北極星水處理網訊:目前，我國汙水處理規模體量巨大、消耗能量多，碳中和（汙水處理低碳運行與能源消耗自給自足）在未來汙水廠中的運行中將成為一大趨勢，其對推動行業的綠色發展具有重大意義。然而，受限於汙水行業技術水平低等諸多因素限制，我國目前尚未建成真正意義上的「碳中和」汙水廠。
研究人員以北京某汙水廠為實例，分析了當前主流工藝條件下汙泥厭氧、水源熱泵以及太陽能利用對碳中和運行的貢獻潛力，認為當前汙泥厭氧能量自給率僅達53%。
汙水碳中和運行已被國際推行
展望汙水處理的未來前景，多個國家已經陸續發布了汙水廠碳中和技術路線圖。目前，一方面汙水處理屬於高耗能行業，勢必會導致較高的碳排放足跡；另一方面，汙水中本身蘊含較多的能量（有機物、熱能等），為實現汙水處理過程能源自給以及碳中和運行提供了客觀基礎。
美國水環境研究基金(WaterEnvironmentResearchFoundation)提出了2030年美國所有汙水處理廠均要實現碳中和運行的目標。歐洲一些國家也相繼發布了汙水廠能源管理手冊。在世界範圍內，部分汙水廠已經通過技術升級實現了能量自給及碳中和運行。
回收有機物能量貢獻率僅53%，理想狀態可達270%
研究人員以北京一座處理規模為60萬噸的汙水廠為實例(AAO工藝)，對汙水廠碳中和運行進行了潛力分析。
當前，汙水廠實現碳中和途徑主要有以下3個途徑：回收汙水中有機物的能量；利用水源熱泵技術回收汙水中熱能；基於目前汙水廠一般佔地面積較大，沉澱池和曝氣池的表面可以用於鋪設太陽能光伏發電板，利用太陽能發電。
汙水中有機物能量回收，主要依靠汙泥的厭氧過程實現。在汙水處理過程中，會產生初沉汙泥和二沉汙泥，汙泥經過厭氧處理產生沼氣，沼氣經過熱電聯產產生電能和熱能。
在「汙泥厭氧產沼氣+熱電聯產」過程中，產生的電能可以用於補償汙水廠的一部分能耗在理想狀態下，甚至可以實現碳中和運行。
模型針對北京幾個汙水廠的實際汙水水質，模擬計算了「汙泥厭氧產沼氣+熱電聯產」過程對水廠總體能源自給的影響，其貢獻值僅為53%。需要強調的是，如果改進工藝，在不考慮設備引起的能量損失情況下，碳中和率可以達到270%。
理論值和實際值產生巨大差異說明，汙水廠碳中和運行的潛力有待挖掘，如果提高設備（提升泵、曝氣泵）效率、優化工藝過程（汙泥厭氧產甲烷過程），回收汙水有機質所蘊含的能量很大，碳中和率可以達到非常理想的狀態。
水源熱泵產生的熱能高，太陽能利用亦可直接提供電能回收汙水有機質所蘊含的能量外，還可以考慮汙水熱能和太陽能。
基於北京地區汙水廠案例研究，北京大部分月份的溫度差能夠滿足水源熱泵技術的應用條件，為利用水源熱泵回收汙水熱能提供了基礎。
根據模擬計算結果，1噸出水溫度如果降低1℃，水源熱泵回收的熱量若由煤電產生，等效於產生0.26kwh煤電時的燃煤消耗。經過初步估算，只利用出水量的1/5所回收的能量，足以彌補上述提到的有機物能量實際回收不足帶來的能耗缺口。
然而，水源熱泵雖然產生的能量高，但並不能直接產生電能，只是產生熱能，不方便將富裕熱能向周邊供給。比如需要考慮向周邊供給半徑、市政供熱網絡的互動等因素。
不過，太陽能的利用可以直接提供電能。根據北京幾座大型汙水廠的情況，每萬噸汙水處理規模可供太陽能鋪設的反應池表面積在1147m3~1576m3之間。
基於商業化光伏太陽能板的產電效率，汙水廠太陽能利用可以補償10%的能耗損失。但是，其對碳中和運行的貢獻率低於回收汙水中有機物的能量或利用水源熱泵技術回收汙水中熱能。
作者系中宜環科環保產業研究院研究員清華大學環境學院博士
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日前，北控水務參與投資的北控清潔能源擬以每股0.17港元（單位下同）向啟迪科創有限公司發行40.45億股新股。所得款項淨額6.87億元，用於開發其光伏發電相關業務及作一般營運資金用途。
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