lián)產(chǎn)、甚至余溫熱能等清潔能源利用方式，從而抵消了一部分碳排放量。

藥耗碳排放因工藝本身使用的藥劑所產(chǎn)生，因此，應考慮減少碳源與化學(xué)除磷藥劑投加量，以減少此類(lèi)間接碳排放。因此，以減少對碳源和藥劑的依賴(lài)的強化生物脫氮除磷技術(shù)將是今后污水處理的主流。例如，德國Bochum-Ölbachtal污水處理廠(chǎng)通過(guò)對原有前置反硝化工藝進(jìn)行改造，不僅出水可滿(mǎn)足嚴格排放標準，而且能耗也從原來(lái)的0.47 kW·h·m-3降至0.33 kW·h·m-3。

另外，通過(guò)模型軟件對工藝流程進(jìn)行優(yōu)化，或基于在線(xiàn)數據實(shí)現實(shí)時(shí)參數調整也可實(shí)現污水處理工藝節能降耗。歐盟開(kāi)發(fā)了“ENEWATER”項目，用于污水處理廠(chǎng)能量在線(xiàn)平衡分配。該項目可采用模糊邏輯、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )及隨機森林等機器學(xué)習技術(shù)，對實(shí)際污水處理廠(chǎng)水泵、鼓風(fēng)機等設備進(jìn)行優(yōu)化，可不同程度降低污水處理廠(chǎng)運行能耗，最高節能可達80%。然而，“零能耗”的污水處理工藝是很難實(shí)現的，除非采用基于自然的處理系統（nature-based solutions，NBS）。因此，僅僅靠節能降耗這種間接碳減排方式，尚不能完全實(shí)現碳中和運行的目標。

2.污泥厭氧消化產(chǎn)CH4以實(shí)現能源轉化

在我國碳中和目標提出后，剩余污泥厭氧消化重獲關(guān)注。上述從污水中獲取有機（COD）能源來(lái)彌補污水處理中能耗案例似乎成為實(shí)現碳中和目標的有效途徑。然而，污泥厭氧消化所能回收的有機能量取決于進(jìn)水中有機物濃度（BOD/COD）的多寡以及厭氧消化有機物能源轉化效率，尚不能完全照搬。

因生活水平、食物結構、無(wú)化糞池設置等原因，歐美等國家地區污水處理廠(chǎng)進(jìn)水COD普遍高于我國，COD大于600 mg·L-1的情況非常普遍。因此，通過(guò)初沉池以懸浮固體（suspended solid，SS）形式截留大部分COD，以及剩余污泥厭氧共消化并熱電聯(lián)產(chǎn)可獲得較高的有機能源轉化率。另外，以上通過(guò)污泥厭氧消化并熱電聯(lián)產(chǎn)實(shí)現碳中和案例大多還通過(guò)外源有機物添加（廚余垃圾或食品廢物）來(lái)增加進(jìn)水有機物的濃度，從而保證其實(shí)現碳中和運行目標。然而，我國市政污水的進(jìn)水COD普遍偏低，COD一般為100~300 mg·L-1，甚至難以滿(mǎn)足基本脫氮除磷對碳源的需求，以至于為保留碳源而不設初沉池已成為主流工藝設計思路。這也使得僅依靠剩余污泥厭氧消化轉化有機能源無(wú)法實(shí)現碳中和運行目標，即使存在熱水解等手段強化污泥厭氧消化，在最佳運行狀況下也難突破50%CH4的增產(chǎn)量。

表1為幾個(gè)污水處理廠(chǎng)污泥有機能源回收過(guò)程中COD平衡數據，展示了污泥厭氧消化有機能源轉率。數據表明，進(jìn)水COD中有機能最終只有不到15%可通過(guò)厭氧消化與熱電聯(lián)產(chǎn)轉化為電或熱。例如，進(jìn)水COD為400 mg·L-1（理論電當量1.54kW·h·m-3）的市政污水在完成脫氮除磷目的后所產(chǎn)生的剩余污泥經(jīng)中溫厭氧消化產(chǎn)CH4并熱電聯(lián)產(chǎn)，轉化率僅13%，即實(shí)際轉化電當量?jì)H為0.20 kW·h·m-3。

3.與污水處理相關(guān)的清潔能源工藝

既然僅靠節能降耗和污泥厭氧消化并熱電聯(lián)產(chǎn)很難實(shí)現碳中和目標，那可考慮通過(guò)吸收/捕捉CO2（如，植樹(shù)造林）或在污水處理工藝或廠(chǎng)區使用清潔能源來(lái)達到碳減排目的。因此，傳統意義上的可再生能源成為首要選擇。近年來(lái)，微型發(fā)電機、光伏能、風(fēng)能等新型能源用于英國、土耳其和澳大利亞等國的污水處理廠(chǎng)，產(chǎn)生的新能源大約可彌補7%~60%的污水處理廠(chǎng)能耗。POWER等[30]將微型發(fā)電機技術(shù)成功用于英國和愛(ài)爾蘭等國的污水處理廠(chǎng)，產(chǎn)生約50%的電能，用于彌補廠(chǎng)區能耗。澳大利亞的污水處理廠(chǎng)充分利用太陽(yáng)能、風(fēng)能和污水水力發(fā)電技術(shù)，最終產(chǎn)生能源可滿(mǎn)足該水廠(chǎng)69%的運行能耗。希臘克里特島某污水處理廠(chǎng)利用光伏發(fā)電項目減排25%、風(fēng)力發(fā)電環(huán)節減排25%、人工種植林固碳減排至少30%，并輔以污泥厭氧消化能源回收方來(lái)實(shí)現碳中和目標。具有可行性清潔能源還有太陽(yáng)能。然而，受限于污水處理廠(chǎng)的地理位置、自然環(huán)境（光照、風(fēng)速）等條件，經(jīng)詳細測算，即使將太陽(yáng)能光伏發(fā)電板鋪滿(mǎn)整個(gè)污水處理廠(chǎng)最多也只能彌補約10%~15%的污水處理能耗，距離碳中和目標仍有差距。

4.通過(guò)余溫熱能利用回收能源的相關(guān)技術(shù)

污水中被忽視的另外一種潛能——水熱（余溫熱能）實(shí)際上潛力巨大，可通過(guò)熱交換（水源熱泵）方式回收并加以利用。污水余熱（<30 ℃）排放約占城市總廢熱排放量的40%，且其流量穩定，具有冬暖夏涼的特點(diǎn)。熱能衡算表明，若提取處理后出水4 ℃溫差，實(shí)際可產(chǎn)生1.77 kW·h·m-3電當量(熱)和1.18 kW·h·m-3電當量(冷)。這是上述實(shí)際可轉化有機能（0.20kW·h·m-3）的9倍，亦表明有機能與熱能分別為污水總潛能的10%和90%。因此，污水余溫熱能蘊含量巨大，不僅能完全滿(mǎn)足污水處理自身碳中和運行（案例污水處理平均能耗約0.37 kW·h·m-3）需要，而且還有更多余熱（約85%）可外輸供熱或自身使用（如，用以進(jìn)行污泥低溫干化），能形成大量可進(jìn)行碳交易的負碳。污水熱能有效利用可使污水處理廠(chǎng)轉變成“能源工廠(chǎng)”。芬蘭Kakolanmäki污水處理廠(chǎng)的案例表明，該廠(chǎng)2020年的總耗能為21.0 GWh·a-1，通過(guò)熱能回收等主要手段使能源回收總量高達211.4 GWh·a-1，產(chǎn)能幾乎為運行能耗的10倍。其污泥厭氧消化產(chǎn)能僅占3.7%，只能滿(mǎn)足36.8%的運行能耗（0.31kW·h·m-3），而余溫熱能回收占比達95%。

二、各種碳減排策略適用條件對比

現有研究表明，污泥厭氧消化有機能源轉化率普遍不高，僅靠此路徑很難實(shí)現碳中和目標，且厭氧消化至少還有50%有機質(zhì)需進(jìn)行進(jìn)一步穩定處理，因此，在污泥處理中躍過(guò)厭氧消化，而直接干化、焚燒污泥應該是污泥處置與能源回收的上策，也成為國內外普遍采用的方法。前文提及的進(jìn)水COD為400 mg·L-1的案例，若采用直接干化焚燒工藝來(lái)處理污泥，其有機能轉化率可升至0.50 kW·h·m-3（電當量），遠遠高于厭氧消化的0.20 kW·h·m-3，扣除污水處理廠(chǎng)運行能耗（0.37 kW·h·m-3）后，可盈余電當量0.12 kW·h·m-3。若再進(jìn)一步考慮出水熱能利用，按上述熱能實(shí)際轉化計算，水源熱泵提取4 ℃溫差后，可獲得熱能1.77 kW·h·m-3（電當量），再扣除污泥干化能耗0.61 kW·h·m-3，可盈余熱能1.16 kW·h·m-3（電當量）（見(jiàn)圖2）。因此，污泥焚燒熱能與余溫熱能回收可實(shí)現污水處理自身能源中和、甚至碳中和運行，還可使其變成能源工廠(chǎng)，向社會(huì )輸電、供熱。

以上案例表明，污水處理僅靠節能降耗難以實(shí)現碳中和，還應通過(guò)開(kāi)源來(lái)達到目標。利用光伏發(fā)電、剩余污泥化學(xué)能厭氧消化回收與水源熱泵余溫熱能回收方式，分別核算3種能量回收方式對運行能耗的貢獻率。結果表明，若進(jìn)水COD為400 mg·L-1，污水化學(xué)能通過(guò)厭氧消化產(chǎn)CH4并熱電聯(lián)產(chǎn)（CHP）最多僅可彌補約一半的污水處理運行能耗，剩余一半能量赤字仍需靠其它途徑來(lái)補充。若利用出水余溫熱能，僅需要<10%熱能或<15%冷能交換（通過(guò)碳交易）便可彌補能量赤字，間接實(shí)現碳中和目標。剩余約90%熱能或85%冷能則可用于周邊建筑物空調、溫室供暖等，以減少外部的化石能源（煤電、油電）消耗。相比之下，光伏發(fā)電可獲得的能量則顯得有些“微不足道”，最多也就能提供10%~15%的運行能耗。因此，污水處理廠(chǎng)若考慮余溫熱能回收不僅可實(shí)現碳中和運行目標，亦可向廠(chǎng)外供熱/冷，從而實(shí)現向能源工廠(chǎng)的轉變。這種認知在顛覆傳統能量利用觀(guān)念的同時(shí)，也揭示了污水化學(xué)能的利用局限，表明可將COD的利用向高附加值產(chǎn)品（如，藻酸鹽、PHA等）資源化方向轉變，而無(wú)需再去刻意強調污泥厭氧消化產(chǎn)CH4。

余溫熱能回收與應用并無(wú)技術(shù)障礙，唯一的利用設備——水源熱泵已較為成熟。熱能利用的最大問(wèn)題是余溫熱能乃一種低品位能源（60~80 ℃），只適合熱量直接利用，并不能用來(lái)發(fā)電。當作為熱源外輸冬季供暖時(shí)，較低的水溫又決定了其熱量有效輸送半徑不能太大，僅適用于3~5 km的輸送半徑。而且在余溫熱能實(shí)際利用中，政府部門(mén)決策與規劃最為重要。個(gè)別北歐國家的作法值得借鑒，其熱能利用已涵蓋建筑供暖、溫室加溫、人工養魚(yú)等多個(gè)方面。例如，瑞典首都斯德哥爾摩建筑物中有40%采用水源熱泵技術(shù)供熱，其中，10%熱源來(lái)自污水處理廠(chǎng)出水；芬蘭Kakolanmäki污水處理廠(chǎng)對出水余溫熱能予以回收利用，并向圖爾庫市居民供熱、制冷，形成了大量負碳；荷蘭于2021年在烏特勒支De Stichtse Rijnlanden污水處理廠(chǎng)建成25 MW水源熱泵系統，為周邊10 000戶(hù)家庭提供供熱服務(wù)。奧地利學(xué)者通過(guò)全生命周期影響評價(jià)（life cycle impact assessment, LCIA）方法得出，該國總共173個(gè)污水處理廠(chǎng)中約3/4的出水潛熱可被利用，并在廠(chǎng)區周?chē)�有穩定的熱源用戶(hù)。

盡管對污水處理廠(chǎng)余溫熱能近距離外輸利用可大大中和工藝本身能耗，但當余熱難以外輸時(shí)，只能在污水處理廠(chǎng)內部就地消納，可考慮將余溫熱能原位用于低溫干化污泥，然后將污泥集中運送至具有鄰避效應的焚燒廠(chǎng)集中焚燒利用。這樣便可將不能發(fā)電的低品位熱能間接轉化為可以高溫發(fā)電的高品位熱能。另外，在冬季寒冷的北方城市，還可考慮用出水余溫熱能加熱前端進(jìn)水，以確保在冬季維持生物處理效率。

三、結語(yǔ)

“碳中和”已成為熱詞。污水處理廠(chǎng)固然可以通過(guò)節能降耗、污泥厭氧消化、太陽(yáng)能等方式很大程度上減少碳排放量。但是，由于我國污水存在有機質(zhì)含量低的特點(diǎn)，要通過(guò)這些常規手段實(shí)現碳中和目標差距較大。盡管污水余溫熱能的利用是使污水處理廠(chǎng)轉型為“能源工廠(chǎng)”的有效手段，但在我國污水余溫熱能尚未被視為清潔能源，更未被列入碳交易清單。因此，除了在常規“降碳”技術(shù)上下功夫，還應在管理層面，從整個(gè)污水處理領(lǐng)域的整體規劃、污水處理廠(chǎng)的設計布局，以及碳匯政策等多方面著(zhù)手，來(lái)選擇適合我國國情的污水處理廠(chǎng)碳中和路徑。慶幸的是，北京已將污水余溫熱能利用列入議事日程，但希望余溫熱能利用能統一規劃而不是各自為政，應該集中于污水處理廠(chǎng)出水，而不是單獨樓宇的原污水原位利用，因為樓宇原位利用會(huì )降低流入污水處理廠(chǎng)污水溫度，對北方冬季污水處理運行極為不利。