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污水處理需要消耗大量能源，約占全球總能源需求的1-3%。市政公用事業(yè)的電能消耗中有超過20％用于城市污水廠的運行。如何能夠提高能效？這是每個污水廠都想找到答案的問題。
在循環(huán)型經(jīng)濟(jì)理念的引領(lǐng)下，我們看到越來越多的污水廠正從傳統(tǒng)的能耗單元向產(chǎn)能單元轉(zhuǎn)型。2021年2月23日，國際水協(xié)會(IWA)的資源回收工作組（IWA Cluster for Resource Recovery in Water）舉辦了主題為Tapping power of wastewater的全球網(wǎng)絡(luò)研討會, 圍繞污水處理的能源回收進(jìn)行探討。本期微信我們一起來回顧一下來自芬蘭和丹麥的兩個污水廠能量回收案例。
芬蘭地下污水廠
Kakolanm?ki 污水廠位于芬蘭最古老的城市圖爾庫（Turku）。這是一座地下污水廠，就位于城市中心，于2009年開始投產(chǎn)，處理人口當(dāng)量為30萬，接收市政污水和部分工業(yè)廢水，日平均流量為90000m3。該污水廠為圖爾庫市下面14個市政廳所有，并由圖爾庫地方污水公司運營。
圖. Kakolanm?ki位于城市中心地底下 | 圖源: YouTube@Turun seudun puhdistamo Oy
Turku地方污水公司的代表Jarkko Laanti先生給我們介紹了污水廠的工藝情況。Kakolanm?ki 污水廠有四條平行處理線，包括了傳統(tǒng)活性污泥法的預(yù)處理、初沉池、生物曝氣池、二沉池和砂濾。有機(jī)物去除率為99%，除磷率達(dá)99%，脫氮率為85%(當(dāng)?shù)貥?biāo)準(zhǔn)只需75%)。2017年的數(shù)據(jù)顯示一噸水的污水處理費用為0.53歐。
Kakolanm?ki 污水廠在能效管理上有多個亮點：
建造熱泵站將處理后的污水中的熱能加以利用。當(dāng)?shù)氐哪茉垂綯URKU ENERGIA用污水來制熱和制冷，制熱功率為40MW，制冷為26MW。這個熱泵站每年的制熱輸出量為200GWh，制冷為20GWh，滿足Turku市14%的供暖需求和100%的制冷需求。每年為圖爾庫市減少80000噸的碳排放量。
圖. 熱泵設(shè)備外觀 | 圖源：Turun seudun puhdistamo Oy
污泥厭氧產(chǎn)生物沼氣后提純制作液化天然氣。污水廠將污泥的厭氧消化處理外包給Gasum 公司，后者是芬蘭一家（天然及生物質(zhì)）氣體專業(yè)供應(yīng)商。生物沼氣站Topinoja Turku歸Gasum公司所有，并由Gasum運營。處理規(guī)模為每年75000噸，其中有40000-50000噸來自Kakolanm?ki污水廠。沼氣站采用中溫消化工藝，每年可以生產(chǎn)460萬立方米的生物沼氣，相當(dāng)于30GWh的能源量。沼氣提純后生成的液化天然氣作為公交燃料。
從壓縮機(jī)和新風(fēng)系統(tǒng)中回收余熱，滿足300個家庭的能耗需求。污水廠2020年的統(tǒng)計顯示，污水廠的總能耗為21042MWh，而回收的能量卻多達(dá)211415MWh?；厥盏哪芰勘嚷室呀?jīng)達(dá)到1000%?？梢钥吹?，主要貢獻(xiàn)來自熱泵站的熱能回收。看來除了我們熟知的協(xié)同消化，熱泵也是幫助污水廠實現(xiàn)能量盈余的強(qiáng)力武器。
除了通過熱電聯(lián)產(chǎn)回收能源，他們通過蒸發(fā)-氣提回收廢液中的氨氮，還會回收剩余沼渣的營養(yǎng)物堆肥農(nóng)用。同時他們還在進(jìn)行生物炭生產(chǎn)的中試測試。
丹麥污水廠
BIOFOS是丹麥哥本哈根的污水處理公司，負(fù)責(zé)Lynetten、Aved?re和Damhus?en三座污水廠，處理污水規(guī)模約200萬人口當(dāng)量。
圖. Lynetten是丹麥最大的污水廠 | 圖源：State of Green
三座污水廠的污水處理情況如下：
三個污水廠都有污泥消化系統(tǒng)，總厭氧消化能力為60000立方米。其中Lynetten和Aved?re有污泥焚燒設(shè)備，其中Lynetten的規(guī)模最大，為14492噸/年(2017年數(shù)據(jù))。
BIOFOS選擇污泥焚燒是處于多個原因的考慮：歷史層面，當(dāng)?shù)氐奈鬯性S多來自道路、屋頂和管道的鋅、鉛和銅等金屬；運輸層面，避免了污泥的長距離運輸；環(huán)境方面，焚燒可以去除微塑料和其他微污染物。
圖. 污泥焚燒廠的工藝流程圖 | 圖源：BIOFOS
污泥經(jīng)過消化和焚燒后，可以生成天然氣、地區(qū)供暖和電力等再生能源。
圖. BIOFOS的污泥能量回收形式 | 圖源：UrbanDanish
BIOFOS從2014年起就實現(xiàn)能量盈余。最新統(tǒng)計顯示，BIOFOS每年污水處理量為1.2億立方米。處理的能耗為59.5MWh，但售出的能量多達(dá)103MWh，能量回收率達(dá)173%，
除了通過污泥產(chǎn)能，污水廠本身也有其他提高能效的措施，例如升級曝氣系統(tǒng)，使用微孔曝氣，使曝氣能耗減少約57%。
在Damhus?en污水廠，他們廠區(qū)內(nèi)安裝光伏太陽能板，能覆蓋廠區(qū)9%的電耗。
除了改善能耗，BIOFOS在資源回收上也有不少嘗試，據(jù)他們的代表Dines Thornberg先生介紹，Aved?re污水廠參加了歐洲的一個POWER-TO-GAS項目BioCat。在該污水廠，他們進(jìn)行將二氧化碳變成甲烷的測試，進(jìn)一步提高生物沼氣的利用率。此外，他們正嘗試從灰渣中回收磷，因為這些灰渣含有8-10%的磷。今年春天會有一個中試測試。他們還嘗試通過高溫高壓的熱裂解技術(shù)從污泥中回收生物燃料。
視頻. BIOFOS污水介紹視頻
小結(jié)
丹麥和芬蘭的兩個案例都給我們展示了污水能量回收的潛力——通過合適的技術(shù)和設(shè)備，污水廠在不需要外源有機(jī)物的情況下就能實現(xiàn)能量盈余，而且是高達(dá)兩倍以上的盈余。兩個案例都是因地制宜的典范，根據(jù)各地地區(qū)的具體情況制定合適的方案，這給了世界其他地區(qū)的水務(wù)公司很好的參照。
圖. 丹麥污水廠向資源回收工廠轉(zhuǎn)變的愿景 | 圖源：urban Danish