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污水处理碳中和主力乃热能而非化学能
发布时间:2021.04.26    新闻来源:WaterResearch   浏览次数:
      文章亮点

      ·详细计算污水化学能与热能理论潜质及其实际转化

      ·污水蕴含大量低品位可交换、直接利用的热能,其量大大高于化学能

      ·污水处理碳中和运行难以依靠化学能实现,而热能利用则可轻松间接实现

      ·污水有机物资源回收应转向高附加值化合物,而非强调污泥厌氧消化

      文章简介

      污水资源与能源化越来越受到人们的广泛关注。《巴黎气候协定》签署并实施后,污水处理碳中和运行显得尤其必要。传统利用剩余污泥厌氧消化转化有机能(COD)的作法因实际转化率不高而难以帮助污水处理厂碳中和运行。相形之下,污水余温热能储量非常丰富,还没有引起人们的足够忽视。

      污水中COD虽然为一种可以有效利用的化学能量物质,可以通过剩余污泥厌氧消化方式转化为能源物质——甲烷(CH4)而加以利用。但是,面对污水处理厂碳中和运行目标,这种化学能显得捉襟见肘。大部分学者/研究将回收污水中蕴含的化学能作为实现污水处理碳中和的唯一手段。能量核算表明,污水中蕴含的化学能并不能全部(100%)通过厌氧消化与热电联产(CHP)方式转化为电能和热能,仅有10~14%的理论化学能可转化为实际回收/利用能量,距碳中和运行目标相差甚远;进水COD=400 mg/L污水在完成脱氮除磷目标后形成的剩余污泥最多仅可满足53%(0.20 kW·h/m3;化学能理论值为1.54 kW·h/m3,转化率仅为13%)的运行能耗。

      相反,市政污水余温蕴含量却大的“惊人”。作为低品位能源(不能用于发电),可用于污水处理厂自身和周边(3~5 km)建筑供热/制冷、温室供暖,甚至还可直接用于厌氧消化器加热、污水冬季加热、污泥干化等目的。在污水处理末端利用热能不仅可以避免冬季影响生物处理效果的问题,亦可避免热能污水管道原位利用或污水处理厂前端利用面临的堵塞、污染以及腐蚀现象。在出水水量和水质双双保障情况下,热能利用可以通过水源热泵交换方式轻松实现。

      热能核算显示,污水中蕴含的理论热能为4.64 kW·h/m3(温差为4oC)。通过水源热泵交换可实现38%热能转化(1.77 kW·h/m3,COP=3.5)和25%冷能转化(1.18 kW·h/m3,COP=4.8)。从数值上看,实际污水热能回收显然远远高于化学能(0.20 kW·h/m3)。

      实际污水处理厂(COD=400 mg/L)案例分析表明,污水化学能仅可弥补53%污水处理运行能耗,剩余47%能量赤字仍需靠其它途径予以弥补。如果利用热能,仅需要9.8%热能或14.7%冷能交换(碳交易)便可轻易弥补能量赤字,间接实现碳中和目标。剩余约90%热能或85%冷能则可用于周边建筑物空调、温室供暖等目的,以减少外部化石能源(煤电、油电)的输入。可见,污水处理厂若考虑热量回收不仅自身可实现碳中和运行目标,亦可向厂外供热/冷,从而实现向能源工厂的华丽转变。这种认知彻底颠覆了传统能量利用观念;同时,也揭示了污水化学能利用上的局限,意味着COD应向高附加值产品(如,藻酸盐、PHA等)资源化方向转变,无需再去强调污泥厌氧消化。


      文章同样也指出,热能利用技术上几乎没有任何障碍,关键问题是低品位热能(50~60oC)不能用于发电,只能直接利用热量,这又受有限输送距离(3~5 km)限制。再者,作为一种清洁回收能源,需要政府部门予以立法,给予政策和税收上的支持。相信随着各国“碳税”逐渐开始增收,热能利用带来的“碳税减免”或“碳交易”上市必将推动这一被冷落的“新”能源。在此方面,国外受政策支持而发展热能利用的案例屡见不鲜;在北欧、荷兰、日本等国家,回收热能用于建筑物供暖、温室保温已形成相当产业规模。


      重要结论

      1、污水中蕴含的热能远高于化学能,实际可回收热能为化学能9倍之多

      2、回收热能除可用于污水处理厂自身和周边建筑供热/制冷、温室供暖,还可用于厌氧消化器加热、污水冬季加热、污泥干化等目的;污水处理厂不仅可实现碳中和运行,而且成为向外输能的能源工厂3、污水热能利用关键不在于技术,而是应该立法“碳税”和/或“碳交易”,以政策或税收等方式推动污水热能利用4、污水中的有机物(COD)应向具有高附加值的产品方向转化,而不再是一味强调厌氧消化转化至甲烷(CH4)
 
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