污水處理碳中和：奧地利Strass廠
全康環(huán)保:雖然污水處理廠依靠市政固體廢棄物或廚余垃圾等外源有機物與剩余污泥共消化可能達到碳中和，但并非完全依靠自身有機物轉化甲烷所實現(xiàn)，應是“偽中和”。進言之，只有進水含有高濃度COD的污水處理廠才可能依靠有機質能源轉化與節(jié)能降耗措施實現(xiàn)碳中和目標，如前期介紹的德國Steinhof廠。在此方面，奧地利Strass污水處理廠藉自身進水水質以及特殊工藝不僅可實現(xiàn)108%的能源中和率（未必碳中和），亦可以借助其污泥處理富余空間轉化外源有機固體廢物，進而達到200%能源中和率（可以碳中和）。本期回溯2014年發(fā)表于《中國給水排水》的奧地利Strass污水處理廠能源中和案例，以顯示外源有機物可以借助于市政污泥富余處理空間轉化有機能源，形成一種“協(xié)同”能源中和、甚至碳中和的路徑。
碳中和運行是未來污水處理的一種國際趨勢。奧地利Strass（史特勞斯）污水處理廠以主流傳統(tǒng)工藝（AB法）與側流現(xiàn)代工藝（厭氧氨氧化）相結合方式實現(xiàn)剩余污泥產量最大化，在2005年通過厭氧消化產甲烷并熱電聯(lián)產實現(xiàn)了108%的能源自給率，超過能源中和目標。同時，該廠進一步利用剩余污泥與廠外廚余垃圾厭氧共消化，能源自給率可提升至200%，不僅實現(xiàn)自身能源自給自足，而且還有一半所產生的能量可以向廠外供應，成為名副其實的“能源工廠”。在介紹該廠工藝流程的基礎上，重點剖析其剩余污泥產生、厭氧轉化生物氣并熱電聯(lián)產供熱、供電方面的做法與經驗。
01
工藝流程
Strass污水處理廠位于奧地利西南方向因斯布魯克（Innsbruck）的東部，坐落在Achental和Zillertal山谷附近。該廠服務周邊31個社區(qū)，主要承擔居民及游客生活污水處理。由于污水處理廠所在地是著名的滑雪圣地，故該廠服務人口波動較大，夏季約60 000人，冬季則高達250 000人；污水流量也因此在17 000-38 000 m3/d之間波動，平均為26 500m3/d。該廠進、出水水質指標如下表所示。
Strass污水處理廠全年進、出水平均水質
Strass污水處理廠主流工藝采用較為傳統(tǒng)的AB法，以最大限度回收污水中的有機物（COD），其工藝流程如圖所示。
Strass污水處理廠工藝流程
A段與B段回收的剩余污泥經濃縮脫水后再厭氧消化產甲烷（CH4），不僅實現(xiàn)了能源回收，而且同時使污泥穩(wěn)定化和減量化。消化污泥經機械脫水后一分為二: ①消化液經側流自養(yǎng)脫氮（DEMON）后回流至A段吸附池; ②濃縮熟污泥則用于堆肥或被焚燒處置。
02
能源中和措施
Strass污水處理廠實現(xiàn)能源中和運行目標的根本原因是產電量提高和運行能耗降低，使其最終實現(xiàn)能源自給率達108%，超額8%完成了能源自給自足的能源中和運行目標。
Strass 污水處理廠耗電量與產電量
能源回收
厭氧消化是該廠回收能量的唯一方法，所產生的CH4通過熱電聯(lián)產（CHP）加以利用：熱能用于消化池加熱；電能則彌補鼓風機和提升泵等運行電耗。
CH4產量與熱電聯(lián)產效率對于實現(xiàn)能源中和運行目標至關重要，2001年Strass污水處理廠更換了熱電聯(lián)產機組，消化氣轉化電能效率由2.05 kW?h /m3增加至2.30 kW?h /m3，熱電聯(lián)產效率由原來的33%左右增至約40%（2005年實際為38.44%）。2005年，Strass污水處理廠日耗電量為7 869 kW?h/d，而CH4熱電聯(lián)產日產電量為8 490 kW?h/d，能源自給率達108%，并開始向廠外居民供電。
為最大程度提高厭氧消化生物氣產量，2008年起該廠通過添加外源有機廢物（廚余垃圾）來增加厭氧消化過程中所需的有機底物，進而增加CH?的產量。2008年，實現(xiàn)產能/耗能比達到123%，到2009年高達144%。目前，剩余污泥與廚余垃圾厭氧共消化已可實現(xiàn)產能/耗能比接近200%，不僅實現(xiàn)了能源中和運行目標，還可將多余的電能對外輸出，并獲得一定的經濟效益。
節(jié)能降耗
（1）采用AB法作為主流工藝，剩余污泥量大，工藝能耗低。
進水中60.7%的COD在A段以顆粒COD和生物污泥形式沉淀而形成剩余污泥（碳轉向），再加上B段剩余污泥，進水COD中74.3%最終以剩余污泥形式進入后續(xù)污泥處理單元。這一污泥產量較其他常規(guī)處理工藝（如，A2/O、氧化溝等僅為40% ~60%）要高出許多。因大部分COD在A段已經被去除，使得進入B段的有機物含量大為降低，因此，B段曝氣耗能明顯減少。
Strass污水處理廠COD平衡
（2）改革脫氮工藝，降低碳源使用量
該廠2004年之前采用SBR工藝對污泥消化液進行側流異養(yǎng)生物脫氮，這就需要對SBR工藝投入碳源，導致A段部分剩余污泥用于SBR脫氮，其結果是使得進入厭氧消化階段的剩余污泥量相應減少，CH?產量降低。2005年，該廠以DEMON自養(yǎng)脫氮工藝（厭氧氨氧化）取代SBR工藝，不再使用剩余污泥碳源，剩余污泥被全部用于厭氧消化產CH?。改造前厭氧消化產CH?獲得的電能最多只能滿足該廠約80%的用電量。2005年脫氮工藝改造(DEMON)后，CH?發(fā)電量已超過耗電量（108%）。此外，DEMON工藝僅短程硝化需要供氧，理論上可以減少25%曝氣量。該廠應用DEMON工藝后，脫氮過程處理能耗已由350 kW?h/d降低至196 kW?h/d。
（3）曝氣、濃縮、脫水設備的改進
經12~15年左右運行，原有曝氣設備已經老化，曝氣效率降低，耗電量增大。2001~2004年該廠逐漸更新原有曝氣設備，相應降低了曝氣能耗。此外，污泥濃縮設備的改進導致能耗減少50%，脫水設備改進也減少了約33%的能耗。
03
結果與啟示
Strass污水處理廠規(guī)模雖小，但通過主流工藝AB法可以獲得較多剩余污泥，與外源廚余垃圾一同實施厭氧共消化所產生的生物氣（CH?）熱電聯(lián)產（CHP）后完全可以滿足其運行能耗（熱、電），早在2005年便實現(xiàn)了“能源中和”運行目標，成為污水處理能源中和運行典范。Strass污水處理廠運行經驗表明，污水處理規(guī)模不在大小，只要處理工藝選擇得當，便能最大化剩余污泥產量，使之在厭氧消化中轉化為可用能源。這與我國視污泥為負擔，想方設法進行污泥減量的做法截然相反。因此，污水處理廠依靠有機質能實現(xiàn)能源中和目標的法寶是“開源”（提高有機質厭氧消化份額和能源轉化效率）與“節(jié)流”（節(jié)能降耗）。但即便如此，在進水高COD=605 mg/L情況下，也僅僅能實現(xiàn)108%的能源自給率；而對我國低碳源進水污水處理廠，僅僅依靠“開源節(jié)流”方式顯然無法實現(xiàn)能源中和與碳中和目標。