梁遠(yuǎn)，付巖峰，方小鋒，成紅燕，孟春霖，顏瑩瑩?，陳北洋

（1.北京首創(chuàng)污泥處置技術(shù)有限公司，北京100044；2.華電水務(wù)科技股份有限公司，北京100070；3.北京首創(chuàng)股份有限公司，北京100044）

0 引言

為應(yīng)對(duì)全球變暖的重大挑戰(zhàn)，我國提出了“二氧化碳排放力爭于2030 年前達(dá)到峰值，努力爭取2060 年前實(shí)現(xiàn)碳中和”的目標(biāo)。2020 年12 月18 日中央經(jīng)濟(jì)工作會(huì)議將“碳中和”列為2021 年度國家八大重點(diǎn)任務(wù)之一，可見國家對(duì)“碳中和”的高度重視及對(duì)“碳中和”目標(biāo)納入執(zhí)行階段的態(tài)度和決心。

目前，我國是全球碳排放第一大國，排放量占全球總排放量的25.0%以上。其中，污水處理行業(yè)碳排放量占全國總排放量的1.0%～3.0%，是不可忽視的減排領(lǐng)域［1］。污水處理低碳運(yùn)行策略可概括為“開源”和“節(jié)流”。通過發(fā)掘污水、污泥中的有機(jī)能源，妥善利用太陽能等開源的方式，再加上具有低碳潛能的工藝過程和工藝優(yōu)化運(yùn)行、提高設(shè)備能效等節(jié)流措施，方可實(shí)現(xiàn)污水處理的低碳運(yùn)行［2］。

1 污水中的化學(xué)能潛力

在污水處理生產(chǎn)實(shí)踐中，化學(xué)需氧量（Chemical Oxygen Demand，COD）通常用于確定生活廢水中的總有機(jī)物含量。污水中COD 對(duì)應(yīng)有機(jī)物含有大量化學(xué)能，COD 為1 mg/L 時(shí)每m3污水可產(chǎn)生14.70～17.80 kJ化學(xué)能，平均為16.20 kJ［3］。以北京小紅門再生水廠為例，目前進(jìn)水COD 為520～540 mg/L［4］。根據(jù)住建部、生態(tài)環(huán)境部和發(fā)改委發(fā)布的《城鎮(zhèn)污水處理提質(zhì)增效三年行動(dòng)方案（2019—2021 年）》要求，隨著城市污水管網(wǎng)建設(shè)與管理、雨污分流的完善，可以預(yù)見國內(nèi)市政污水處理廠進(jìn)水COD 將持續(xù)提高。本文將污水處理廠進(jìn)水COD 取500 mg/L 作為測算基準(zhǔn)，計(jì)算得進(jìn)水的潛能約為8 100 kJ/m3。

根據(jù)美國國家環(huán)保局統(tǒng)計(jì)，污水處理規(guī)模小于5 萬m3/d 的污水處理廠，處理污水消耗的電能為0.33（kW·h）/m3；規(guī)模大于50 萬m3/d 的污水處理廠，處理污水消耗的電能為0.13（kW·h）/m3。平均電耗約0.25（kW·h）/m3，折合900 kJ/m3，僅為污水所含潛能的1/9［5］。因此，污水處理廠不但有可能實(shí)現(xiàn)能源的自給自足，甚至還可轉(zhuǎn)變?yōu)槟茉垂S。

不過，目前絕大多數(shù)采用傳統(tǒng)活性污泥法工藝的污水處理廠均是以“達(dá)標(biāo)排放”為主，以“能源和資源回收”為輔，因此能源效率比（污水產(chǎn)生的電能/污水處理廠運(yùn)行所需的總電能）并不高［6］。典型傳統(tǒng)活性污泥法工藝流程如圖1 所示，COD 為1 mg/L時(shí)每m3污水通過甲烷回收化學(xué)能的理論值約為13.90 kJ［3］，因此可以計(jì)算出可回收化學(xué)能總量為初沉污泥（13.90 kJ×26.0%）與剩余污泥（13.90 kJ×7.0%）之和，即4.58 kJ［7］。但是，只有約35.0%的甲烷化學(xué)能可通過燃燒轉(zhuǎn)化為電能。因此，污水處理廠通過厭氧消化從每m3污水中獲得最大可回收電能約為4.58×35.0%=1.60（kJ/g）（COD 為1 mg/L）。去除相應(yīng)的COD 需要約3.20 kJ 的能量，對(duì)比最大可回收的電能1.60 kJ，可得出來自廢水的電能最多只能抵消當(dāng)前污水處理廠運(yùn)行所需總能源的50.0%。

如圖1 所示，盡管初沉污泥中僅有40.0%的COD 被捕集，但其消化后回收能源的比例卻占到污水處理廠再利用能源總量的78.0%。這說明在生物氧化之前盡可能捕獲COD 對(duì)于改善能量平衡至關(guān)重要，可以將污水處理廠的運(yùn)行狀態(tài)從耗能轉(zhuǎn)變?yōu)槟芰科胶?，甚至成為凈產(chǎn)能單位。

圖1 采用傳統(tǒng)活性污泥工藝的污水處理廠COD流向Fig.1 Flow direction of COD in wastewater treatment plant based on traditional activated sludge process

2 AB工藝原理概述

污水處理廠能量回收的核心是在生物氧化之前盡可能多地從污水中捕獲COD，基于此原理的工藝被稱為吸附生物降解（Absorption Biodegradation，AB）工藝，如圖2所示。在AB工藝中，A段專門用于最大程度地從生活污水中捕獲有機(jī)物，以便在生物氧化前進(jìn)行厭氧消化；B段主要用于去除污染物。

圖2 AB工藝流程Fig.2 AB process flow

理論上，如果COD 總量中的65.0%產(chǎn)生的電能應(yīng)足以驅(qū)動(dòng)常規(guī)污水處理廠的運(yùn)行。如果生活污水中的COD 可以在A 段捕獲，并通過厭氧消化轉(zhuǎn)化為甲烷，即1 g COD 產(chǎn)生的電能=13.90×65.0%×35.0%=3.20 kJ。AB 工藝的本質(zhì)是在A 階段，即污水進(jìn)行生物氧化之前通過COD 捕集提高能量回收效率，同時(shí)減少B 段的能耗。這是實(shí)現(xiàn)污水處理廠能源自給自足的主要方式。

奧地利Strass 污水處理廠是全球首座采用AB工藝，并在主流工藝上實(shí)踐厭氧氨氧化工藝，從而實(shí)現(xiàn)能量100.0%自給的污水處理廠［8］。該廠的污水處理流程如圖3所示。污水處理廠的進(jìn)水通過高負(fù)荷活性污泥法（High Rate Activated Sludge Process，HRAS）吸附、轉(zhuǎn)化污水中大部分懸浮物與溶解性有機(jī)物；之后，污水進(jìn)入主流好氧反氨化（deammonification，DEMON）工藝，嚴(yán)格控氧的耗氧處理將污水中的部分NH3-N 氧化為NO2-；隨后，厭氧段使剩余的NH3-N 發(fā)生厭氧氨氧化反應(yīng)生成氮?dú)?。污泥采用厭氧消化工藝處理，產(chǎn)生的CH4進(jìn)行熱電聯(lián)產(chǎn)（Combined Heat and Power，CHP）。產(chǎn)生的熱能用于消化池的加熱和沼渣的干化，產(chǎn)生的電能則用于鼓風(fēng)機(jī)和提升泵等設(shè)備的運(yùn)行。

圖3 奧地利Strass污水處理廠工藝流程Fig.3 Process flow of Strass sewage treatment plant in Austria

Strass 污水處理廠在2005 年就已實(shí)現(xiàn)碳中和運(yùn)行，74.3%的進(jìn)水COD 以剩余污泥的形式進(jìn)入污泥處理單元，具有良好的產(chǎn)氣潛力，產(chǎn)出的甲烷用于CHP。2008 年，該廠又通過廚余垃圾與污泥的共消化提升產(chǎn)氣量，能量補(bǔ)償率達(dá)到123.0%，2009 年又進(jìn)一步提升至144.0%，至2014 年已接近200.0%，不僅滿足自身的電能需求，還能對(duì)外輸出電能獲得經(jīng)濟(jì)效益，實(shí)現(xiàn)污水處理廠向能源工廠的進(jìn)化。

AB 工藝自20 世紀(jì)70 年代發(fā)展至今，國內(nèi)外學(xué)者對(duì)以碳捕捉及碳源改向?yàn)榛A(chǔ)的新型AB 工藝進(jìn)行研究，提出能量平衡或碳中和技術(shù)路線。目前已形成新型AB 工藝，即“高效碳捕捉+主流厭氧氨氧化+高效厭氧消化”技術(shù)路線，如圖4所示［9］。A段碳源濃縮提取工藝主要包括以生物絮凝為主要作用的HRAS、化學(xué)強(qiáng)化一級(jí)處理（CEPT）、厭氧生物膜反應(yīng)器（AnMBR）等。由于A 段將污水中絕大部分COD 通過“網(wǎng)捕截獲”轉(zhuǎn)移到能源化途徑，導(dǎo)致進(jìn)入B 段的污水呈現(xiàn)低碳高氮特性，有機(jī)碳源嚴(yán)重缺乏，常規(guī)生物脫氮工藝無法有效去除總氮，因此B 段未來的發(fā)展趨勢是采用自養(yǎng)生物脫氮技術(shù)，如短程硝化-厭氧氨氧化技術(shù)，或主流厭氧氨氧化技術(shù)。

圖4 基于碳捕捉-主流厭氧氨氧化的AB工藝流程Fig.4 Process flow of AB process based on carbon capture and mainstream anammox

3 基于AB工藝的污水處理廠能量分析

以10 萬t/d 規(guī)模的污水處理廠為例，假設(shè)進(jìn)水COD 為500 mg/L，采用AB 工藝作為核心處理工藝，計(jì)算利用污水中COD 的化學(xué)能可產(chǎn)生的電能與整廠消耗電能之間的關(guān)系。

CEPT 工藝能夠捕獲生活污水中60.0%以上的COD［10］，因此如果選擇其作為A 段工藝，則進(jìn)入B 段的COD 不足以支撐常規(guī)的硝化和反硝化過程。根據(jù)反硝化反應(yīng)的化學(xué)計(jì)量，需要COD 為2.86 g/m3才能對(duì)1.00 g/m3NO3-N 進(jìn)行完全反硝化。只有短程硝化-反硝化或厭氧氨氧化過程可以滿足B 段的要求。數(shù)十年來，CEPT 工藝已廣泛應(yīng)用于處理生活污水。大型污水處理廠通過CEPT 可以去除多達(dá)80.0%的總懸浮物（Total Suspended Solid，TSS）和60.0%的COD。與傳統(tǒng)的初沉池設(shè)計(jì)相比，CEPT產(chǎn)生的污泥量增加了近45.0%，其中33 百分點(diǎn)是由于CEPT 工藝提高了固體捕獲率。富含有機(jī)物的CEPT污泥更適合通過厭氧消化產(chǎn)生沼氣。

由于CEPT 工藝去除可溶性COD 的能力很差，即幾乎所有可溶性COD（約占污水中COD 總量的30.0%）都可以進(jìn)入B 段。這意味著進(jìn)入B 段的可溶性COD 將足夠高并抑制厭氧氨氧化過程，因此將短程硝化-反硝化作為B段工藝更為合理。

基于以上分析，可采用CEPT 和短程硝化-反硝化作為AB工藝的配置，此過程COD如圖5所示。

圖5 基于CEPT及短程硝化-反硝化AB工藝的COD流量Fig.5 COD flow based on CEPT and short?cut nitrification?denitrification AB process

污水所含生物能發(fā)電量的計(jì)算方法見表1。以10 萬t/d 的污水處理廠為例，假設(shè)進(jìn)水的COD 為500 mg/L，則每天進(jìn)水總量所含的總化學(xué)能約為2.250×105kW·h。由圖5 可知，共有43.0%（即A 段39.0%+B 段4.0%）的COD 通過厭氧消化轉(zhuǎn)化為甲烷，這部分蘊(yùn)含的能量約為0.970×105kW·h。由于只有大約35.0%的甲烷化學(xué)能可以通過CHP 燃燒轉(zhuǎn)化為電能，計(jì)算得總發(fā)電量約0.340×105kW·h，折算到每立方米污水發(fā)電量約為0.340 kW·h。

表1 以處理規(guī)模10萬t/d的污水處理廠為例污水所含生物能發(fā)電量的計(jì)算方法Tab.1 Calculation method of power generated by bioenergy in sewage of a 100，000 t/d sewage treatment plant

圖6 為Yang 等［11］2006 年對(duì)國內(nèi)各種污水處理工藝能耗的調(diào)查結(jié)果，通過對(duì)520 座采用不同工藝的污水處理廠進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，噸水能耗為0.219～0.340（kW·h）/t，其中能耗最低的是AB工藝。

表1 可知，采用AB 工藝+CHP 方案，每t 污水的發(fā)電量約0.340 kW·h，也就是說，污水處理廠通過采用該工藝的發(fā)電量可以滿足全廠的用電需求。

4 污水處理廠的其他能量回收方式

通過理論計(jì)算可以得出，當(dāng)污水中的COD 達(dá)到500 mg/L 時(shí)，僅利用污水中所蘊(yùn)含的化學(xué)能就可以滿足污水處理的能量自持。但由于目前我國大多數(shù)地區(qū)仍采用合流制或混流制的排水管網(wǎng)，導(dǎo)致污水廠進(jìn)水的COD 難以達(dá)到這一數(shù)值，因此需要挖掘更多其他形式的能源潛力。

圖6 國內(nèi)各種污水處理工藝噸水能耗Fig.6 Energy consumption per ton of wastewater treated by various wastewater treatment processes in China

市政污水具有流量穩(wěn)定、水量充足、帶有余溫等特點(diǎn)使其具有巨大的熱交換潛力，可通過在污水處理廠引入水源熱泵技術(shù)加以利用。此外，污水處理廠生物處理單元、初沉池、二沉池等具有龐大的表面積，這就為利用光伏發(fā)電創(chuàng)造了必要條件。

根據(jù)模擬計(jì)算的結(jié)果，污水處理廠1 t出水的溫度如果降低1 ℃，水源熱泵回收的熱量等效于產(chǎn)生0.260 kW·h電能的燃煤消耗［12］。難點(diǎn)在于，雖然水源熱泵產(chǎn)生的能量較高，但污水所含余溫?zé)崮苤荒芡ㄟ^水源熱泵轉(zhuǎn)換為約60 ℃的低品位熱源，不能直接用于發(fā)電，只能就近（有效輸送半徑為3～5 km）通過熱交換直接利用其中的熱或冷。目前國內(nèi)外污水余溫?zé)崮芾枚酁樵焕?，?yīng)用規(guī)模有限［13］。

污水處理廠利用光伏發(fā)電可以直接獲取電能。如北京的幾座大型污水處理廠，每萬t 污水處理規(guī)?？晒╀佋O(shè)光伏發(fā)電設(shè)備的反應(yīng)池表面積為1 147～1 576 m2［12］。如北京良鄉(xiāng)衛(wèi)星城污水處理廠的光伏建筑一體化電站，峰值容量為674 kW，投運(yùn)后日均發(fā)電量約1 450 kW·h，折合處理1 m3污水可發(fā)電約0.036 kW·h［14］。郝曉地等［15］計(jì)算了北京某污水廠光伏發(fā)電的能源補(bǔ)給潛力占總能耗的10.4%。

由于太陽能的隨機(jī)性和季節(jié)性，光伏發(fā)電系統(tǒng)輸出功率呈現(xiàn)波動(dòng)性。白天光照強(qiáng)，光伏出力呈單峰變化，為運(yùn)行提供電能；夜間光照不足，可利用污水厭氧消化產(chǎn)生的沼氣來滿足廠區(qū)供電需求［16］。

綜上所述，可以得到污水處理廠實(shí)現(xiàn)能量自持的路徑如圖7 所示，即以通過厭氧消化利用剩余污泥的化學(xué)能為主，以水源熱泵和光伏發(fā)電為輔。

圖7 污水處理廠實(shí)現(xiàn)能量自持的路徑Fig.7 Path of energy self?sustaining in sewage treatment plant

5 結(jié)論

目前，我國污水處理行業(yè)碳排放量占全國總排放量的1.0%～3.0%，在碳中和的大趨勢下，需要充分挖掘污水中蘊(yùn)含的潛能，實(shí)現(xiàn)污水處理的能量自持。

（1）污水中COD 對(duì)應(yīng)有機(jī)物含有大量化學(xué)能，COD 為1 mg/L 時(shí)每m3污水含化學(xué)能約16.2 kJ/g，是污水能源利用的主要途徑。以污水處理廠進(jìn)水COD 為500 mg/L 為例進(jìn)行理論計(jì)算，基于AB 工藝+厭氧消化+CHP 發(fā)電工藝路線，每t 污水的發(fā)電潛能約為0.340 kW·h，可實(shí)現(xiàn)污水處理的能量自持。目前該工藝路線推廣的主要難點(diǎn)在于B 段工藝，即在主流實(shí)現(xiàn)短程硝化-反硝化或者厭氧氨氧化的設(shè)計(jì)和運(yùn)行調(diào)試難度較大。

（2）除利用污水中的化學(xué)能發(fā)電之外，引入水源熱泵也是實(shí)現(xiàn)污水處理碳中和的重要補(bǔ)充。難點(diǎn)在于，污水所含余溫?zé)崮苤荒芡ㄟ^水源熱泵轉(zhuǎn)換為約60 ℃的低品位熱源，不能直接用于發(fā)電，限制了該技術(shù)的應(yīng)用和推廣。

（3）基于商業(yè)化光伏太陽能板的發(fā)電效率，污水處理廠利用光伏發(fā)電可補(bǔ)償約10.0%的能耗，可作為污水處理碳中和技術(shù)路線的重要補(bǔ)充。