污水處理能源中和與碳中和案例分析
全康環(huán)保:導語：污水處理過程因高耗能以及直接溫室氣體排放，使得逼近碳中和運行勢在必行。然而，污水處理多以追求“能源中和（Energy neutrality）”為目的，且常常與“碳中和（Carbon neutrality）”概念混為一談。通過歐洲3個污水處理廠實例，可以直觀解釋并說明能源中和與碳中和的不同。實際運行案例表明，實現(xiàn)能源中和并不意味著同時可以實現(xiàn)碳中和，而如果實現(xiàn)碳中和則可以認為也同時實現(xiàn)了能源中和。這是因為污水處理過程中除能源消耗的間接碳排放外，還會在處理過程中直接產(chǎn)生NxO、CH4、VOCs等溫室氣體（從COD轉(zhuǎn)化的CO2因大多為生源性，所以不計入碳排放清單）。此外，各種化學藥劑（如碳源、除磷藥劑等）等生產(chǎn)與運輸過程也會間接產(chǎn)生CO2等溫室氣體。廠外植樹造林、風力發(fā)電、外源有機物厭氧共消化固然有助于污水處理廠實現(xiàn)碳中和，但這些方式并非污水處理廠份內(nèi)之事，應(yīng)該都是“偽中和”。其實，污水處理廠要想同時實現(xiàn)能源中和與碳中和，只有深入挖掘污水余溫熱能方能實現(xiàn)。
當今，“能源中和（Energy neutrality）”這一概念被越來越多污水處理廠所提及；同時，污水處理實現(xiàn)“碳中和（Carbon neutrality）”也是大勢所趨。能源中和與碳中和是否為同義語，可以相提并論嗎？這個問題目前還比較模糊，需要借助目前碳中和熱度以及碳中和實現(xiàn)路徑予以厘清。能源中和，顧名思義指污水處理廠減少自身能源消耗且能夠在廠內(nèi)外回收或產(chǎn)生一種或多種清潔能源，可以直接（電、熱自用）或間接（產(chǎn)生能量并網(wǎng)）彌補污水處理廠自身能源消耗量，從而達到污水處理不依靠化石能源等（電、熱）而實現(xiàn)能源自給自足。對污水處理廠而言，實現(xiàn)能源中和可采取以下措施：① 減少污水處理自身能源消耗；②提高污水中能源回收效率；③尋找其他外部可再生能源。相對而言，污水處理廠的碳中和概念更為直觀。它指的是，污水處理廠通過自身節(jié)能降耗或增加自身產(chǎn)能，或增加碳匯，使該污水處理廠的碳減排量與碳排放量相互抵消。然而，污水處理廠的碳排放構(gòu)成較為復(fù)雜，分為直接碳排和間接碳排。直接碳排放表示污水處理廠在水處理過程中因有機物降解、氮轉(zhuǎn)化過程產(chǎn)生的各種溫室氣體（主要指CO2、CH4和N2O）碳排放量。其中，直接碳排放中的CO2因為主要（亦含少量化石碳成分）是生源性的，所以，一般并不計入碳排放清單。間接碳排放指的是污水處理廠消耗外部化石能源等（產(chǎn)電、產(chǎn)熱）以及各種化學藥劑生產(chǎn)運輸過程產(chǎn)生的碳足跡。顯然，污水處理廠實現(xiàn)能源中和不等同于實現(xiàn)碳中和。能源中和僅意味著污水處理廠能耗實現(xiàn)自給自足，只抵消了間接碳排放量中能耗碳足跡，而間接碳排放量中的藥耗碳足跡以及直接碳排中的NxO、CH4、VOCs等溫室氣體產(chǎn)生的碳排放量并未抵消。反過來看，污水處理廠如果實現(xiàn)了碳中和，一般可認為同時可以實現(xiàn)能源中和。例如，污水余溫熱能潛力巨大，但屬于不能直接發(fā)電利用的低品位能源，只能作為熱/冷輸出供熱或制冷，污水處理廠依然需要依靠外部電力；這種低品位能源（熱/冷清潔能源）被廠外社會使用后可替代/彌補高品位能源（電、天然氣等）的使用，進而減少社會大量碳排放，這些被節(jié)省的碳排放完全可以用來抵消污水處理廠自身電耗碳足跡。換句話說，污水處理碳中和是間接實現(xiàn)能源中和，所供應(yīng)社會的熱/冷可被是作為一種“碳匯”。為此，分別利用3個歐洲實際案例分析并說明污水處理廠能源中和與碳中和之關(guān)系，解析高耗能污水處理向能源中和、甚至是碳中和運行轉(zhuǎn)變策略，以期為我國污水處理廠“雙碳”目標提供參考。
01
德國Bochum-?lbachtal污水處理廠
Bochum-?lbachtal污水處理廠位于德國北萊茵―威斯特法倫州魯爾區(qū)波鴻市，處理規(guī)模為4.3×104m3/d。進水COD=380 mg/L，TN=56 mg/L，TP=6.5 mg/L。該廠采用三段進水前置反硝化工藝，生化段出水采用化學藥劑方式除磷。出水滿足歐盟排放標準（TN≤13 mg/L，TP≤1 mg/L）。該廠處理工藝流程如圖1所示。
圖1 Bochum-?lbachtal污水處理廠工藝流程
1.1 能源中和評價
Bochum-?lbachtal污水處理廠在2013年升級改造前，Ruhrverband公司對其電耗情況進行了統(tǒng)計，并與德國《污水處理廠能源手冊（MURL）》中的標準值進行了對比，發(fā)現(xiàn)除生物處理階段除曝氣單元外，其他單元耗電量均遠遠超標，具有較大節(jié)能空間。為此，該廠對生物處理階段進行升級改造，將原有單點進水改為三段進水，并只保留了第一段可控制開啟/關(guān)閉的硝化液內(nèi)回流管道（見圖1）；同時優(yōu)化了該廠其他設(shè)備。2015年Bochum-?lbachtal污水處理廠正式改造完成，改造前后電耗情況見表1。最終該廠總電耗由34.6 kW?h/(PE?a)（折合噸水電耗0.47 kW?h/m3）降低至24.1 kW?h/(PE?a)（噸水電耗0.33 kW?h/m3），能耗降低達到30.3%。同時出水總氮濃度也穩(wěn)定在TN<5 mg/L，遠遠超過出水排放要求（TN≤13 mg/L）。
表1 Bochum-?lbachtal污水處理廠改造前、后耗電量對比
以2015年能量平衡評價，上半年污泥厭氧消化熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)(CHP) 產(chǎn)生凈電能2.47 GW?h，CHP產(chǎn)熱無論升級前后均已自給自足。根據(jù)2015年上半年CHP產(chǎn)電數(shù)據(jù)推算，全年CHP產(chǎn)生凈電能4.94 GW?h。2013年工藝升級前，該廠污水處理全流程總耗電量為12.77 GW?h，可知通過厭氧消化能源轉(zhuǎn)化，能源自給率僅為38.7%，距離能源中和目標（100%）仍有61.3%能源赤字。升級后，根據(jù)2015年上半年總耗電量推算，該廠全年總耗電量為5.1 GW?h。在厭氧消化效率不變的情況下，因全年CHP產(chǎn)生凈電能4.94 GW?h，所以能源自給率達96.9%，已接近能源中和。Bochum-?lbachtal污水處理廠僅采用自身節(jié)能降耗方式，維持原有厭氧消化不變，能源自給率從改造前的38.7%提升至96.9%，接近能源中和。值得注意的是，該案例中進水COD為380 mg/L，與我國市政污水COD（COD=200～400 mg/L）高值接近，對我國污水處理廠以節(jié)能降耗為目的升級改造，并利用厭氧消化能源轉(zhuǎn)化實現(xiàn)能源中和目標具有一定參考價值。
1.2 節(jié)能降耗措施
分析Bochum-?lbachtal污水處理廠節(jié)能降耗手段主要包括：①減少回流泵耗能。改造后取消了第二、第三段內(nèi)回流，只保留第一段回流，且根據(jù)第一段末端硝酸鹽（NO3-）濃度高低選擇性開啟，以提高反硝化程度。改進后內(nèi)回流泵水頭損失從19 kPa降低到13kPa，內(nèi)回流比從0.9降低至0.5。② 通過合理分配進水比例，繼續(xù)使用原有反應(yīng)池，以降低成本，縮短工期。該廠根據(jù)硝化和反硝化池體積間差異，通過數(shù)學模擬對進水比例進行最佳分配。三段進水比例依次為50%、33%、17%，原第二段內(nèi)回流管道被直接改為33%污水進水管道。③ 其他設(shè)備能耗優(yōu)化。盤式曝氣器更換為板式曝氣器，增加浸沒深度且替代攪拌器。改進前攪拌器比功率為2.15 W/m3，而替換攪拌器后比功率降低至0.88 W/m3。
1.3 經(jīng)濟性評價
德國《污水納稅法》規(guī)定，如果污水處理廠出水TN<5 mg/L，則無需支付污水氮排放費。改造前Bochum-?lbachtal污水處理廠出水TN>5 mg/L，年污水氮排放費為16萬歐元/a。改造后該廠選擇在第三段反硝化池投加碳源（根據(jù)第三段硝化池出水TN值決定），以保證出水TN<5 mg/L。外加碳源成本大約為10萬歐元/a，因此，投加碳源更為經(jīng)濟。表2為該廠改造前、后運行成本浮動情況，工藝改造后至少節(jié)省50萬歐元/a。
表2Bochum-?lbachtal污水處理廠改造前后成本浮動情況 萬歐元?a-1
1.4 碳中和率核算
根據(jù)碳足跡模型，Bochum-?lbachtal污水處理廠碳排/減排核算結(jié)果示于表3。其中，碳排放量分為：① 直接碳排放量。CH4、N2O當量人口直接碳排放量為7 kg CO2-eq/(PE×a)，則年碳排總量為1 491 t CO2-eq/a；② 間接碳排放量，分為能耗與藥耗兩部分。能耗包括污水處理所需電耗和熱耗。根據(jù)資料，該廠全年總電耗為5.1 GW?h/a，按2015年德國電力溫室氣體排放強度0.46 kgCO2/（kW?h）核算，總電耗產(chǎn)生碳排量為2 346 t CO2-eq/a，污泥厭氧消化池因保溫耗能所產(chǎn)生碳排放量為1 264 tCO2-eq/a。藥耗碳排主要包括除磷藥劑與外加碳源碳足跡，其中，除磷藥劑碳排放量約為154 t CO2-eq/a，外加碳源碳排放量約為385 t CO2-eq/a。綜上，Bochum-?lbachtal污水處理廠碳排放總量為5 640 t CO2-eq/a。核算碳減排量：該廠通過污泥厭氧消化熱電聯(lián)產(chǎn)生產(chǎn)電能約5 GW?h/a、熱能約6.53 GW?h/a，共計可實現(xiàn)碳減排量3 564 t CO2-eq/a。
經(jīng)核算，Bochum-?lbachtal污水處理廠碳排放總量為5 640 tCO2-eq/a，碳減排總量為3 564 t CO2-eq/a，碳中和率為63.2%。顯然，能源中和率（96.9%）與碳中和率（63.2%）并不相等，也不是一碼事。該案例表明，通過工藝升級改造可實現(xiàn)雖然可實現(xiàn)“節(jié)能降耗”的顯著效果，并最大限度逼近能源中和運行，但是，在無額外利用污水潛在能源（如余溫熱能）的情況下，還是難以實現(xiàn)碳中和運行目的。
表3 Bochum-?lbachtal污水處理廠碳排/減排核算
02
德國K?hlbrandh?ft/Dradenau 污水處理廠
德國K?hlbrandh?ft/Dradenau 污水處理廠位于德國漢堡，應(yīng)屬德國最大的污水處理廠，負責處理周邊200萬居民生活污水以及歐洲第三大海港工業(yè)廢水。處理水量達38.2×104m3/d（規(guī)模約為240萬當量人口，PE）；進水水質(zhì)為：COD=850 mg/L，TN=67 mg/L，TP=9.4 mg/L。該廠由漢堡水務(wù)公司經(jīng)營，改造前是該市最大公共能源消耗單位之一。該廠主流處理工藝為活性污泥法，生化段出水投加化學藥劑除磷。污泥處理包括剩余污泥厭氧消化產(chǎn)沼氣、沼氣熱電聯(lián)產(chǎn)、消化后污泥繼續(xù)干化、焚燒用于能量回收。該廠污水、污泥處理全工藝流程如圖2所示。
圖2 K?hlbrandh?ft/Dradenau污水處理廠污水、污泥處理/處置工藝流程
2.1 能源中和評價
K?hlbrandh?ft/Dradenau污水處理廠對剩余污泥進行厭氧消化，同時收集廠外生物廢棄物與污泥共消化以增加沼氣產(chǎn)量，并實現(xiàn)沼氣轉(zhuǎn)換為天然氣對外輸送。后續(xù)消化熟污泥施以焚燒處置，進一步熱電聯(lián)產(chǎn)回收電能和熱能；電能彌補自身電耗使用，熱能則被輸送至污泥干化設(shè)備，可完全滿足高溫干化需要；污泥干化后的低溫余熱可繼續(xù)供消化池保溫使用。如此設(shè)計，可實現(xiàn)電能與熱能高效回收利用。此外，自2009年起該廠富余熱能還向附近碼頭輸出供應(yīng)。圖3為該廠2018年電能與熱能流向示意圖。該廠污泥焚燒產(chǎn)能遠遠大于沼氣熱電聯(lián)產(chǎn)，且應(yīng)用太陽能、風能等清潔能源，實現(xiàn)能源回收的同時進一步減少CO2排放。2018年該廠總電耗為107.2 GW?h/a，產(chǎn)電量為115 GW?h/a，電能自給率達107%；總熱耗為99.7 GW?h/a，產(chǎn)熱量為113 GW?h/a，熱能自給率達113%?？梢姡搹S通過自身進水中高濃度有機物（COD=850 mg/L）、外源有機廢棄物、太陽能、風能等綜合利用，已超越能源中和目標并可向外供氣（CH4）和熱。預(yù)計未來該廠將達到發(fā)電量大于耗電量的30%，熱能供應(yīng)范圍也將進一步擴大。
圖3 K?hlbrandh?ft/Dradenau污水處理廠電能與熱能流向示意
該案例存在兩點應(yīng)用優(yōu)勢：①提高沼氣利用效率。沼氣利用CHP產(chǎn)生電能與熱能這種方式雖然簡便，但非最優(yōu)方式。因為電能產(chǎn)生過程中不可避免造成能量損失，而產(chǎn)生的熱能又受到供應(yīng)區(qū)域的限制。因此，該廠通過胺洗去除沼氣中CO2，使沼氣成分達到天然氣使用標準后直接輸送至市政天然氣管網(wǎng)。該方式在提高能源轉(zhuǎn)化效率、避免能量浪費的同時還可實現(xiàn)一定經(jīng)濟效益。② 污泥焚燒是一種實現(xiàn)能源中和非常有力以及經(jīng)濟的方式，該廠污泥焚燒可充分回收污泥有機質(zhì)能源，產(chǎn)能遠遠大于沼氣熱電聯(lián)產(chǎn)。
2.2 碳中和率核算
根據(jù)碳足跡模型計算K?hlbrandh?ft/Dradenau污水處理廠的碳排放量，結(jié)果見表4?？梢钥闯觯搹S總碳排放量為176 703 t CO2-eq/a。
表4 K?hlbrandh?ft/Dradenau 污水處理廠碳排放量核算
該廠碳減排通過電能與熱能回收實現(xiàn)，結(jié)果見表5。該廠電能碳減排量為52 923 t CO2-eq/a，熱能碳減排量為21 900 t CO2-eq/a，總碳減排量則為74 823 t CO2-eq/a。因此，碳中和率僅為42.3%，遠未達到碳中和目標。
表5K?hlbrandh?ft/Dradenau 污水處理廠碳減排量核算
K?hlbrandh?ft/Dradenau污水處理廠運行實踐再次表明，盡管能源中和率已超越100%，但其實現(xiàn)的碳中和率仍然很低，還不足45%。
03
希臘Chania污水處理廠
Chania污水處理廠位于希臘克里特島干尼亞州市中心東部幾公里處，至2017年服務(wù)人口為17萬人，處理水量19 400 m3/d；進水水質(zhì)：COD=869 mg/L，TN=50 mg/L，TP=8.4 mg/L 。該廠采用傳統(tǒng)活性污泥法作為主流工藝，不設(shè)額外除磷設(shè)施。剩余污泥厭氧消化后產(chǎn)沼氣并熱電聯(lián)產(chǎn)。污水、污泥處理/處置全工藝流程如圖4所示。
圖4 Chania污水處理廠工藝流程
3.1 能源中和評價
該廠除污泥厭氧消化并熱電聯(lián)產(chǎn)回收能源外，還采用了光伏發(fā)電與風力發(fā)電技術(shù)，分述如下：
①沼氣熱電聯(lián)產(chǎn)（CHP）。該廠配備有4個污泥厭氧消化池，總池容6 200 m3。厭氧消化溫度控制為35 ℃，沼氣中CH4含量65%～68%。CHP產(chǎn)生電能和熱能，其中，熱能用于加熱消化池，電能則輸入公共電網(wǎng)。
②太陽能光伏發(fā)電。克里特島是希臘最大的島嶼，當?shù)靥栞椪斩群芨?，太陽能資源豐富。太陽能電池板安裝在廠區(qū)內(nèi)部，后續(xù)計劃在場外繼續(xù)安裝太陽能光伏板。目前太陽能光伏系統(tǒng)規(guī)模為640 kW/a，每年產(chǎn)生960 MW?h/a電量，供污水處理廠自身使用。
③ 風力發(fā)電。干尼亞州北部緊沿克里特海，由于海陸熱力性質(zhì)差異，海洋比熱容遠大于陸地，所以，在該地安裝風力發(fā)電裝置是可行的。風力渦輪機容量系數(shù)為0.28，發(fā)電量為960 MW?h/a，規(guī)模為391 kW/a。
Chania污水處理廠2017年總耗電量為3 840 MW?h/a，單位耗電量0.543 kW?h/m3。CHP可產(chǎn)生768 MW?h/a電能（總耗電量20%）并輸入外部電網(wǎng)；光伏系統(tǒng)可產(chǎn)生960 MW?h/a電能（25%）；風力渦輪機產(chǎn)生電能同樣為960 MW?h/a（25%）。總計，該廠自身產(chǎn)能為2 688 MW?h/a，與總耗電量（3 840 MW?h/a）相比，仍存在30%（1 152 MW?h/a）用電赤字，即，能源中和率僅達到70%。
3.2 碳中和評價
在碳排方面，直接碳排主要由NxO、VOCs等間接性溫室氣體引起，與藥耗等碳排放共計約500 tCO2-eq/a；間接碳排中，由于沼氣CHP產(chǎn)熱完全可以滿足消化池供熱需求，因此，熱能導致的間接碳排放量與碳減排量相互抵消，不計入表6。2017年希臘電力溫室氣體排放強度為0.657 kg CO2-eq/(kW?h)。該廠每年通過電網(wǎng)用電產(chǎn)生的間接碳排放量為2 523 tCO2-eq/a，即，0.36 kgCO2-eq/m3。綜上，Chania污水處理廠總碳排放量為3 023 tCO2-eq/a。
在碳減排方面，CHP產(chǎn)電碳減排量為504.6 tCO2-eq/a；太陽能和風能碳減排量均為630.7 tCO2-eq/a。所以，該廠總碳減排量為1 766 tCO2-eq/a。基于總碳排放量3 023 tCO2-eq/a，該廠碳中和率只有58.4%。
對于剩余碳排放量，該廠打算進一步通過外部植樹造林固碳措施實現(xiàn)削減。按照其現(xiàn)狀，考慮單位面積人工林碳匯能力7.3 tCO2-eq/ha，需種植至少172.2 hm2土地樹木方可完成碳中和任務(wù)。表6列出了該廠各項能源中和與碳中和份額核算。
表6 Chania污水處理廠各項目能源中和與碳中和核算
其實，依靠“森林碳匯”等額外碳匯并非污水處理廠的自身實現(xiàn)碳中和，其本質(zhì)與購買碳匯無異，其實是“偽中和”。再者，種植樹木面積大都是虛擬。實際上，全球商業(yè)巨頭早已承諾通過植樹造林方式獲取“森林碳信用”間接實現(xiàn)各自生產(chǎn)過程碳中和，而且所有承諾合計起來，森林應(yīng)該已覆蓋地球表面幾層了。以上案例分析表明，污水處理廠通過自身節(jié)能降耗、污泥厭氧消化與焚燒能量回收，輔之以額外的太陽能、風能等能源利用，可較容易實現(xiàn)能源中和目標；但碳中和目標的實現(xiàn)，必須達到彌補自身直接碳排與能耗及藥耗間接碳排的要求。在此方面，芬蘭Kakolanm?ki污水處理廠除污泥厭氧消化外熱電聯(lián)產(chǎn)外，重點對出水余溫熱能予以回收利用，且熱能回收份額達全部回收總能量的90%。這一舉措讓該廠轉(zhuǎn)型為“能源工廠”。由于余溫熱能的回收利用，該廠不僅實現(xiàn)能源中和，還形成大量碳匯，導致其碳中和率高達333%。
04
結(jié)語
在普遍強調(diào)碳中和的今天，能源中和與碳中和常常被等同起來，即，實現(xiàn)了能源中和也就意味著碳中和也相應(yīng)實現(xiàn)。但是，對污水處理而言，能源中和與碳中和并不等同，或者說能源中和不一定可實現(xiàn)碳中和，而碳中和則往往可以涵蓋能源中和。這是因為污水處理過程中除不計入碳排放的生源性CO2外，還會在處理過程中產(chǎn)生NxO、CH4、VOCs等溫室氣體。此外，各種化學藥劑（如，碳源、除磷藥劑等）等生產(chǎn)與運輸過程也會產(chǎn)生CO2等溫室氣體。因此通過歐洲3個污水處理廠運行實踐案例，解釋并說明能源中和與碳中和的區(qū)別。德國Bochum-?lbachtal與K?hlbrandh?ft/Dradenau 2個污水處理廠雖已接近（96.9%）或超越（>100%）了能源中和，但因處理過程直接碳排以及藥耗等碳排比重較大而均難以實現(xiàn)碳中和運行（碳中和率分別為63.2%與42.3%），甚至差距還很大。同樣，希臘Chania污水處理廠能源中和率在70%時碳中和率僅為58.4%。Chania污水處理廠打算通過廠外植樹造林方式彌補其碳中和赤字（41.6%），但這種方式其實如同購買碳匯，屬于是“偽中和”。只有通過不斷挖掘污水潛能（如余溫熱能），方能同時實現(xiàn)真正意義上的能源中和與碳中和。顯然，污水處理廠僅僅追求能源中和是遠遠不夠的，要想實現(xiàn)碳中和確實需要認真對待余溫熱能利用問題。