文章亮點(diǎn)
·詳細(xì)計(jì)算污水化學(xué)能與熱能理論潛質(zhì)及其實(shí)際轉(zhuǎn)化
·污水蘊(yùn)含大量低品位可交換、直接利用的熱能,其量大大高于化學(xué)能
·污水處理碳中和運(yùn)行難以依靠化學(xué)能實(shí)現(xiàn),而熱能利用則可輕松間接實(shí)現(xiàn)
·污水有機(jī)物資源回收應(yīng)轉(zhuǎn)向高附加值化合物,而非強(qiáng)調(diào)污泥厭氧消化
文章簡(jiǎn)介
污水資源與能源化越來(lái)越受到人們的廣泛關(guān)注。《巴黎氣候協(xié)定》簽署并實(shí)施后,污水處理碳中和運(yùn)行顯得尤其必要。傳統(tǒng)利用剩余污泥厭氧消化轉(zhuǎn)化有機(jī)能(cod)的作法因?qū)嶋H轉(zhuǎn)化率不高而難以幫助污水處理廠碳中和運(yùn)行。相形之下,污水余溫?zé)崮軆?chǔ)量非常豐富,還沒(méi)有引起人們的足夠忽視。
污水中cod雖然為一種可以有效利用的化學(xué)能量物質(zhì),可以通過(guò)剩余污泥厭氧消化方式轉(zhuǎn)化為能源物質(zhì)——甲烷(ch4)而加以利用。但是,面對(duì)污水處理廠碳中和運(yùn)行目標(biāo),這種化學(xué)能顯得捉襟見(jiàn)肘。大部分學(xué)者/研究將回收污水中蘊(yùn)含的化學(xué)能作為實(shí)現(xiàn)污水處理碳中和的唯一手段。能量核算表明,污水中蘊(yùn)含的化學(xué)能并不能全部(100%)通過(guò)厭氧消化與熱電聯(lián)產(chǎn)(chp)方式轉(zhuǎn)化為電能和熱能,僅有10~14%的理論化學(xué)能可轉(zhuǎn)化為實(shí)際回收/利用能量,距碳中和運(yùn)行目標(biāo)相差甚遠(yuǎn);進(jìn)水cod=400 mg/l污水在完成脫氮除磷目標(biāo)后形成的剩余污泥最多僅可滿(mǎn)足53%(0.20 kw·h/m3;化學(xué)能理論值為1.54 kw·h/m3,轉(zhuǎn)化率僅為13%)的運(yùn)行能耗。
相反,市政污水余溫蘊(yùn)含量卻大的“驚人”。作為低品位能源(不能用于發(fā)電),可用于污水處理廠自身和周邊(3~5 km)建筑供熱/制冷、溫室供暖,甚至還可直接用于厭氧消化器加熱、污水冬季加熱、污泥干化等目的。在污水處理末端利用熱能不僅可以避免冬季影響生物處理效果的問(wèn)題,亦可避免熱能污水管道原位利用或污水處理廠前端利用面臨的堵塞、污染以及腐蝕現(xiàn)象。在出水水量和水質(zhì)雙雙保障情況下,熱能利用可以通過(guò)水源熱泵交換方式輕松實(shí)現(xiàn)。
熱能核算顯示,污水中蘊(yùn)含的理論熱能為4.64 kw·h/m3(溫差為4oc)。通過(guò)水源熱泵交換可實(shí)現(xiàn)38%熱能轉(zhuǎn)化(1.77 kw·h/m3,cop=3.5)和25%冷能轉(zhuǎn)化(1.18 kw·h/m3,cop=4.8)。從數(shù)值上看,實(shí)際污水熱能回收顯然遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于化學(xué)能(0.20 kw·h/m3)。
實(shí)際污水處理廠(cod=400 mg/l)案例分析表明,污水化學(xué)能僅可彌補(bǔ)53%污水處理運(yùn)行能耗,剩余47%能量赤字仍需靠其它途徑予以彌補(bǔ)。如果利用熱能,僅需要9.8%熱能或14.7%冷能交換(碳交易)便可輕易彌補(bǔ)能量赤字,間接實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)。剩余約90%熱能或85%冷能則可用于周邊建筑物空調(diào)、溫室供暖等目的,以減少外部化石能源(煤電、油電)的輸入??梢?jiàn),污水處理廠若考慮熱量回收不僅自身可實(shí)現(xiàn)碳中和運(yùn)行目標(biāo),亦可向廠外供熱/冷,從而實(shí)現(xiàn)向能源工廠的華麗轉(zhuǎn)變。這種認(rèn)知徹底顛覆了傳統(tǒng)能量利用觀念;同時(shí),也揭示了污水化學(xué)能利用上的局限,意味著cod應(yīng)向高附加值產(chǎn)品(如,藻酸鹽、pha等)資源化方向轉(zhuǎn)變,無(wú)需再去強(qiáng)調(diào)污泥厭氧消化。
文章同樣也指出,熱能利用技術(shù)上幾乎沒(méi)有任何障礙,關(guān)鍵問(wèn)題是低品位熱能(50~60oc)不能用于發(fā)電,只能直接利用熱量,這又受有限輸送距離(3~5 km)限制。再者,作為一種清潔回收能源,需要政府部門(mén)予以立法,給予政策和稅收上的支持。相信隨著各國(guó)“碳稅”逐漸開(kāi)始增收,熱能利用帶來(lái)的“碳稅減免”或“碳交易”上市必將推動(dòng)這一被冷落的“新”能源。在此方面,國(guó)外受政策支持而發(fā)展熱能利用的案例屢見(jiàn)不鮮;在北歐、荷蘭、日本等國(guó)家,回收熱能用于建筑物供暖、溫室保溫已形成相當(dāng)產(chǎn)業(yè)規(guī)模。
重要結(jié)論
1、污水中蘊(yùn)含的熱能遠(yuǎn)高于化學(xué)能,實(shí)際可回收熱能為化學(xué)能9倍之多
2、回收熱能除可用于污水處理廠自身和周邊建筑供熱/制冷、溫室供暖,還可用于厭氧消化器加熱、污水冬季加熱、污泥干化等目的;污水處理廠不僅可實(shí)現(xiàn)碳中和運(yùn)行,而且成為向外輸能的能源工廠3、污水熱能利用關(guān)鍵不在于技術(shù),而是應(yīng)該立法“碳稅”和/或“碳交易”,以政策或稅收等方式推動(dòng)污水熱能利用4、污水中的有機(jī)物(cod)應(yīng)向具有高附加值的產(chǎn)品方向轉(zhuǎn)化,而不再是一味強(qiáng)調(diào)厭氧消化轉(zhuǎn)化至甲烷(ch4)
文章來(lái)源:waterresearch