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郝晓地：污水处理碳排放与碳中和怎么搞？先看这些论文便知晓

发布于：2021-01-11 17:24:11 来自：给排水工程/中水处理回用 [复制转发]

编者按 ：

2020年12月12日，国家主席习近平在气候雄心峰会上承诺到2030年，中国单位国内生产总值二氧化碳排放将比2005年下降65%以上，努力争取2060年前实现“碳中和”。对于污水处理行业的“碳中和”问题，我们可以最早回溯到2014年第2期《中国给水排水》杂志发表的 污水处理厂 “ 碳中和 ”评价方法创建与案例分析 （作者：郝晓地，刘然彬，胡沅胜） .北京建筑大学郝晓地教授团队至今已在《中国给水排水》发表25篇相关论文，具有前瞻性，是当下“碳减排、碳中和”热点研究非常有价值的参考资料。本刊特地邀请郝晓地教授分享他的主要观点。

2006 年出版第一部专著《可持续污水 - 废物处理技术》时总结，传统污水处理实际上为 “ 以能消能、污染转嫁 ” 方式。在公开场甚至还强调：碧水的同时未必是蓝天。确实， COD+O ₂ →CO ₂ +H ₂ O 之传统有机物去除方式是用能量（曝气）去摧毁能量（有机物）。结果，污水处理有可能让水环境变干净，但因耗能导致的 CO ₂ 等气体则会贡献温室气体。

基于此，遂开始关注污水处理碳排放以及碳中和问题，并开始在《中国给水排水》等国内外杂志发表观点、综述以及研究文章。从 2014 年开始，仅在《中国给水排水》上发表的相关文章便达 25 篇之多，同时，在 2014 年还出版了专著《 污水处理碳中和运行技术 》（科学出版社）。

污水处理被认为是一个高耗能行业，节能降耗便成为当今污水处理运行的主题。然而，节能降耗这种 “ 节流 ” 方式终归潜力不大，与碳中和目标相差甚远。因此，污水处理要想实现碳中和必须要以 “ 开源 ” 方式挖掘污水中内在潜能。在此方面，剩余污泥厌氧消化这一传统方式便成为众望所归，因为通过甲烷（ CH ₄ ）热电联产（ CHP ）可以获得一定量有机物能源。但不幸的是，污泥厌氧消化获取的有机能量与进水有机物负荷有关，对市政污水碳源普遍低下的我国并非前途一片光明。

能量衡算表明，进水 COD 为 400mg/L ，在完成脱氮除磷碳源使用后产生的剩余污泥，经厌氧消化+热电联产最多也只能产生 0.20 kW · h/m ³ 电当量 ^[1] 。若污水处理能耗为 0.40 kW · h/m ³ ，这意味着距碳中和目标还有 50% 能量赤字。只有当进水 COD 为 800mg/L 时方能勉强满足 0.40 kW · h/m ³ 碳中和需要。添加外源有机物（厨余垃圾等有机固体废物）与剩余污泥一并共消化不失为一种增碳方式，但藉这种方式即使实现能量倍增也并非污水处理自身碳中和。

太阳能固然可以直接产电，弥补碳中和赤字，但即使把光伏板铺遍整个污水处理厂不过也仅能弥补不到 10% 的运行能耗 ^[2] ，实乃杯水车薪，无济于事。当然，风能、潮汐能、植树等理论上也是碳中和备选方式，但这似乎并非污水处理所涉及的行业，况且，污水处理厂也没有空间和能力去实现。

事实上，污水余温热能含量巨大，可以考虑从处理后出水处利用之。热能计算显示，通过水源热泵一次热交换，实际可以提取近 1.80 kW · h/m ³ 电当量 ^[1] ，这不仅可以满足污水处理厂碳中和需要，还可将多余热量以碳交易额形式出售，获取可观经济回报。以上述能耗举例，满足 0.40 kW · h/m ³ 能耗需求后，仍有 1.40 kW · h/m ³ 电当量可以出售换算碳交易额，即， 20% 用于碳中和，而 80% 可以碳交易（图 1 ^[1] ）。

图 1 污水热能、有机能衡算与碳中和 ^[ ^1]

诚然，交换热能为低品位能源，不能用于发电，而向外输热（工建、民宅、农业大棚）有效半径又十分有限（ 3~5 km ），所以， 热的外输利用需要市政规划部门高屋建瓴统筹考虑 。污水处理厂自身加热或制冷显然对热能利用量九牛一毛，但可以考虑将热就近用来进行污泥低温干化或冬季升温进水。就污泥低温干化而言，随着干化、焚烧逐渐成为污泥终极处理 / 处置方式，热的原位利用完全可能 [ 见图 2 ^[3] ] 。若以 “ 分散式干化、集中式焚烧 ” 方式处理污泥，污泥焚烧后的高热则可以发电，相当于将低品位热能转化成了高品位热能。其实，出水余温热能还可以两次、甚至 3 次提取，以获得更多热能。而冬季接近环境温度的排水则更有利于水环境生态。

图 2 污泥处理 / 处置路线 能量与 技术经济比较 ^[ ³ ^]

总之，污水处理实现碳中和、甚至成为 “ 能源工厂 ” 之设想不是梦。借中国政府向世界的政治承诺（ 2060 年全面实现碳中和）以及政府出台的强制与鼓励政策，污水处理行业的新挑战与新机遇并存。

汇集 6 年来自己发表的有关污水处理碳排放以及碳中和文章的目的是方便大家在短时间内能系统了解污水处理碳减排与碳中和方面的信息、观点与方向。

郝晓地

2021年1月6日

于本世纪最冷（-21 ℃ ）之日北京

参考文献 ：

1. Hao X.-D. ^* , Li J., van Loosdrecht M. C. M., Jiang H, Liu R.-B. (2019) Energy recovery from wastewater: heat over organics. Water Research (Making Waves) ， 161 , pp74-77.

2. Hao X.-D. ^* , Liu R.-B., Huang X. (2015) Evaluation of the potential for operating a carbon neutral WWTP in China. Water Research , 87 , pp424-431.

3. Hao X.-D. ^* ， Chen Q, van Loosdrecht M. C. M., Li J., Jiang H. (2020) Sustainable disposal of excess sludge: incineration without anaerobic digestion (Making Waves). Water Research ， 170 , 115298 ： pp1-6.

论文目录

1. 郝晓地 ，刘然彬，胡沅胜 . 污水处理厂 “ 碳中和 ” 评价方法创建与案例分析 . 中国给水排水 ， 2014, 30 （ 2 ） :1-7.

2. 郝晓地 ，张璇蕾，胡沅胜 . 剩余污泥转化能源瓶颈与突破技术 . 中国给水排水 ， 2014,30 （ 18 ） :1-7.

3. 郝晓地 ，刘高杰，黄鑫，胡沅胜 . 微生物燃料电池处理污水并产能潜力分析 . 中国给水排水 ， 2014, 30 （ 18 ） :8-14.

4. 郝晓地 ，黄鑫，刘高杰，胡沅胜 . 污水处理 “ 碳中和 ” 运行能耗赤字来源及潜能测算 . 中国给水排水 ， 2014, 30 （ 20 ） :1-6.

5. 郝晓地 ，金铭，胡沅胜 . 荷兰未来污水处理新框架 ——NEWs 及其实践（荣 获 2014 年度 “ 苏伊士 ” 优秀论文一等奖 ） . 中国给水排水 ， 2014, 30 （ 20 ） :7-15.

6. 郝晓地 ，程慧芹，胡沅胜 . 污水处理碳中和运行的国际先驱 —— 奥地利 STRASS 厂案例剖析 . 中国给水排水 ， 2014, 30 （ 22 ） :1-5.

7. 郝晓地 ，任冰倩，曹亚莉 . 德国可持续污水处理工程典范 ——Steinhof 厂 . 中国给水排水 ， 2014, 30 （ 22 ） :6-11.

8. 郝晓地 ，魏静，曹亚莉 . 美国碳中和运行成功案例 ——Sheboygan 污水处理厂 . 中国给水排水 ， 2014,30 （ 24 ） :1-6.

9. 郝晓地 , 孟祥挺，付昆明 . 新加坡再生水厂能耗目标及其技术发展方向 . 中国给水排水 ， 2014, 30 （ 24 ） :7-12.

10. 郝晓地 ，金铭，曹达啟 . 厌氧消化数学模拟技术发展历程与应用现状 . 中国给水排水 ， 2016, 32 （ 10 ） :1-10.

11. 郝晓地 ，李季，曹达啟 . 污水处理碳中和运行需要污泥增量 . 中国给水排水 ， 2016, 32 （ 12 ） :1-6.

12. 郝晓地 ，孟祥挺，胡沅胜 . 人工湿地温室气体释放、影响及其控制 . 中国给水排水 ， 2016, 32 （ 22 ） :39-47.

13. 郝晓地 ，李天宇， Mark van Loosdrect ，江瀚，曹达啓 . 蓝色经济下的水技术变革 . 中国给水排水 ， 2017, 33 （ 2 ） :5-12.

14. 郝晓地 ，杨文宇，林甲 . 不可小觑的化粪池甲烷碳排量 . 中国给水排水 ， 2017, 33 （ 10 ） :28-33.

15. 郝晓地 ，罗玉琪，林甲，曹达啟 . 污水潜能开发取决于适时补贴政策 . 中国给水排水 ， 2017, 33 （ 12 ） :12-18.

16. 郝晓地 ，王向阳，曹达啟，吴远远 . 污水有机物中化石碳排放 CO ₂ 辨析 . 中国给水排水 ， 2018, 34 （ 2 ） :13-17.

17. 郝晓地 ，方晓敏，李季，江瀚 . 污水处理碳中和运行潜能分析 . 中国给水排水 ， 2018, 34 （ 10 ） :11-16.

18. 郝晓地 , 周健，王崇臣 . 蓝铁矿形成于污泥厌氧消化系统的验证与分析（ 荣获 2018 年度 “ 苏伊士新创建 ” 优秀论文特等奖 ） . 中国给水排水 ， 2018, 34 （ 13 ） :7-13.

19. 郝晓地 , 周健，王崇臣 . 探究污泥厌氧消化系统中蓝铁矿形成的干扰因子 . 中国给水排水 ， 2018, 34 （ 23 ） :1-7.

20. 郝晓地 ，陈奇，李季，江翰 . 污泥干化焚烧乃污泥处理 / 处置终极方式 . 中国给水排水 ， 2019, 35 （ 4 ） :35-42.

21. 郝晓地 ，王向阳，江瀚，李爽 . 污水处理环境综合效益评价方法及案例应用 . 中国给水排水 ， 2019, 35 （ 6 ） :6-15.

22. 郝晓地 ，陈奇，李季，江瀚 . 污泥焚烧无须顾虑尾气污染物 . 中国给水排水 ， 2019, 35 （ 10 ） :8-14.

23. 郝晓地 , 叶嘉洲 , 李季，江瀚 . 污水热能利用现状与潜在用途 . 中国给水排水 ， 2019, 35 （ 16 ） :15-22.

24. 郝晓地 ，靳景宜，罗玉琪，曹达啟 . 可沉微藻转化油脂潜力及 PHB 合成试验研究 . 中国给水排水 ， 2020, 36 （ 7 ） :1-6.

25. 李爽，王向阳， 郝晓地 ，江瀚 . 全生命周期评价在污水处理中的研究与应用 . 中国给水排水 ， 2020, 36 （ 18 ） :32-37.

策划编辑：衣春敏

制作：文凯

审核：李德强

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