德國碳中和：Steinhof污水處理廠實踐

編者按：德國早在20世紀末便開始關(guān)注污水處理廠碳中和與能量中和問題。位于德國布倫瑞克市（Braunschweig）運行半個多世紀的老廠Steinhof（斯泰因霍夫）自1954年投入運行以來，注重耗能與產(chǎn)能的平衡，其在能量回收、碳減排方面頗具成效，是能量與資源回收的成功典范。該案例早在2014年便在《中國給水排水》予以介紹，現(xiàn)再次回溯，以期為國內(nèi)污水處理碳中和提供參考。

德國Steinhof污水處理廠已實現(xiàn)碳中和率達114%。該廠實現(xiàn)碳中和目標的主要原因在于進水中COD濃度較高（約966 mg/L），遠超污水脫氮除磷基本需要，進而導致其厭氧消化能源轉(zhuǎn)化份額較高，其剩余污泥厭氧消化產(chǎn)甲烷（CH?）熱電聯(lián)產(chǎn)實現(xiàn)碳減排79%。進一步依靠出水及污泥輸送至農(nóng)田灌溉施肥等方面共同碳減排35%，最終實現(xiàn)碳中和目標。

01

工藝流程與效果

Steinhof污水處理廠主流工藝為A2/O，平均處理水量為60 650 m3/d。工藝流程見下圖。

Steinhof污水處理廠工藝流程（來自原文）

該廠主要進水指標示于表1，一級處理與生物處理前、后水質(zhì)指標變化見表2、表3。

表1 部分進水水質(zhì)指標（mg/L）

表2 一級處理水質(zhì)指標變化

表3 生物處理水質(zhì)指標變化及去除率

02

碳中和措施

污泥厭氧消化產(chǎn)CH?熱電聯(lián)產(chǎn)

Steinhof污水處理廠充分利用剩余污泥蘊含的能源，大大減少對外部能源的消耗，從而減少間接碳排放量。該廠采用剩余污泥厭氧消化產(chǎn)生甲烷（CH?）+熱電聯(lián)產(chǎn)（CHP）方式回收電能和熱能。

初沉污泥和經(jīng)濃縮的剩余污泥(510 m3/d) 被混合后送入到消化池中。在38℃中溫條件下，污泥經(jīng)厭氧消化產(chǎn)生生物氣體。消化池平均生物氣產(chǎn)量為4.47 × 10? m3 /a，其中，甲烷含量為63%。

厭氧消化產(chǎn)生的生物氣經(jīng)活性炭凈化后輸送至CHP單元，生物氣在此處被轉(zhuǎn)化成電能和熱能，產(chǎn)能效率分別為36.7%和40%。CHP 每年產(chǎn)電量為10 300 000 kW·h/a，產(chǎn)熱量為11 200 000 kW·h /a。若在不考慮出水土壤下滲處理和農(nóng)業(yè)灌溉輸送耗能的情況下，則其產(chǎn)生電能完全可以滿足全廠用電量（10 008 432 kW·h/a），并有3%的富余電量。CHP產(chǎn)熱不僅能夠全部滿足中溫厭氧消化加熱所需的熱能，還有一半多的余熱剩余(5 857 495 kW·h /a) 。

此外，為了提高CH?的產(chǎn)量，該廠還對污泥進行熱解預處理，并引入廠外有機質(zhì)來強化厭氧消化CH?生成。通過對污泥、青草熱水解采用中試規(guī)模實驗，可以發(fā)現(xiàn)甲烷產(chǎn)率明顯提高。表4為中試規(guī)模實驗結(jié)果。此外通過引入牧草、洋姜葉等共基質(zhì)，也可部分提高消化后生物氣中的CH?含量。表5為引入共基質(zhì)后厭氧消化實驗結(jié)果。

表4 污泥熱解試驗結(jié)果

表5 共基質(zhì)消化試驗結(jié)果

出水和污泥送至農(nóng)田中灌溉及施肥

在春、夏季時，Steinhof污水處理廠將45%的出水通過專用場地土壤下滲，在土壤天然化學（過濾、吸附）作用和生物（硝化、反硝化）作用下進一步凈化。出水經(jīng)土壤深度處理后水量及水質(zhì)指標的變化情況見表6。剩余55%的出水（12 175 488m3/a）和處理穩(wěn)定后污泥在廠內(nèi)混合后輸送至農(nóng)業(yè)灌溉區(qū)，用作灌溉水及肥料。

表6 出水土壤滲濾前后水質(zhì)指標變化

冬季時，所有出水均通過土壤滲透之后排入地表。而消化污泥由于農(nóng)閑，不再用作農(nóng)業(yè)施肥，而是單獨進行磷回收處理。在消化污泥脫水之前，首先添加MgCl?，并采用吹脫方法（吹脫CO?以提高pH 值）生產(chǎn)鳥糞石/磷酸鹽化合物。回收時，磷酸鹽化合物不需再從污泥中分離，而是直接將含有鳥糞石/磷酸鹽化合物的污泥將直接脫水后在廠區(qū)儲存，待夏季農(nóng)業(yè)生產(chǎn)期再運送至其他土地（非出水灌溉區(qū)） 用作農(nóng)用肥料。試驗結(jié)果表明，污泥消化液中70% 的溶解性磷酸鹽均可在pH=7.8（無需投加化學藥劑） 的條件下形成沉淀。

03

碳中和率計算

Steinhof污水處理廠碳排放量及碳減排量如下圖所示。該廠因能耗所致碳排量總計為37.5 kg CO?當量/(人口當量COD·a)。碳減排量分別由以下三部分構(gòu)成：

（1）利用厭氧消化產(chǎn)生的CH?發(fā)電、產(chǎn)熱折算的碳減排量（79%）；

（2）出水/污泥中營養(yǎng)物質(zhì)（N、P）回用農(nóng)業(yè)生產(chǎn)導致的碳減排量（28%）；

（3）出水農(nóng)業(yè)灌溉導致的減少地下/地表水抽取能耗折算碳減排量（7%）。

Steinhof污水處理廠碳排放量（來自原文）

由圖可知，Steinhof污水處理廠凈碳排量為-5.25 kg CO?當量/(人口當量COD·a) ，導致碳中和率高達114%，這就是說，斯泰因霍夫污水處理廠不僅能夠完全實現(xiàn)碳中和運行目標，而且每年還可額外減少14%的碳排放量。

04

結(jié)果與啟示

Steinhof污水處理廠最終實現(xiàn)了自身114%的碳減排率，不僅能夠完全實現(xiàn)碳中和運行目標，而且每年還可額外減少14%的碳排放量。此外，如果去掉出水土壤滲透和農(nóng)業(yè)利用這兩項電耗，則從生物氣中自產(chǎn)電能完全可以滿足全廠用電量，并有3%的富余電量。

該廠能源消耗基本上可以接近碳中和運行目標的原因是進水中COD 濃度過高（966 mg/L）而導致的剩余污泥量較多。但即便如此其剩余污泥厭氧消化碳中和率也僅79%，還有一定缺口。針對我國低碳源進水的現(xiàn)實，考慮污泥厭氧消化的同時勢必需要尋求真正的碳中和“殺手锏”措施，如回收污水余溫熱能，方能實現(xiàn)碳中和目標。

原文信息：

郝曉地,任冰倩,曹亞莉.德國可持續(xù)污水處理工程典范——Steinhof廠[J].中國給水排水

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