再议碳中和时代污水厂如何转变?|丹麦案例分享
- 2021/3/31 10:15:49
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- 来源：JIEI创新实验室 瓦村农夫
- 关键词:污水处理碳中和
2009年哥本哈根市政府通过了《哥本哈根气候计划书》，定立了两步走的目标：到2015年，CO2排放量要同比2011年减排20%，并在2025年实现碳中和。
2019年11月，丹麦政府与13个商界代表签订了“气候伙伴关系”( Danish climate partnership)，基本涵盖了丹麦所有行业的温室气体排放量。气候伙伴关系的成员需要提供各自领域的减排建议，以帮助丹麦政府实现其2030的承诺——即2030年丹麦的温室气体排放量比1990年代减少70%。废弃物、水和循环经济是其中的代表成员之一。
数据显示，2017年丹麦的水务部门的CO2排放当量为218000吨。他们的计划是通过一系列措施，在2030年实现碳盈余。
这个计划包括了减少直接排放和间接排放。直接排放方面主要是减少N2O和甲烷的排放、提高工艺过程的能效，以及提高生物沼气的产量。改善间接排放的措施主要指提高出水余热的利用率和植树造林等。
丹麦各地污水厂如何相应的呢？我们来看看其三大水务公司近年的进展成果。
丹麦书写碳中和童话
2019年，在Aarhus水务的倡议下，一名叫丹麦水产业集群(Danish Water Cluster)的组织诞生了。他们声称这是个汇聚丹麦先进水技术的组织，向全球出口他们的创水新方案。但在小编看来，这个组织更重要的一个作用是促进了成员之间的良性竞争——丹麦三大水务公司都纷纷打造了自己的能量回收污水厂示范工程。
Aarhus水务
Aarhus是丹麦的第二大城市，而Marselisborg是当地最大的污水厂。2016年国际能源署(IEA)发布完《世界能源展望2016》后，该污水厂名声大噪，原因是它宣布无需协同消化，仅用污水自身蕴含的能量就实现了能量盈余。
为了这一天，Aarhus水务准备了十年：2006年他们决定将当地14座污水处理厂合并缩减为4座，并最终减为两座，即Marselisborg污水厂和十几公里外的Egaa污水厂。
Marselisborg污水厂平均处理量为27500m³/天。经过多年优化，2014年污水厂在没有添加外来有机废物的情况下，已经能够通过沼气热电联产的电能满足厂区能耗，甚至还有约40%的电力盈余。2015年这个数值还升至50%。也就是说，Aarhus水务的水厂已经实现真正意义上的能量中和。
显然，单靠传统的厌氧消化是不可能实现能量盈余的，我们来看看他们全方位的优化工作：
污水厂先是花了40万欧元装上SCADA系统(数据采集与监视控制系统)，对氨氮、磷浓度进行监控，并对鼓风机、提升泵、搅拌设备和脱水泵安装变频器控制，大大降低了电耗，灵活适应每日变化的进水负荷。
污泥处理方面，污水厂于2014年引进了侧流厌氧氨氧化工艺，投资费用约40万欧。据Aarhus水务的总工程师Per Overgaard Pedersen介绍，因为这套系统能使污水厂的出水总氮减少2mg/L，因此每年能节省约8万欧的污水税。此外，本身就很节能的厌氧氨氧化工艺也为污水厂每年节省50000kWh的电耗。此后，新购的污泥脱水离心机能效更高，为厂区每年节省50000kWh的电耗，污泥经处理后可作肥料农用。
除了节流，Aarhus水务也懂开源：为了提高沼气发电，他们花了170万欧，新购了两台250kW和一台355kW的热电联产电机。
经过这一系列优化措施，污水厂的年电耗共节省约100万kWh (1GWh)，在2005-2016年间，污水厂电耗从4.2GWh降至3.15GWh，减幅达四分之一，吨水的能耗降至0.25kWh/m³。
另一方面，2016年该污水厂的总产电量达4.8GWh，这意味着厂区的发电量比电耗多出53%，这些多余的电能会卖给国家电网，此外还有多大2.5GW的多余的热能直接用于地区供热。
整个项目花了他们约300万欧的钱，其中90%还得从自己腰包出，市政府只资助了10%。但Aarhus水务的总工Pedersen先生给我们算了笔账，说这投资不用5年就能回本了：因为余热和余电一年能卖32.6万欧，节能投资每年能同比省20.6万，排污税每年又能省8万，这么一算，和改造前相比，一年确实能省下60多万欧。而最让Aarhus水务公司自豪的是，这个升级项目最终的受惠者是当地市民，因为水务公司运营成本降了 ，意味着水价也可以下调了！
Marselisborg污水厂能耗改善措施一览
1.SCADA在线控制曝气、氨氮、硝态氮和磷，对硝化/反硝化工艺的控制
2.用涡轮压缩机取代高真空涡轮鼓风机提高曝气效率
3.使用能效更好的污泥脱水离心机(AlfaLaval G3)
4.新购沼气燃机热电联产((CHP))
5.污泥线引入anammox工艺，主流线也以进行厌氧氨氧化工艺测试
更令小编惊叹的是，Aarhus水务的野心还不止于此：他们已经给Marselisborg污水厂起了一个新的名字，叫Aarhus Rewater，并考虑重建新厂的可能性。另一边Egaa污水厂也计划实现能量盈余，他们在那里测试碳捕捉、主流厌氧氨氧化、ORC废气能量回收等工艺，调研在未来污水厂用上这些技术的可行性。
VCS水务
奥登塞(Odense)是丹麦第三大城市，也是著名童话作家安徒生的出身地。该城最大的Ejby Mølle污水厂也有些童话色彩——早在2013年它就声称实现能量100%自给。2018年，他们甚至宣布：污水厂的能耗盈余率高达88%！他们是怎么做到的？
Ejby Mølle污水厂由当地的水务公司VCS负责运营。像Marselisborg污水厂那样，基于厌氧消化的热电联产当然是其基础，但他们成功的秘密都在于细节，例如他们使用了延时消化的方法(Torpey工艺)，将出泥固液分离后再回流到消化池，以此减少消化池中的水量，进而提高生物质浓度，SRT延长约10%，提高消化池高性能。
VCS水务也不满足于能量盈余，他们仍在寻找可以提升产能的空间。例如，他们对进水口进行翻修，给沉砂池配置能效更高的风机，同时也设计了新的控制策略，这使仅仅沉砂池这一工序每年就将节省了31000kWh的电耗(2021年预测)。另外，他们也更换了栅渣冲洗压榨机(screening washing press)，以便更好地将格栅截留的碳源导流进入消化池。
2020年尽管受到疫情影响，污水厂还是做了不少工作：例如在夏天他们对氯化铁添加至污泥脱水工艺的效果进行测试，目的是减少残留污泥量和鸟粪石的沉淀。此外，他们也在初沉池对新的聚合物进行测试。
总之他们在想方设法将进水的碳送入消化池，这才有了188%如此惊人的能量回收率！
2014年小编也有幸去过实地考察，印象也十分深刻：这是一座已经有113年历史的污水厂，却一直在不断地升级，当时他们已经用上污泥热水解技术，同时也在实践DEMON的侧流厌氧氨氧化。而最近，他们还给生物反应池装上了N2O的传感器，来实时检测温室气体的浓度。
BIOFOS水务
最后我们来到丹麦首都哥本哈根。
哥本哈根的污水主要有BIOFOS公司来处理，它负责Lynetten、Avedøre和Damhusåen三座污水厂，处理规模约200万人口当量。
这三座污水厂都配有污泥厌氧消化，总处理能力约60000m³。此外，Lynetten和Avedøre污水厂还有污泥焚烧设备，其中Lynetten的为14492吨/年(2017数据，规模最大)。污水厂的污泥经过消化和焚烧后，生成天然气、地区供暖和电力等再生能源。
从2014年起，BIOFOS运营的污水厂已实现能量盈余。如今，BIOFOS污水年处理量为1.2亿m3，处理的能耗成本为59.5MWh，但售出的能源多达103MWh，能量盈余率达73%。
除了污泥厌氧消化，BIOFOS还对其污水厂进行其他改造，例如将表面曝气升级为微孔曝气(能耗减少约57%)；或安装光伏太阳能板(在Damhusåen污水厂)，能覆盖厂区的部分电耗(9%)；他们还参与创新资源回收项目(BioCat)，在Avedøre污水厂尝试将CO2变成CH4，进一步提高沼气利用率。他们最近还在调研用高温高压的热裂解技术从污泥中回收生物燃料的可行性。
国际合作
小编还想一提的是，三家丹麦水务公司的国际化程度都很高，除了接待世界各地的访问团，这些水务公司都有一些“走出去”的经验：
Aarhus水务和美国三藩市和芝加哥的水务局成立水技术，前者会派遣员工到当地的水务公司进行技术合作。
VCS公司以技术服务商或顾问等形式参与了新加坡公共事业局(PUB)的若干水处理项目，和美国弗吉尼亚州的Alexandria水务局(Alexandria Renew)签订战略合作关系，也美国水研究基金会(Water Research Foundation)研究委员会的成员单位。在欧洲，它则是荷兰Wetsus谁研究中心的成员之一。
相比前两者，BIOFOS貌似弱了一点，但也参与了哥本哈根和北京的合作项目，也参与了欧洲地平线Horizon-2020的POWERSTEP污水能量回收的研究项目。
（本文略有删改）
原标题：再议碳中和时代污水厂如何转变? | 丹麦案例分享
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