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    污水处理行业低碳化发展5大路径

    路径1 污水热能利用

          污水热能利用,即污水源热泵的应用。研究指出,地源热泵与空气源热泵的能效比分别在3.3~3.8 和2.8~3.4,均低于污水源热泵(3.5~4.6),这说明污水源热泵(Wastewater source heat pumps,WSHP)比地源热泵和空气源热泵都更省电,因此污水源热泵技术在污水处理能量回收中得到了广泛应用。

          一些地方也明确出台政策鼓励污水源热泵应用。如《北京市“十四五”时期城市管理发展规划》中指出,充分利用余热资源。推进东北、东南热电中心余热利用改造试点。逐步降低城市热网回水温度,提高电厂余热利用效率。推进燃气锅炉房烟气、数据中心等余热回收利用,有条件的地区采用污水源热泵供热替代。

          多家龙头企业对污水源热泵供热替代深表认同并率先实践。

          北控水务执行总裁李力曾表示,在污水处理厂配套水源热泵,可在利用水资源的同时,进一步开发利用“水能源”,对于减碳有比较大的贡献。

          首创环保在山西太原城南污水处理厂,以处理后的污水作为冷热源,利用水源热泵机组进行厂区建筑物的制冷和制热。

          光大水务也在污水源热泵项目方面有所实践。

          中环水务贵阳项目污水100%回用,经深度处理后,20%作为高品质回用水,80%排入河道作为生态补水;同时污水经水泵提升至水源热泵系统进行冷热量利用,可为地面综合体提供供暖、供冷,实现清洁功能和低碳排放。

          但此技术并非完美无缺,其也存在短板,专家指出,污水所含余温热能只能通过水源热泵转换为约60 ℃的低品位热源,不能直接用于发电,限制了该技术的应用和推广。

    路径2 污水节能降耗

          污水节能降耗,即污水处理厂精细化智能管控。据不完全统计,通过精细化智能管控污水处理厂的电耗可降低10%或者更高(主要为曝气管系统),药剂投配率降低30%以上甚至更高(主要为碳源投加)。

          据统计,目前在我国已建立的城镇污水处理厂中,电费和加药费用约占污水处理成本的50%以上。因此在达标排放的前提下,污水处理厂亟需实施优化运行以达到节能降耗的目标。

          针对此,近日,京津冀国家技术创新中心环境工程研究所施汉昌教授团队提出了污水处理工程STEM模型(Sewage Treatment Engineering Model)。该模型紧密结合污水处理厂的实际运行特点,可采用污水处理厂常规指标数据进行模型矫正分析。具体应用包括工艺模拟、精确曝气、智能加药和优化运行专家系统等,可有效实现污水处理厂的优化运行,达到节能降耗的目标。

          再比如近日入围“2022全球水奖(GWA 2022)”中Smart Water Project of the Year(年度智慧水务项目)的烟台市套子湾污水处理有限公司智能化系统改造项目,该智能系统包含了在线预警预测、预案管理、智能加药、设备管理、日志报表等主要功能;在水质预警预报、预案管理的基础上针对反硝化碳源投加进行优化控制投加,在保证水质达标的基础上实现降低碳源投加成本的降低;实现了碳源投加量同比减少10%,碳排放减少231t(CO?当量);节省用电近100万kwh,间接减少碳排放1000t(CO?当量),从而达到污水厂节能降耗的目标。

    路径3 污水厂与光伏系统结合

          2020年4月,国家5部委出台文件,鼓励污水处理企业综合利用场地空间,采用“自发自用、余量上网”模式建设光伏发电项目。

          2021年11月,浙江省能源局正式印发了全国首个针对整县推进分布式光伏开发试点工作的省级实施工作导则。文件明确,对现有污水厂和自来水厂的光伏安装比例要求90%以上,成为分布式光伏开发重点工作之一。

          双碳目标下,污水处理厂节能降耗被提上日程,专业人士认为,如果全国4000多座污水处理厂按照每个污水厂平均可建设5兆瓦光伏电站预估,则这些污水厂可建设光伏电站的规模将超20吉瓦。为了提高污水处理效率及水质,越来越多的污水厂开始探索光伏发电的模式,污水处理厂+光伏电站这一CP也越来越多地出现在大众的视野里,且大有爆发之势。(“水光CP”不断出现:这些污水处理厂已披上光伏外衣)

          光伏发电在白天负荷高峰时期采用“自发自用”的方式,光伏电站所有发电量直接被污水处理厂的用电负荷所消纳,一方面减少对电网的电能质量影响,减少并网发电向电网馈送电能时与电力运行公司发生的业务纠纷,另一方面可以充分利用国家对新能源分布式发电的政策补贴,降低电力成本。

          许多行业龙头也是在此方面大有作为。

          如三峡集团主导的长江大保护项目就与光伏项目多次合体:芜湖市朱家桥污水处理厂分布式光伏项目一期工程已于2020年9月并网;芜湖市城东污水处理厂分布式光伏项目于2021年9月开始发电;芜湖市三山区的高安污水处理厂于2021年11月上旬正式并网发电,其余规划中的4座污水厂分布式光伏项目将陆续投入运营。芜湖市这7座污水厂分布式光伏项目规划总装机容量约2万千瓦,预计建成后平均每年可为电网提供约2300万千瓦时清洁电能,相较于火电每年可节约标煤0.72万吨,减少排放二氧化硫约0.07万吨,二氧化碳约1.97万吨。

          运营王小郢污水厂这个超级光伏电站的节能国祯此前也在投资者互动平台表示,公司在安徽、华东、华南、华中、西北、华北等地区的污水处理项目大部分具备添加分布式光伏项目条件。

          武汉控股打造了全国最大的污水处理厂分布式光伏发电项目——北湖污水处理厂分布式光伏项目。据测算,北湖光伏发电项目并网发电后,在25年运营期内,每年可提供约2200万度的绿色清洁电能;节约发电燃煤约0.8万吨,相当于减少二氧化碳(CO2)排放量约2万吨,环保效益突出,节能减排效果显著。

          光大水务山东淄博的污水处理项目启动了厂内光伏项目试点;该光伏设施已于二零二一年八月并网发电,预计发电量可满足项目厂区用电的9%,为未来推广厂内光伏试点积累良好经验。

          而随着对减污降碳要求的逐步提高,污水+光伏二合一已然不是最厉害的,三合一项目也多有出现。

          日前,华东勘测设计研究院EPC总承包的仙居县污水处理二期工程荣获2020—2021年度国家优质工程奖。这座新概念式的污水处理厂集污水处理、湿地公园、光伏发电于一体,在服务污水处理需求的同时,为居民提供了一座科普教育、休闲游览的亲水公园,为高质量绿色发展提供生动实践。(污水处理+湿地公园+光伏发电三合一!这座污水处理厂获国家优质工程奖)

          近日,聊城市水务污水处理有限公司2.13MW分布式光伏发电项目开工,该项目拟利用水源热泵技术回收污水中的热能和有机物能量等,实现综合能源利用,开创了全省污水处理厂+光伏+综合能源应用的先河。

    路径4 污水处理新技术研发

          污水处理新技术研发,即通过新技术的替代与升级,降低能耗,减少碳排放,在这点上,以北控水务、粤海水务、首创环保、碧水源、节能国祯为首的行业龙头已率先发力并实现成功应用。

          北控水务新发布了BEAOA和北控速粒技术,其中BEAOA已成功开展百吨中试和万吨级原位改造工程应用实践。

          粤海水务依托马军院士“重力流直接超滤净水关键技术”成果,已经开展了模块化装配净水厂的应用探索。

          首创环保集团自主研发的污水生物处理数学模拟技术、CREATE好氧颗粒污泥技术可实现碳源投加量降低50%-70%以上,节约电耗 25%,运行成本降低35%,节约建筑占地50%。

          碧水源最新研发的振动MBR技术成功应用于窦店再生水厂,这项技术降低了污水处理过程的曝气需求和能耗。对于日处理能力为1.5万方的窦店再生水厂来说,一年能节省近40万元的电费,同时出水总氮低于5mg/L,一年能产出500多万方高品质的再生水。目前,碧水源公司已在北京等多地投用或计划投用这项技术,累计污水日处理能力50万方,每年能节省电费在1300万元左右。

          近日,中国节能“AAO工艺高标准处理城镇污水低碳集成技术”经鉴定委员会专家评估,一致认定该技术达到国际先进水平。“AAO工艺高标准处理城镇污水低碳集成技术”为中国节能所属中节能国祯自主研发,经第三方检测,运用该技术后,出水主要污染物排放指标稳定达到地表水类Ⅳ类标准,污水处理厂单位吨水能耗降低8%-16%,单位吨水药剂(除磷、碳源)耗量降低15%-50%,直接运行成本降低10%-20%,CO?的排放量降低了10%以上。同步实现了节能降耗、减污降碳协同的污水处理运营管理效果。

    路径5 污泥的能源利用

          污水处理副产物污泥的能源利用,即厌氧消化的沼气利用和焚烧的热能利用。

          目前我国污泥处理处置工艺的选择主要依据技术适用性和经济成本。考虑到未来碳达峰和碳中和目标,碳排放作为污泥处理处置工艺路线选择的重要指标之一,是未来的发展趋势。

          据悉,污泥厌氧消化过程的碳排放量相对较低,且具备实现负碳排放的可能。污泥厌氧消化耦合沼气热电联产项目,可以实现热、电两种能源的回收利用,提高能源利用效率。目前我国污泥热电联产已应用在多个项目上,并取得了明显的碳减排效果。

          上海白龙港污水处理厂采用中温厌氧消化系统,处理规模为204吨总干污泥量/天,沼气产量约为40 000立方米/天,沼气转化为热能用于厌氧消化系统热能供应,厌氧消化热能自给率达100%。多余的沼气还可用于部分污泥干化对热能的需求。

          北控水务的北戴河新区污泥处理厂项目的日处理规模为300吨(80%含水率),处理工艺采用分级/分相厌氧消化工艺,产生的沼气经提纯后,一部分可用于预处理单元的原泥预热,另一部分可用作车用燃气。

          戴晓虎曾在论文中指出:干化焚烧属于中等碳排放水平,重点在于开发高效低耗深度脱水技术和环境友好型脱水药剂,降低污泥干化的能耗,减轻对后续焚烧过程结焦和飞灰的影响,以及提升工艺设计合理性和整体智能化集成水平。从未来的发展来看,厌氧消化-干化焚烧工艺有望成为污泥处理处置的重要发展方向。

    结语

          “十四五”时期,我国生态文明建设进入以降碳为重点战略方向、推动减污降碳协同增效的关键时期,水处理行业低碳发展势在必行,也希望越来越多的水处理企业能够真正行动起来,助力水处理行业早日实现“碳中和”。


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