碳中和是一个使全球污水处理厂均实现可持续性的重要议题。欧洲和北美多年前便已已开始向着各自污水处理碳中和运行迈进,且已制定至2030年实现各自碳中和运行的目标。例如,荷兰应用水研究基金会(STOWA)在2008年已制定从污水处理厂回收资源与能源的路线图,并为未来污水处理厂勾勒出一种全新的概念:NEWs(Nutrient+ +Energy t Water factories)。许多研究与尝试已经被用于探索从污水中回收能源,以原位弥补运行能耗,从而实现能量中和之可行;这些举动实际上是支持污水处理厂全生命周期内减少温室气体排放的目标。确实,一些能量中和运行的污水处理厂在欧洲和美国已经出现,但面向着碳中和目标还没有取得太多进展。

 

实践中,碳中和常常被等同为能量中和(实质不同)。关于低能耗处理和污水能源回收的研究与发展具有广泛的研究与应用基础,包括从进水碳与剩余污泥中回收有机物化学能,有机质共消化,热量回收和生物质焚烧等等。然而,除了能量,处理过程自身(例如,N2O 和CH4逸散)和资源消耗(如,化学药剂和混凝剂)也会产生温室气体排放。因此,必须针对能量消耗、能量回收和其它直接与间接温室气体排放制定一揽子解决方案,将污水处理厂建为成碳中和运行实体。

 

在这种环境下,《Water Research》编辑委员会决定开辟以专研究碳中和为主题的窗口,特推出本期特刊。本刊旨在为开发高效能源处理技术,探讨新理念和观点,旨在污水处理厂运行节能与能源回收。从约50份投稿论文中,经同行评审最后录用其中13篇文章,内容涵盖了从能源回收与有机质共消化到新工艺与设计方法开发,再到量化和指导可持续性工艺发展等多个角度。

 

从剩余污泥或污水中回收热能潜力

 

剩余污泥是一种能够通过厌氧消化回收甲烷的基质。然而,剩余污泥量很大程度上取决于进水中有机物(碳源:COD)之浓度。在很多情况下,进水碳源不足,仅能勉强满足生物处理需要,甚至还不足以生物脱氮除磷,因此,污泥转化甲烷在更多情况下难以实现能量中和。换言之,能量中和与传统营养物去除难以兼得。在实际中,厌氧消化容量普遍过剩(德国约为20%),因此,可加以利用外源有机质与剩余污泥进行共消化(实为伪中和)。在奥地利一个工程案例中,向既有污泥厌氧消化池中投加有机废物(有机市政垃圾),以改善污水处理厂能量平衡,在沼气产生与固体减量方面达到了“1+1>2”的效果(Aichinger et al.)。结果显示,共消化中添加有机废弃物至25%,有机负荷增加了94%,而沼气产量可以增加2倍。该案例研究充分证明,发挥有机质共消化有助于污水处理实现能量中和。

 

另一方面,污水中余温热能可以通过水源热泵转化出热量,以平衡能量赤字,甚至达到碳中和。一项关于污水处理厂(普遍COD = 200 ~ 400 mg/L)能量平衡评估表明,中国剩余污泥厌氧消化产甲烷只能弥补约50%的运行能量消耗(Hao et al.)。进一步研究表明,水源热泵能够有效转化污水热能,用以加热污水处理厂及其周边建筑,可提供约0.20 kWh·m-3·℃-1净电当量。总的来说,中国有机物及热能能够有效供给充足的电当量,足以达到碳中和运行目标。