全康環(huán)保:在前幾期碳中和案例回溯專(zhuān)欄，剖析了芬蘭污水處理廠(chǎng)華麗轉變“能源工廠(chǎng)”之成功經(jīng)驗，總結了荷蘭前瞻性的NEWs概念與措施，分析了德國污水處理廠(chǎng)能源中和與碳中和成功經(jīng)驗，概述了奧地利污水處理廠(chǎng)能源中和之策略，這些案例水廠(chǎng)碳中和舉措與本團隊提出的污水處理碳中和目標實(shí)現路徑一致。但不可否認的是，這些歐洲水廠(chǎng)進(jìn)水有機質(zhì)濃度都遠高于國內水平。那么基于國內水廠(chǎng)“巧婦難為無(wú)米之炊”的窘狀，是否存在相關(guān)水廠(chǎng)可以借鑒學(xué)習的案例？本期介紹美國Sheboygan污水處理廠(chǎng)，它的進(jìn)水有機質(zhì)濃度與國內相當，甚至不足230 mg/L。但通過(guò)“開(kāi)源”與“節流”并舉，于2013年實(shí)現產(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(jì)，已逼近能源中和運行目標。本期在介紹該廠(chǎng)工藝流程的基礎上，重點(diǎn)剖析該廠(chǎng)在能源開(kāi)源與節流方面的措施，總結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(chǎng)始建于1982年，位于美國威斯康辛州。為響應美國水環(huán)境研究基金會(huì )（WERF）“至2030年美國所有污水處理廠(chǎng)均要實(shí)現碳中和運行”之目標，早在2002年該廠(chǎng)便已加入“威斯康辛聚焦能源(Wisconsin Focus on Energy，FOE)”項目，確立了“能源零消耗”的運行目標和實(shí)施計劃。

該廠(chǎng)采用傳統活性污泥法工藝，2000年前后該廠(chǎng)進(jìn)行了工藝升級改造，在原有活性污泥法基礎上增加了生物營(yíng)養物去除（BNR）單元，形成了一套以A/O工藝為藍本并結合初次沉淀、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(jiàn)圖1。

圖1 Sheboygan污水處理廠(chǎng)工藝流程（來(lái)自原文）

該廠(chǎng)初始設計流量規模為7×104m3/d，服務(wù)人口為86 500人，2012年與2013年平均進(jìn)、出水水質(zhì)見(jiàn)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(chǎng)平均進(jìn)、出水水質(zhì)（來(lái)自原文）

02

能源中和措施

Sheboygan污水處理廠(chǎng)能夠逼近能源中和運行目標，在于其能量上的“節流”與“開(kāi)源”措施。

“節流”――設備優(yōu)化升級

由于污水提升、回流及曝氣設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(chǎng)從2005年開(kāi)始先后進(jìn)行了一系列工藝升級改造和運行優(yōu)化，包括水泵、鼓風(fēng)機等機械設備的更新、安裝氣流控制閥、更新消化池加熱設備、升級智能控制系統（PLC）、監視控制和數據采集系統（SCADA）等，具體措施與結果見(jiàn)表2。

表2 Sheboygan污水處理廠(chǎng)各項設備改造措施

“開(kāi)源”――熱電聯(lián)產(chǎn)+厭氧共消化

Sheboygan污水處理廠(chǎng)意識到，通過(guò)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占比得到相應提高，進(jìn)而能夠提高能源回收效率，使其達到能量“開(kāi)源”。投加的HSW通常為高BOD、低SS的奶酪垃圾、啤酒廠(chǎng)廢液等。

該廠(chǎng)首先根據實(shí)際運行需要的生物氣體量來(lái)確定所需投加的HSW的數量，隨后將HSW經(jīng)泵輸送與剩余污泥一同進(jìn)入一級厭氧消化池。該廠(chǎng)購買(mǎi)并投加的食品制造殘留物中TSS 均小于10 000 mg/L，BOD5數值如表3所示。

表3 Sheboygan污水處理廠(chǎng)投加高濃度食品廢物（HSW）BOD5數值

截至2012年，該廠(chǎng)因投加HSW而使產(chǎn)氣量增加了200%，為后續熱電聯(lián)產(chǎn)（CHP）技術(shù)提供了充足的燃料，在產(chǎn)氣量高峰時(shí)甚至還會(huì )出現能量富余。厭氧消化產(chǎn)生的CH4通過(guò)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(chǎng)內建筑物取暖。

截至2012年，該廠(chǎng)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(shí)現電能自給率90%，熱能自給率85%。該污水廠(chǎng)在2006~2011年間的實(shí)際產(chǎn)能情況如表4所示。

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

03

總結

Sheboygan污水處理廠(chǎng)進(jìn)水BOD5與我國水平相當，處于較低進(jìn)水有機物濃度水平（約為230 mg/L）。該廠(chǎng)經(jīng)驗表明，低進(jìn)水有機質(zhì)濃度污水處理廠(chǎng)僅僅依靠污水處理廠(chǎng)自身節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(jìn)行共消化才勉強實(shí)現能源中和，但距離碳中和目標可能相差甚遠。況且這種外源有機物能源不應納入污水處理廠(chǎng)自身能源回收份額，其能源中和實(shí)質(zhì)上是一種“偽中和”。因此針對這種低進(jìn)水有機質(zhì)濃度無(wú)污水處理廠(chǎng)實(shí)現碳中和目標需“另尋他法”，特別是考慮出水余溫熱能回收之舉措。