研究綜述 | 污水熱能利用國際現(xiàn)狀與趨勢

水處理網(wǎng)訊:污水中含有有機物（COD）化學能和余溫熱能，但這種潛能一直不被重視。已有研究表明城市污水中所蘊含的潛能（化學能+熱能）值可達污水處理耗能的9～10倍。同時，前期研究結(jié)論顯示，城市污水中化學能約占總潛能值的10%，而90%的污水潛能由熱量產(chǎn)生。若把污水中的熱能加以合理利用，污水處理廠也會從原先的耗能工廠轉(zhuǎn)變?yōu)椤澳茉垂S”，不僅可以能量輸出方式間接實現(xiàn)“碳中和”運行，而且還會產(chǎn)生大量碳交易額。

生活過程因熱量輸入導(dǎo)致污水排放出口溫度（平均為27 ℃）比自來水溫度高出2~17 ℃?？梢娢鬯鄿責崮芸偭烤薮螅s占城市廢熱排放總量的15%~40%；污水源熱泵COP（能效比）為3.5～4.6，比空氣源熱泵（COP=2.8～3.4）和地源熱泵（COP=3.3～3.8）均高，這意味著交換同量熱量比其它兩種熱源方式更省電。然而，從污水余溫熱能中提取的熱量屬于低品位能源（40~80℃），難以用于發(fā)電，只能被直接利用，且熱量有效輸送半徑僅為3~5 km。這就決定了污水源熱泵技術(shù)有限的應(yīng)用距離。研究分別從污水余溫熱能利用途徑、相關(guān)政策法規(guī)以及經(jīng)濟激勵角度分析其應(yīng)用可能性，為未來污水處理廠利用余溫熱能助力實現(xiàn)碳中和目標確定方向。

污水熱能利用途徑

①集中利用

優(yōu)勢：污水處理廠出水比原污水具有更高的潛熱值，通過水源熱泵系統(tǒng)提取熱能也相對容易，可避免熱交換器（熱泵）防污、防堵、防腐構(gòu)造等問題。

限制因素：該熱能利用范圍有限，存在遠距離輸送熱損失及輸送費用問題。

利用方式：滿足場內(nèi)利用，并向污水處理廠周邊輻射，兼顧周邊民宅供熱、制冷需要。

應(yīng)用案例

歐洲有人提出，出水熱能可用于農(nóng)業(yè)、林業(yè)產(chǎn)品脫水和滿足水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)的更大熱量需求；

英國學者分析了英格蘭南部污水處理廠利用出水熱能方式的經(jīng)濟性，得出集中利用熱能用于維持55 ℃厭氧消化進行熱電聯(lián)產(chǎn)應(yīng)該具有更高的經(jīng)濟回報率；

日本札幌市直接利用污水處理廠出水余溫在調(diào)節(jié)池內(nèi)融化運輸而來的積雪，解決冬季街道、居住區(qū)積雪處理問題。

圖為芬蘭圖爾庫市Kakolanmäki污水處理廠污水余溫熱能集中利用示意圖

根據(jù)荷蘭Utrecht污水處理廠改造規(guī)劃，該廠出水余溫熱能利用也將一并納入改造計劃。采用熱泵技術(shù)，建成后熱泵出水溫度可達到75~83 °C，每年總共可從出水中交換約400 000 000 MJ熱量，約占Utrecht市總供熱量的10~15%，可持續(xù)供應(yīng)當?shù)?0 000戶居民冬季取暖供熱需求，從而大大減少天然氣使用量。

芬蘭圖爾庫市Kakolanmäki污水處理廠以該廠二級出水為熱源回收余溫熱能，為廠區(qū)和周邊地區(qū)供熱和制冷（四季常開，但高峰集中于夏季3個月，為周邊部分醫(yī)院和寫字樓。污水處理廠二級出水的平均溫度為14 ℃，提取后平均溫度降低約5~10 ℃。該廠產(chǎn)能是運行能耗的10倍之多，其中，余溫熱能供熱/制冷能量回收近90%；

泰晤士水務(wù)公司與英國東南部泰晤士河畔金斯頓地方委員會準備協(xié)作推進“粑粑能源”（Poo power）計劃，從Hogsmill污水處理廠1/3的出水中回收余熱，預(yù)計30年服務(wù)期內(nèi)每年可回收高達7 GWh熱能，相當于30年中可減少約10.5萬t CO2排放當量。

②原位利用

優(yōu)勢：從用戶端原位利用污水熱能的水源熱泵系統(tǒng)可有效解決遠距離輸送熱量損失及系統(tǒng)輸送費等問題。

限制因素：腐蝕熱泵機組問題較為嚴重。因此對熱交換器的防污、防堵、防腐能力存在特殊要求。污水熱能原位利用必然導(dǎo)致進入污水處理廠水溫降低，在冬季會嚴重影響污水生物處理效果。

圖為污水余溫熱能原位利用示意圖

應(yīng)用案例

（1）居家原位利用

圖片來源：維基百科

2012年Nolde＆Partner水概念公司在德國聯(lián)邦環(huán)境基金會（DBU）資助下完成了第一個分散式建筑灰水余熱回收項目，并在漢堡、法蘭克福結(jié)合污水源分離技術(shù)建立了污水余熱回收示范樣板。

此外，蘇格蘭SHARC公司在加拿大溫哥華Seven35大樓60戶家庭中安裝了居家污水余熱回收試驗系統(tǒng)，采用美國FHP熱泵和雙壁通風換熱器，并實時監(jiān)控、記錄系統(tǒng)運行情況。

（2）管道原位利用

挪威開發(fā)了淋水式換熱器，用以解決換熱器堵塞問題。目前，挪威已建成2個利用市政管道污水交換熱源的供熱工程。

瑞士在熱泵系統(tǒng)清潔、防堵技術(shù)上進行了很多研究，以降低熱泵系統(tǒng)運行成本。1981年瑞士人發(fā)明“FEKA”箱式系統(tǒng)，通過沉淀和篩分分離固體進行管道原位熱能利用，工程應(yīng)用一直持續(xù)至21世紀。20世紀90年代，瑞士人還利用排水管道底部一體化溝槽式換熱器發(fā)明了“Rabtherm”系統(tǒng)，并在瑞士basel－Bachgraben體育場穩(wěn)定運行了25年，該系統(tǒng)2001年安裝應(yīng)用于賓寧根，到現(xiàn)在也未出現(xiàn)污垢堵塞現(xiàn)象。

德國對污水熱能利用主要以分散方式進行，并針對換熱器結(jié)垢現(xiàn)象發(fā)明了不同類型的清洗技術(shù)，其中，琥珀公司發(fā)明的Huber Thermwin在線自動清洗熱泵系統(tǒng)被用于德國多個小區(qū)的熱泵系統(tǒng)，同時也在瑞士一些中小型建筑污水熱能原位利用項目上獲得應(yīng)用。

熱能利用政策與經(jīng)濟激勵

污水余溫熱能藉日臻完善的水源熱泵技術(shù)，工程應(yīng)用在技術(shù)上已不存在太多問題，關(guān)鍵取決于政府對這一可再生清潔能源的認識、態(tài)度以及相應(yīng)的政策、法律和經(jīng)濟補貼。因此，有必要了解上述發(fā)達國家在這一方面的做法與經(jīng)驗。

（1）相關(guān)法律

雖然歐洲國家為減少化石燃料使用，鼓勵利用可再生能源，但歐盟對于污水熱能回收還沒有制定出十分準確的政策規(guī)定，僅在宏觀上建立了應(yīng)對氣候變化的彈性能源聯(lián)盟，主要開展能源供應(yīng)安全、內(nèi)部能源市場、節(jié)能減排和相關(guān)技術(shù)研究。

圖為影響歐洲熱泵技術(shù)發(fā)展的法律文件

（2）組織與協(xié)作機制

在技術(shù)開發(fā)管理上，日本于1980年成立了新能源開發(fā)組織，并在2003年成為國家獨立行政機構(gòu)。

歐盟25個國家的熱泵和零部件制造商、大學/研究機構(gòu)、測試實驗室和能源機構(gòu)總共128個成員組成了歐洲熱泵協(xié)會（EHPA）。旨在克服市場壁壘，以加快熱泵市場發(fā)展，推動污水熱能用于供熱、冷卻和熱水加熱領(lǐng)域。

加拿大建立了一種未來城市優(yōu)質(zhì)能源系統(tǒng)（QUEST）。作為一個合作網(wǎng)絡(luò)組織，鼓勵并組織來自各行各業(yè)人員參與進行能源問題平等對話和信息交流，支持在加拿大各地發(fā)展綜合社區(qū)能源系統(tǒng)（ICES），以提高專業(yè)知識和建設(shè)能力。

（3）經(jīng)濟政策

設(shè)備補貼：德國在2015年開始實行市場激勵計劃（MAP），為企業(yè)和住戶使用可再生能源供熱提供資金支持；

瑞典為減少家庭供暖電能消耗，政府提供資金補助來鼓勵使用污水源熱泵交換供熱；

英格蘭、蘇格蘭和威爾士的住戶在安裝可再生能源供熱系統(tǒng)時亦可獲得高達1250英鎊的政府補貼。蘇格蘭政府還發(fā)放取暖貸款基金，用以解決實施地區(qū)供熱財政和技術(shù)障礙；企業(yè)及民用工程最高可獲得50萬英鎊低息無擔保貸款（還款期10~15年）。

美國能源部（DOE）通過氣候輔助計劃（WAP）向各州發(fā)放補助金，用于可再生供熱設(shè)備改造，主要是用以提高低收入家庭能源利用效率；在降低住房能耗上的平均補助為每戶6 500美元。

稅收減免及其他優(yōu)惠：瑞典自2005年5月15日開始對公共事業(yè)中商業(yè)建筑可再生能源供熱設(shè)備（含污水源熱泵）投資實施30%稅收減免政策，單體建筑最高補助額為5 000 000克朗。

美國國家稅務(wù)局發(fā)布了《商業(yè)能源投資稅收抵免》（ITC）、《節(jié)能商業(yè)建筑減免》條例，對企業(yè)使用可再生能源供熱、制冷設(shè)備予以3~19美元/m2稅收減免。《住宅能效稅收抵免》條例規(guī)定對使用熱泵交換熱水器COP達到2.0以上的給予300美元稅收抵免。

污水熱能集中利用設(shè)想

考慮到原位利用污水熱能再冬季會影響污水廠生物處理效果；集中交換熱屬低品位能源，難以用于發(fā)電，并存在傳輸距離限制等問題，對此，結(jié)合污水處理剩余污泥未來處理/處置路線，提出了“污泥干化后直接焚燒”的技術(shù)設(shè)想。（詳見原創(chuàng)研究|焚燒：污泥能源/資源化之上策）

從出水中集中交換出的熱量可用于脫水污泥熱分散式原位干化，使脫水污泥含水率從80%降至40%~70%（取決于有機質(zhì)含量）后直接焚燒，產(chǎn)生的高熱熱量可用于發(fā)電、灰分提磷后用作建筑材料。從某種程度上看，污泥干化后焚燒相當于將低品位熱能轉(zhuǎn)化為可發(fā)電的高品位熱能。再者，污泥焚燒廠亦可吸納廚余等有機固體垃圾混燒，以增加熱值并減少垃圾焚燒重復(fù)投資。

結(jié)論

污水中含有巨大余溫熱能，在可持續(xù)發(fā)展的全球主題下已漸漸被國際社會所關(guān)注。原位利用污水熱能的國內(nèi)外工程盡管已屢見不鮮，但由于管道腐蝕等問題難以解決，應(yīng)用進展緩慢，多為獲得政府經(jīng)濟補貼支持的示范工程，維持長期運行存在爭議。包括日本直接利用污水余溫冬季融雪的做法雖然簡單，但應(yīng)用范圍和時間也十分有限。

污水處理廠集中交換熱雖然可以解決上述問題，唯一缺陷是交換出的熱量消納問題，這就需要在廠內(nèi)和廠周邊找到穩(wěn)定的熱量消納用戶。首選是服務(wù)于周邊住宅或工企空調(diào)熱量交換。從污水處理剩余污泥終極處理、處置角度，交換熱量用于污泥原位熱干化后焚燒則是一種不錯的出路。此外，在污水處理廠周邊農(nóng)田建設(shè)大棚/溫室，接收污水處理交換熱能也是一種潛在、穩(wěn)定的出路。