文章亮點

·詳細計算污水化學能與熱能理論潛質及其實際轉化

·污水蘊含大量低品位可交換、直接利用的熱能，其量大大高于化學能

·污水處理碳中和運行難以依靠化學能實現，而熱能利用則可輕松間接實現

·污水有機物資源回收應轉向高附加值化合物，而非強調污泥厭氧消化

文章簡介

污水資源與能源化越來越受到人們的廣泛關注。《巴黎氣候協定》簽署并實施后，污水處理碳中和運行顯得尤其必要。傳統利用剩余污泥厭氧消化轉化有機能（COD）的作法因實際轉化率不高而難以幫助污水處理廠碳中和運行。相形之下，污水余溫熱能儲量非常豐富，還沒有引起人們的足夠忽視。

污水中COD雖然為一種可以有效利用的化學能量物質，可以通過剩余污泥厭氧消化方式轉化為能源物質——甲烷（CH4）而加以利用。但是，面對污水處理廠碳中和運行目標，這種化學能顯得捉襟見肘。大部分學者/研究將回收污水中蘊含的化學能作為實現污水處理碳中和的唯一手段。能量核算表明，污水中蘊含的化學能并不能全部（100%）通過厭氧消化與熱電聯產（CHP）方式轉化為電能和熱能，僅有10~14%的理論化學能可轉化為實際回收/利用能量，距碳中和運行目標相差甚遠；進水COD=400 mg/L污水在完成脫氮除磷目標后形成的剩余污泥最多僅可滿足53%（0.20 kW·h/m³；化學能理論值為1.54 kW·h/m³，轉化率僅為13%）的運行能耗。

相反，市政污水余溫蘊含量卻大的“驚人”。作為低品位能源（不能用于發電），可用于污水處理廠自身和周邊（3~5 km）建筑供熱/制冷、溫室供暖，甚至還可直接用于厭氧消化器加熱、污水冬季加熱、污泥干化等目的。在污水處理末端利用熱能不僅可以避免冬季影響生物處理效果的問題，亦可避免熱能污水管道原位利用或污水處理廠前端利用面臨的堵塞、污染以及腐蝕現象。在出水水量和水質雙雙保障情況下，熱能利用可以通過水源熱泵交換方式輕松實現。

熱能核算顯示，污水中蘊含的理論熱能為4.64 kW·h/m³（溫差為4oC）。通過水源熱泵交換可實現38%熱能轉化（1.77 kW·h/m³，COP=3.5）和25%冷能轉化（1.18 kW·h/m3，COP=4.8）。從數值上看，實際污水熱能回收顯然遠遠高于化學能（0.20 kW·h/m³）。

實際污水處理廠（COD=400 mg/L）案例分析表明，污水化學能僅可彌補53%污水處理運行能耗，剩余47%能量赤字仍需靠其它途徑予以彌補。如果利用熱能，僅需要9.8%熱能或14.7%冷能交換（碳交易）便可輕易彌補能量赤字，間接實現碳中和目標。剩余約90%熱能或85%冷能則可用于周邊建筑物空調、溫室供暖等目的，以減少外部化石能源（煤電、油電）的輸入。可見，污水處理廠若考慮熱量回收不僅自身可實現碳中和運行目標，亦可向廠外供熱/冷，從而實現向能源工廠的華麗轉變。這種認知徹底顛覆了傳統能量利用觀念；同時，也揭示了污水化學能利用上的局限，意味著COD應向高附加值產品（如，藻酸鹽、PHA等）資源化方向轉變，無需再去強調污泥厭氧消化。

文章同樣也指出，熱能利用技術上幾乎沒有任何障礙，關鍵問題是低品位熱能（50~60oC）不能用于發電，只能直接利用熱量，這又受有限輸送距離（3~5 km）限制。再者，作為一種清潔回收能源，需要政府部門予以立法，給予政策和稅收上的支持。相信隨著各國“碳稅”逐漸開始增收，熱能利用帶來的“碳稅減免”或“碳交易”上市必將推動這一被冷落的“新”能源。在此方面，國外受政策支持而發展熱能利用的案例屢見不鮮；在北歐、荷蘭、日本等國家，回收熱能用于建筑物供暖、溫室保溫已形成相當產業規模。

重要結論

1、污水中蘊含的熱能遠高于化學能，實際可回收熱能為化學能9倍之多

2、回收熱能除可用于污水處理廠自身和周邊建筑供熱/制冷、溫室供暖，還可用于厭氧消化器加熱、污水冬季加熱、污泥干化等目的；污水處理廠不僅可實現碳中和運行，而且成為向外輸能的能源工廠3、污水熱能利用關鍵不在于技術，而是應該立法“碳稅”和/或“碳交易”，以政策或稅收等方式推動污水熱能利用4、污水中的有機物（COD）應向具有高附加值的產品方向轉化，而不再是一味強調厭氧消化轉化至甲烷（CH4）

 原文鏈接：

https://doi.org/10.1016/j.watres.2019.05.106

本期編輯：

李季，男，北京建筑大學環境與能源工程學院博士研究生，師從郝曉地教授，研究方向為污水資源與能源化。