全康環(huán)保:本期編輯推薦欄目，為大家帶來(lái)北京建筑大學(xué)郝曉地教授發(fā)表在《環(huán)境工程學(xué)報》2021年第9期的論文《污水處理廠(chǎng)的能源與資源回收方式及其碳排放核算：以芬蘭Kakolanm?ki污水處理廠(chǎng)為例》。

芬蘭舊都圖爾庫市（Turku）為芬蘭第二大海港和重要工業(yè)基地。市區面積24 km²，城市人口24萬(wàn)人，計劃至2029年全面實(shí)現碳中和目標。該市Kakolanm?ki污水處理廠(chǎng)為能源利用和熱能回收結合的典型案例。

1 Kakolanm?ki污水處理廠(chǎng)的工藝流程

圖爾庫市污水處理有限公司（Turun seudun puhdistamo Oy）將一處位于地下的廢棄巖石場(chǎng)改造成為Kakolanm?ki地下式污水處理廠(chǎng)，于2009年1月1日建成并投入運行。目前，該廠(chǎng)承擔了圖爾庫市及其周邊14個(gè)城鎮的市政污水及其工業(yè)廢水處理，服務(wù)人口近30萬(wàn)人。該廠(chǎng)平均進(jìn)水量為89 280 m³×d^-1，2020年污水處理總量達32 587 333 m³?a^-1。該污水處理廠(chǎng)運行穩定，平均進(jìn)出水水質(zhì)指標全部達到當地標準（見(jiàn)表1）。

Kakolanm?ki污水處理廠(chǎng)處理工藝主要包括機械、化學(xué)和生物處理3個(gè)單元，有4條平行處理線(xiàn)，水處理流程如圖1所示。

1）初級與一級處理。主要包括粗/細格柵、沉砂池、初沉池。進(jìn)水在通過(guò)粗格柵后即投加硫酸亞鐵進(jìn)行除磷。后續水流離開(kāi)生物池進(jìn)入二沉池時(shí)也會(huì )再投加硫酸亞鐵，使得 TP去除率高達99%。

2）生物處理。生物處理段采用傳統活性污泥法缺/好氧工藝（A/O）。實(shí)際運行中，進(jìn)水亦可跨越初沉池直接引入曝氣池，以獲得充足的碳源，并根據碳源需求調整跨越初沉池直接進(jìn)入曝氣池的水量。

3）深度處理。二沉池出水通過(guò)升流慢速砂濾池進(jìn)行深層過(guò)濾。過(guò)濾凈化后的出水直接排入附近港口海域。

4）旁路水處理單元。為應對污水處理廠(chǎng)在融雪期間和夏季暴雨期的洪峰流量，設置了2條由Actiflo^?裝置組成旁路水處理單元。這是一種緊湊的超高速澄清工藝，具有沉降速率高、停留時(shí)間短、整體占地面積小等優(yōu)點(diǎn)。

2 Kakolanm?ki污水處理廠(chǎng)的能源回收模式及能量平衡核算

2020年，Kakolanm?ki污水處理廠(chǎng)綜合能耗為35 GWh×a^-1，共產(chǎn)能225 GWh×a^-1，即產(chǎn)能已超過(guò)能耗的6倍。

2.1 化學(xué)能的回收

2020年，該廠(chǎng)共輸送37 871.5 t?a-1脫水污泥至Gasum沼氣處理廠(chǎng)進(jìn)行厭氧消化處理。產(chǎn)生沼氣經(jīng)CHP用于該地區供暖和電力。部分處理后的污泥被加工為肥料制劑，或用作土地改良劑。

該廠(chǎng)的厭氧消化產(chǎn)能達到21.9 GWh×a^-1，而處理污泥運行耗能（包括污泥運輸）為14.2 GWh×a^-1。即該廠(chǎng)污泥產(chǎn)沼氣加CHP過(guò)程產(chǎn)生的能量足夠維持污泥處理加熱、攪拌及污泥運輸等過(guò)程的消耗，且尚有一定能量盈余（7.7 GWh×a^-1）。

2.2 熱能的回收

Kakolanm?ki污水處理廠(chǎng)從污水余溫熱能回收的熱量可向外供熱，為當地近15 000戶(hù)家庭集中供暖（平均約200 GWh×a^-1，占圖爾庫市供熱量的14%），夏季用于區域制冷（平均約25 GWh×a^-1，占該區域制冷量的90%）。

Kakolanm?ki污水處理廠(chǎng)的熱能回收由位于地下巖洞廠(chǎng)區內的水源熱泵交換站完成，以該廠(chǎng)二級出水為熱源回收余溫熱能，為廠(chǎng)區和周邊地區供熱（冬季工作9個(gè)月，服務(wù)人口大于整個(gè)城市人口的10%）和制冷（四季常開(kāi)，但集中于夏季3個(gè)月，為周邊部分醫院、商場(chǎng)、寫(xiě)字樓服務(wù)）。

由于還需對當地幾個(gè)醫院，以及商場(chǎng)和寫(xiě)字樓持續供冷，熱泵旁配備了一個(gè)17 000 m³蓄冷水箱，通過(guò)水蓄冷技術(shù)（cold water accumulator，CWA）儲存熱交換產(chǎn)生的部分冷卻水，用于平衡供冷需求高峰時(shí)的波動(dòng)。

取平均COP（能效比）為3.7、平均提取溫差8 ℃，熱交換水量取實(shí)際提取出水量為2×107 m³（按年總出水量61%計）。計算結果得出理論熱能回收潛能為183.9 GWh×a^-1，與該廠(chǎng)熱泵站輸出實(shí)際熱能179.0 GWh×a^-1基本吻合，足以證明該廠(chǎng)熱能利用效率之高。

2.3 能量平衡

由于2020年該廠(chǎng)污水處理單元能耗為12.76 GWh×a^-1，根據年處理污水量計算，即污水處理工藝的單位電耗為0.39 kWh×m^-3。

回收余溫熱能用以供熱/制冷能量的占產(chǎn)能的比例最大，近90%，為產(chǎn)生能量的主要來(lái)源；而污泥厭氧消化的產(chǎn)能占比不到10%，雖可滿(mǎn)足全廠(chǎng)運行能耗的62%，但意味著(zhù)僅靠污泥厭氧消化產(chǎn)還難以實(shí)現能源中和運行的目標。因此，有效開(kāi)發(fā)利用污水余溫熱能確實(shí)是污水處理廠(chǎng)實(shí)現能源回收的關(guān)鍵。

2.4 能量回收的優(yōu)勢

1）Kakolanm?ki污水處理廠(chǎng)位于圖爾庫市中心，出水回收余熱可直接接入圖爾庫市完善的熱力管網(wǎng)，用于周邊住宅區集中供暖、制冷。輸送熱損耗降至最低。更重要的是，供熱使用后的回水再循環(huán)回熱泵用于熱交換加熱，而未直接排水，使得熱利用效率倍增。

2）熱泵提取溫差大（平均為5~10 ℃）使其低品位熱能利用率高。芬蘭冬季嚴寒漫長(cháng)，夏季溫和短暫，平均提取溫差達8 ℃。

3）配置2臺unitop 50FY集中式大型熱泵使供熱系統中余熱利用效率較高。供熱端輸出熱水可達90 ℃。這種集中式大型熱泵相較于分散式小型熱泵系統的運營(yíng)成本更低、供熱效率更高。

4）政府與企業(yè)協(xié)同參與保障了余熱回收項目的實(shí)施。

3 對Kakolanm?ki污水處理廠(chǎng)的碳足跡衡算

3.1 碳排放量

――直接碳排

表5為Kakolanm?ki污水處理廠(chǎng)氣體排放監測統計數值。其中二氧化碳（CO₂）、甲烷（CH₄）為污水處理廠(chǎng)直接碳排的主要貢獻者。

――間接碳排

根據當地碳中和政策，Kakolanm?ki污水處理廠(chǎng)的運營(yíng)、TSE熱泵站和Gasum沼氣廠(chǎng)處理污泥用電均購買(mǎi)自清潔能源生產(chǎn)電力，且污泥運輸燃料為污泥厭氧消化生產(chǎn)的沼氣。因此，將污水處理廠(chǎng)運行電耗等間接碳排放計為零。

另外，為實(shí)現碳減排，該廠(chǎng)自2012年開(kāi)始將原先投加的氫氧化鈣改為碳酸鈣，使得因藥劑核算得到的CO2間接排放量降為原來(lái)的1%，大大降低了間接碳排。

赫爾辛基環(huán)境服務(wù)機構（Helsingin seudun ymp?rist?palvelut, HSY）監測結果表明，Kakolanm?ki污水處理廠(chǎng)2020年全年實(shí)際總碳排放量（以CO₂當量計）為10 712 t，各部分碳排放量明細見(jiàn)表6。

3.2 碳減排量

Kakolanm?ki污水處理廠(chǎng)主要通過(guò)出水余熱回收及厭氧消化回收熱/電實(shí)現碳減排（見(jiàn)表7）。Kakolanm?ki污水處理廠(chǎng)回收熱能與化學(xué)能所產(chǎn)生的碳減排效益（以CO₂當量計）為-35 642.9 t?a-1。

3.3 碳中和評價(jià)

該廠(chǎng)2020年實(shí)際碳排放量（以CO₂當量計）為10 712 t?a-1，而碳減排量（以CO₂當量計）達-35 643 t?a^-1。累計-24 931 t?a^-1可交易碳匯額（以CO₂當量計）。

碳中和與能源回收的概念常常被混為一談，而分析此案例可知，該污水廠(chǎng)實(shí)現碳中和是依靠TSE熱泵站回收熱能及其貢獻的碳匯，并非依靠污水處理工藝實(shí)現的能源回收。因此，在對國內污水處理廠(chǎng)運行進(jìn)行碳中和或能源回收評價(jià)時(shí)，不應把兩者簡(jiǎn)單的等同起來(lái)。

Kakolanm?ki污水處理廠(chǎng)的案例也進(jìn)一步表明TSE熱泵站回收的熱能貢獻占比巨大，實(shí)現了該廠(chǎng)的能源回收，同時(shí)產(chǎn)生的巨大碳匯使得該廠(chǎng)的碳排放為負值。

4 結語(yǔ)

由芬蘭Kakolanm?ki污水處理廠(chǎng)運行實(shí)踐表明，污水處理廠(chǎng)實(shí)現碳中和運行的關(guān)鍵在于出水中大量余溫熱能的回收，這點(diǎn)經(jīng)驗值得借鑒。由此可知，國內污水處理廠(chǎng)采用傳統污泥厭氧消化工藝很難實(shí)現能源回收及碳中和運行。例如，北京高碑店污水處理廠(chǎng)數據表明，該廠(chǎng)全年可提取平均溫差為4℃，流量為339×106 m³?a^-1，說(shuō)明其理論潛熱為Kakolanm?ki污水處理廠(chǎng)的8倍。因此，應充分認識并合理利用污水余溫熱這一體量巨大的低品位能源，合理設置其回收利用方式（冬季為周邊地區供暖等），并協(xié)調市政部門(mén)與各行業(yè)的運營(yíng)，則可使污水處理廠(chǎng)實(shí)現能源回收及碳中和運行。希望通過(guò)分析芬蘭Kakolanm?ki污水處理廠(chǎng)的案例，為國內學(xué)術(shù)界提供參考。

作者簡(jiǎn)介

郝曉地，北京建筑大學(xué)講席教授，中-荷未來(lái)污水處理技術(shù)研發(fā)中心負責人、環(huán)境與能源學(xué)院市政工程系學(xué)科學(xué)術(shù)帶頭人。2001年10月獲荷蘭代爾夫特理工大學(xué)博士學(xué)位，同年12月通過(guò)北京市“綠色通道”人才計劃引進(jìn)至我校工作。目前擔任水處理領(lǐng)域頂尖期刊《Water Research》區域主編（Editor）。研究領(lǐng)域專(zhuān)注于污水處理碳中和技術(shù)集成，可持續污水處理技術(shù)研發(fā)，擅長(cháng)污水脫氮除磷及其模擬技術(shù)、污水處理資源化技術(shù)，著(zhù)有《藍色經(jīng)濟下的水技術(shù)策略》、《污水處理碳中和技術(shù)》、《可持續污水-廢物處理技術(shù)》、《磷回收概觀(guān)與磷回收技術(shù)》等著(zhù)作。截止目前，承擔了8項國家級項目和十幾項省部級及橫向項目；發(fā)表論文近300篇，其中國際刊物發(fā)表90篇。2020年美國斯坦福大學(xué)（Stanford University）發(fā)布了世界排名前2%科學(xué)家排行榜（World’s Top 2% Scientists 2020），郝曉地教授入選環(huán)境科學(xué)領(lǐng)域榜單。