郝曉地：芬蘭某污水處理廠的能源與資源回收方式及其碳排放核算

全康環(huán)保:本期編輯推薦欄目，為大家?guī)肀本┙ㄖ髮W(xué)郝曉地教授發(fā)表在《環(huán)境工程學(xué)報(bào)》2021年第9期的論文《污水處理廠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(qū)面積24 km²，城市人口24萬人，計(jì)劃至2029年全面實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)。該市Kakolanm?ki污水處理廠為能源利用和熱能回收結(jié)合的典型案例。

1 Kakolanm?ki污水處理廠的工藝流程

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改造成為Kakolanm?ki地下式污水處理廠，于2009年1月1日建成并投入運(yùn)行。目前，該廠承擔(dān)了圖爾庫市及其周邊14個城鎮(zhèn)的市政污水及其工業(yè)廢水處理，服務(wù)人口近30萬人。該廠平均進(jìn)水量為89 280 m³×d^-1，2020年污水處理總量達(dá)32 587 333 m³?a^-1。該污水處理廠運(yùn)行穩(wěn)定，平均進(jìn)出水水質(zhì)指標(biāo)全部達(dá)到當(dāng)?shù)貥?biāo)準(zhǔn)（見表1）。

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

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

2）生物處理。生物處理段采用傳統(tǒng)活性污泥法缺/好氧工藝（A/O）。實(shí)際運(yùn)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(jù)碳源需求調(diào)整跨越初沉池直接進(jìn)入曝氣池的水量。

3）深度處理。二沉池出水通過升流慢速砂濾池進(jìn)行深層過濾。過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(yīng)對污水處理廠在融雪期間和夏季暴雨期的洪峰流量，設(shè)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、停留時間短、整體占地面積小等優(yōu)點(diǎn)。

2 Kakolanm?ki污水處理廠的能源回收模式及能量平衡核算

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

2.1 化學(xué)能的回收

2020年，該廠共輸送37 871.5 t?a-1脫水污泥至Gasum沼氣處理廠進(jìn)行厭氧消化處理。產(chǎn)生沼氣經(jīng)CHP用于該地區(qū)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。

該廠的厭氧消化產(chǎn)能達(dá)到21.9 GWh×a^-1，而處理污泥運(yùn)行耗能（包括污泥運(yùn)輸）為14.2 GWh×a^-1。即該廠污泥產(chǎn)沼氣加CHP過程產(chǎn)生的能量足夠維持污泥處理加熱、攪拌及污泥運(yùn)輸?shù)冗^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污水處理廠從污水余溫?zé)崮芑厥盏臒崃靠上蛲夤?，為?dāng)?shù)亟?5 000戶家庭集中供暖（平均約200 GWh×a^-1，占圖爾庫市供熱量的14%），夏季用于區(qū)域制冷（平均約25 GWh×a^-1，占該區(qū)域制冷量的90%）。

Kakolanm?ki污水處理廠的熱能回收由位于地下巖洞廠區(qū)內(nèi)的水源熱泵交換站完成，以該廠二級出水為熱源回收余溫?zé)崮埽瑸閺S區(qū)和周邊地區(qū)供熱（冬季工作9個月，服務(wù)人口大于整個城市人口的10%）和制冷（四季常開，但集中于夏季3個月，為周邊部分醫(yī)院、商場、寫字樓服務(wù)）。

由于還需對當(dāng)?shù)貛讉€醫(yī)院，以及商場和寫字樓持續(xù)供冷，熱泵旁配備了一個17 000 m³蓄冷水箱，通過水蓄冷技術(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的波動。

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(jì)）。計(jì)算結(jié)果得出理論熱能回收潛能為183.9 GWh×a^-1，與該廠熱泵站輸出實(shí)際熱能179.0 GWh×a^-1基本吻合，足以證明該廠熱能利用效率之高。

2.3 能量平衡

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

回收余溫?zé)崮苡靡怨?制冷能量的占產(chǎn)能的比例最大，近90%，為產(chǎn)生能量的主要來源；而污泥厭氧消化的產(chǎn)能占比不到10%，雖可滿足全廠運(yùn)行能耗的62%，但意味著僅靠污泥厭氧消化產(chǎn)還難以實(shí)現(xiàn)能源中和運(yùn)行的目標(biāo)。因此，有效開發(fā)利用污水余溫?zé)崮艽_實(shí)是污水處理廠實(shí)現(xiàn)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(qū)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?zé)岜糜糜跓峤粨Q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(yán)寒漫長，夏季溫和短暫，平均提取溫差達(dá)8 ℃。

3）配置2臺unitop 50FY集中式大型熱泵使供熱系統(tǒng)中余熱利用效率較高。供熱端輸出熱水可達(dá)90 ℃。這種集中式大型熱泵相較于分散式小型熱泵系統(tǒng)的運(yùn)營成本更低、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(xiàng)目的實(shí)施。

3 對Kakolanm?ki污水處理廠的碳足跡衡算

3.1 碳排放量

――直接碳排

表5為Kakolanm?ki污水處理廠氣體排放監(jiān)測統(tǒng)計(jì)數(shù)值。其中二氧化碳（CO₂）、甲烷（CH₄）為污水處理廠直接碳排的主要貢獻(xiàn)者。

――間接碳排

根據(jù)當(dāng)?shù)靥贾泻驼?，Kakolanm?ki污水處理廠的運(yùn)營、TSE熱泵站和Gasum沼氣廠處理污泥用電均購買自清潔能源生產(chǎn)電力，且污泥運(yùn)輸燃料為污泥厭氧消化生產(chǎn)的沼氣。因此，將污水處理廠運(yùn)行電耗等間接碳排放計(jì)為零。

另外，為實(shí)現(xiàn)碳減排，該廠自2012年開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的1%，大大降低了間接碳排。

赫爾辛基環(huán)境服務(wù)機(jī)構(gòu)（Helsingin seudun ymp?rist?palvelut, HSY）監(jiān)測結(jié)果表明，Kakolanm?ki污水處理廠2020年全年實(shí)際總碳排放量（以CO₂當(dāng)量計(jì)）為10 712 t，各部分碳排放量明細(xì)見表6。

3.2 碳減排量

Kakolanm?ki污水處理廠主要通過出水余熱回收及厭氧消化回收熱/電實(shí)現(xiàn)碳減排（見表7）。Kakolanm?ki污水處理廠回收熱能與化學(xué)能所產(chǎn)生的碳減排效益（以CO₂當(dāng)量計(jì)）為-35 642.9 t?a-1。

3.3 碳中和評價

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

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，該污水廠實(shí)現(xiàn)碳中和是依靠TSE熱泵站回收熱能及其貢獻(xiàn)的碳匯，并非依靠污水處理工藝實(shí)現(xiàn)的能源回收。因此，在對國內(nèi)污水處理廠運(yùn)行進(jìn)行碳中和或能源回收評價時，不應(yīng)把兩者簡單的等同起來。

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

4 結(jié)語

由芬蘭Kakolanm?ki污水處理廠運(yùn)行實(shí)踐表明，污水處理廠實(shí)現(xiàn)碳中和運(yùn)行的關(guān)鍵在于出水中大量余溫?zé)崮艿幕厥?，這點(diǎn)經(jīng)驗(yàn)值得借鑒。由此可知，國內(nèi)污水處理廠采用傳統(tǒng)污泥厭氧消化工藝很難實(shí)現(xiàn)能源回收及碳中和運(yùn)行。例如，北京高碑店污水處理廠數(shù)據(jù)表明，該廠全年可提取平均溫差為4℃，流量為339×106 m³?a^-1，說明其理論潛熱為Kakolanm?ki污水處理廠的8倍。因此，應(yīng)充分認(rèn)識并合理利用污水余溫?zé)徇@一體量巨大的低品位能源，合理設(shè)置其回收利用方式（冬季為周邊地區(qū)供暖等），并協(xié)調(diào)市政部門與各行業(yè)的運(yùn)營，則可使污水處理廠實(shí)現(xiàn)能源回收及碳中和運(yùn)行。希望通過分析芬蘭Kakolanm?ki污水處理廠的案例，為國內(nèi)學(xué)術(shù)界提供參考。

作者簡介

郝曉地，北京建筑大學(xué)講席教授，中-荷未來污水處理技術(shù)研發(fā)中心負(fù)責(zé)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月通過北京市“綠色通道”人才計(jì)劃引進(jìn)至我校工作。目前擔(dān)任水處理領(lǐng)域頂尖期刊《Water Research》區(qū)域主編（Editor）。研究領(lǐng)域?qū)Ｗ⒂谖鬯幚硖贾泻图夹g(shù)集成，可持續(xù)污水處理技術(shù)研發(fā)，擅長污水脫氮除磷及其模擬技術(shù)、污水處理資源化技術(shù)，著有《藍(lán)色經(jīng)濟(jì)下的水技術(shù)策略》、《污水處理碳中和技術(shù)》、《可持續(xù)污水-廢物處理技術(shù)》、《磷回收概觀與磷回收技術(shù)》等著作。截止目前，承擔(dān)了8項(xiàng)國家級項(xiàng)目和十幾項(xiàng)省部級及橫向項(xiàng)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。