污水處理碳中和：美國Sheboygan廠

全康環(huán)保:在前幾期碳中和案例回溯專欄，剖析了芬蘭污水處理廠華麗轉(zhuǎn)變“能源工廠”之成功經(jīng)驗，總結(jié)了荷蘭前瞻性的NEWs概念與措施，分析了德國污水處理廠能源中和與碳中和成功經(jīng)驗，概述了奧地利污水處理廠能源中和之策略，這些案例水廠碳中和舉措與本團隊提出的污水處理碳中和目標(biāo)實現(xiàn)路徑一致。但不可否認(rèn)的是，這些歐洲水廠進水有機質(zhì)濃度都遠高于國內(nèi)水平。那么基于國內(nèi)水廠“巧婦難為無米之炊”的窘狀，是否存在相關(guān)水廠可以借鑒學(xué)習(xí)的案例？本期介紹美國Sheboygan污水處理廠，它的進水有機質(zhì)濃度與國內(nèi)相當(dāng)，甚至不足230 mg/L。但通過“開源”與“節(jié)流”并舉，于2013年實現(xiàn)產(chǎn)電量與耗電量比值達90%~115%、產(chǎn)熱量與耗熱量比值達85%~90%的佳績，已逼近能源中和運行目標(biāo)。本期在介紹該廠工藝流程的基礎(chǔ)上，重點剖析該廠在能源開源與節(jié)流方面的措施，總結(jié)其逼近能源中和運行之成功經(jīng)驗。

01

工藝概況與處理效果

Sheboygan污水處理廠始建于1982年，位于美國威斯康辛州。為響應(yīng)美國水環(huán)境研究基金會（WERF）“至2030年美國所有污水處理廠均要實現(xiàn)碳中和運行”之目標(biāo)，早在2002年該廠便已加入“威斯康辛聚焦能源(Wisconsin Focus on Energy，F(xiàn)OE)”項目，確立了“能源零消耗”的運行目標(biāo)和實施計劃。

該廠采用傳統(tǒng)活性污泥法工藝，2000年前后該廠進行了工藝升級改造，在原有活性污泥法基礎(chǔ)上增加了生物營養(yǎng)物去除（BNR）單元，形成了一套以A/O工藝為藍本并結(jié)合初次沉淀、剩余污泥水解－酸化、污泥濃縮于一體的創(chuàng)新工藝，完成了生物脫氮除磷。具體流程見圖1。

圖1 Sheboygan污水處理廠工藝流程（來自原文）

該廠初始設(shè)計流量規(guī)模為7×104m3/d，服務(wù)人口為86 500人，2012年與2013年平均進、出水水質(zhì)見表1，平均流量分別為3.7×104和4.0×104m3/d。

表1 2012年與2013 年Sheboygan污水廠平均進、出水水質(zhì)（來自原文）

02

能源中和措施

Sheboygan污水處理廠能夠逼近能源中和運行目標(biāo)，在于其能量上的“節(jié)流”與“開源”措施。

“節(jié)流”――設(shè)備優(yōu)化升級

由于污水提升、回流及曝氣設(shè)備能耗在污水處理總能耗中所占比例最大（68.9%），Sheboygan污水處理廠從2005年開始先后進行了一系列工藝升級改造和運行優(yōu)化，包括水泵、鼓風(fēng)機等機械設(shè)備的更新、安裝氣流控制閥、更新消化池加熱設(shè)備、升級智能控制系統(tǒng)（PLC）、監(jiān)視控制和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（SCADA）等，具體措施與結(jié)果見表2。

表2 Sheboygan污水處理廠各項設(shè)備改造措施

“開源”――熱電聯(lián)產(chǎn)+厭氧共消化

Sheboygan污水處理廠意識到，通過將剩余污泥與含有高濃度易降解有機物食品廢物（HSW）厭氧共消化，可使生物氣產(chǎn)量大幅增加，且CH4占比得到相應(yīng)提高，進而能夠提高能源回收效率，使其達到能量“開源”。投加的HSW通常為高BOD、低SS的奶酪垃圾、啤酒廠廢液等。

該廠首先根據(jù)實際運行需要的生物氣體量來確定所需投加的HSW的數(shù)量，隨后將HSW經(jīng)泵輸送與剩余污泥一同進入一級厭氧消化池。該廠購買并投加的食品制造殘留物中TSS 均小于10 000 mg/L，BOD5數(shù)值如表3所示。

表3 Sheboygan污水處理廠投加高濃度食品廢物（HSW）BOD5數(shù)值

截至2012年，該廠因投加HSW而使產(chǎn)氣量增加了200%，為后續(xù)熱電聯(lián)產(chǎn)（CHP）技術(shù)提供了充足的燃料，在產(chǎn)氣量高峰時甚至還會出現(xiàn)能量富余。厭氧消化產(chǎn)生的CH4通過熱電聯(lián)產(chǎn)（CHP）技術(shù)產(chǎn)電、產(chǎn)熱，電能供污水處理運行使用，熱能一方面為消化池維持中溫（35℃）提供熱量，另一方面可用于冬季污水廠內(nèi)建筑物取暖。

截至2012年，該廠可利用熱電聯(lián)產(chǎn)（CHP）技術(shù)產(chǎn)電16 800 kW?h/d、產(chǎn)熱16 120 kW?h/d，實現(xiàn)電能自給率90%，熱能自給率85%。該污水廠在2006~2011年間的實際產(chǎn)能情況如表4所示。

表4 Sheboygan污水處理廠2006 年―2011 年熱電聯(lián)產(chǎn)實際產(chǎn)能情況

03

總結(jié)

Sheboygan污水處理廠進水BOD5與我國水平相當(dāng)，處于較低進水有機物濃度水平（約為230 mg/L）。該廠經(jīng)驗表明，低進水有機質(zhì)濃度污水處理廠僅僅依靠污水處理廠自身節(jié)能降耗和剩余污泥自身厭氧消化很難達到能源中和，即使是引入其它高濃度有機廢物進行共消化才勉強實現(xiàn)能源中和，但距離碳中和目標(biāo)可能相差甚遠。況且這種外源有機物能源不應(yīng)納入污水處理廠自身能源回收份額，其能源中和實質(zhì)上是一種“偽中和”。因此針對這種低進水有機質(zhì)濃度無污水處理廠實現(xiàn)碳中和目標(biāo)需“另尋他法”，特別是考慮出水余溫?zé)崮芑厥罩e措。