污水處理碳中和主力乃熱能而非化學(xué)能

·詳細(xì)計算污水化學(xué)能與熱能理論潛質(zhì)及其實際轉(zhuǎn)化

·污水蘊(yùn)含大量低品位可交換、直接利用的熱能，其量大大高于化學(xué)能

·污水處理碳中和運行難以依靠化學(xué)能實現(xiàn)，而熱能利用則可輕松間接實現(xiàn)

·污水有機(jī)物資源回收應(yīng)轉(zhuǎn)向高附加值化合物，而非強(qiáng)調(diào)污泥厭氧消化

文章簡介

污水資源與能源化越來越受到人們的廣泛關(guān)注。《巴黎氣候協(xié)定》簽署并實施后，污水處理碳中和運行顯得尤其必要。傳統(tǒng)利用剩余污泥厭氧消化轉(zhuǎn)化有機(jī)能（COD）的作法因?qū)嶋H轉(zhuǎn)化率不高而難以幫助污水處理廠碳中和運行。相形之下，污水余溫?zé)崮軆α糠浅ＸS富，還沒有引起人們的足夠忽視。

污水中COD雖然為一種可以有效利用的化學(xué)能量物質(zhì)，可以通過剩余污泥厭氧消化方式轉(zhuǎn)化為能源物質(zhì)——甲烷（CH4）而加以利用。但是，面對污水處理廠碳中和運行目標(biāo)，這種化學(xué)能顯得捉襟見肘。大部分學(xué)者/研究將回收污水中蘊(yùn)含的化學(xué)能作為實現(xiàn)污水處理碳中和的唯一手段。能量核算表明，污水中蘊(yùn)含的化學(xué)能并不能全部（100%）通過厭氧消化與熱電聯(lián)產(chǎn)（CHP）方式轉(zhuǎn)化為電能和熱能，僅有10~14%的理論化學(xué)能可轉(zhuǎn)化為實際回收/利用能量，距碳中和運行目標(biāo)相差甚遠(yuǎn)；進(jìn)水COD=400 mg/L污水在完成脫氮除磷目標(biāo)后形成的剩余污泥最多僅可滿足53%（0.20 kW·h/m³；化學(xué)能理論值為1.54 kW·h/m³，轉(zhuǎn)化率僅為13%）的運行能耗。

相反，市政污水余溫蘊(yùn)含量卻大的“驚人”。作為低品位能源（不能用于發(fā)電），可用于污水處理廠自身和周邊（3~5 km）建筑供熱/制冷、溫室供暖，甚至還可直接用于厭氧消化器加熱、污水冬季加熱、污泥干化等目的。在污水處理末端利用熱能不僅可以避免冬季影響生物處理效果的問題，亦可避免熱能污水管道原位利用或污水處理廠前端利用面臨的堵塞、污染以及腐蝕現(xiàn)象。在出水水量和水質(zhì)雙雙保障情況下，熱能利用可以通過水源熱泵交換方式輕松實現(xiàn)。

熱能核算顯示，污水中蘊(yùn)含的理論熱能為4.64 kW·h/m³（溫差為4oC）。通過水源熱泵交換可實現(xiàn)38%熱能轉(zhuǎn)化（1.77 kW·h/m³，COP=3.5）和25%冷能轉(zhuǎn)化（1.18 kW·h/m3，COP=4.8）。從數(shù)值上看，實際污水熱能回收顯然遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于化學(xué)能（0.20 kW·h/m³）。

實際污水處理廠（COD=400 mg/L）案例分析表明，污水化學(xué)能僅可彌補(bǔ)53%污水處理運行能耗，剩余47%能量赤字仍需靠其它途徑予以彌補(bǔ)。如果利用熱能，僅需要9.8%熱能或14.7%冷能交換（碳交易）便可輕易彌補(bǔ)能量赤字，間接實現(xiàn)碳中和目標(biāo)。剩余約90%熱能或85%冷能則可用于周邊建筑物空調(diào)、溫室供暖等目的，以減少外部化石能源（煤電、油電）的輸入?？梢姡鬯幚韽S若考慮熱量回收不僅自身可實現(xiàn)碳中和運行目標(biāo)，亦可向廠外供熱/冷，從而實現(xiàn)向能源工廠的華麗轉(zhuǎn)變。這種認(rèn)知徹底顛覆了傳統(tǒng)能量利用觀念；同時，也揭示了污水化學(xué)能利用上的局限，意味著COD應(yīng)向高附加值產(chǎn)品（如，藻酸鹽、PHA等）資源化方向轉(zhuǎn)變，無需再去強(qiáng)調(diào)污泥厭氧消化。

文章同樣也指出，熱能利用技術(shù)上幾乎沒有任何障礙，關(guān)鍵問題是低品位熱能（50~60oC）不能用于發(fā)電，只能直接利用熱量，這又受有限輸送距離（3~5 km）限制。再者，作為一種清潔回收能源，需要政府部門予以立法，給予政策和稅收上的支持。相信隨著各國“碳稅”逐漸開始增收，熱能利用帶來的“碳稅減免”或“碳交易”上市必將推動這一被冷落的“新”能源。在此方面，國外受政策支持而發(fā)展熱能利用的案例屢見不鮮；在北歐、荷蘭、日本等國家，回收熱能用于建筑物供暖、溫室保溫已形成相當(dāng)產(chǎn)業(yè)規(guī)模。

重要結(jié)論

1、污水中蘊(yùn)含的熱能遠(yuǎn)高于化學(xué)能，實際可回收熱能為化學(xué)能9倍之多

2、回收熱能除可用于污水處理廠自身和周邊建筑供熱/制冷、溫室供暖，還可用于厭氧消化器加熱、污水冬季加熱、污泥干化等目的；污水處理廠不僅可實現(xiàn)碳中和運行，而且成為向外輸能的能源工廠3、污水熱能利用關(guān)鍵不在于技術(shù)，而是應(yīng)該立法“碳稅”和/或“碳交易”，以政策或稅收等方式推動污水熱能利用4、污水中的有機(jī)物（COD）應(yīng)向具有高附加值的產(chǎn)品方向轉(zhuǎn)化，而不再是一味強(qiáng)調(diào)厭氧消化轉(zhuǎn)化至甲烷（CH4）

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