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200%-1000%能量回收:芬兰、丹麦污水厂如何挖掘污水的潜能

发布日期:2021-03-05 来源: IWA国际水协会
  污水处理需要消耗大量能源,约占全球总能源需求的1-3%。市政公用事业的电能消耗中有超过20%用于城市污水厂的运行。如何能够提高能效?这是每个污水厂都想找到答案的问题。
  在循环型经济理念的引领下,我们看到越来越多的污水厂正从传统的能耗单元向产能单元转型。2021年2月23日,国际水协会(IWA)的资源回收工作组(IWA Cluster for Resource Recovery in Water)举办了主题为Tapping power of wastewater的全球网络研讨会, 围绕污水处理的能源回收进行探讨。本期微信我们一起来回顾一下来自芬兰和丹麦的两个污水厂能量回收案例。
  芬兰地下污水厂
  Kakolanmäki 污水厂位于芬兰最古老的城市图尔库(Turku)。这是一座地下污水厂,就位于城市中心,于2009年开始投产,处理人口当量为30万,接收市政污水和部分工业废水,日平均流量为90000m³。该污水厂为图尔库市下面14个市政厅所有,并由图尔库地方污水公司运营。

  图. Kakolanmäki位于城市中心地底下 | 图源: YouTube@Turun seudun puhdistamo Oy
  Turku地方污水公司的代表Jarkko Laanti先生给我们介绍了污水厂的工艺情况。Kakolanmäki 污水厂有四条平行处理线,包括了传统活性污泥法的预处理、初沉池、生物曝气池、二沉池和砂滤。有机物去除率为99%,除磷率达99%,脱氮率为85%(当地标准只需75%)。2017年的数据显示一吨水的污水处理费用为0.53欧。
  
  Kakolanmäki 污水厂在能效管理上有多个亮点:
  建造热泵站将处理后的污水中的热能加以利用。当地的能源公司TURKU ENERGIA用污水来制热和制冷,制热功率为40MW,制冷为26MW。这个热泵站每年的制热输出量为200GWh,制冷为20GWh,满足Turku市14%的供暖需求和100%的制冷需求。每年为图尔库市减少80000吨的碳排放量。
  
  图. 热泵设备外观 | 图源:Turun seudun puhdistamo Oy
  污泥厌氧产生物沼气后提纯制作液化天然气。污水厂将污泥的厌氧消化处理外包给Gasum 公司,后者是芬兰一家(天然及生物质)气体专业供应商。生物沼气站Topinoja Turku归Gasum公司所有,并由Gasum运营。处理规模为每年75000吨,其中有40000-50000吨来自Kakolanmäki污水厂。沼气站采用中温消化工艺,每年可以生产460万立方米的生物沼气,相当于30GWh的能源量。沼气提纯后生成的液化天然气作为公交燃料。
  
  从压缩机和新风系统中回收余热,满足300个家庭的能耗需求。污水厂2020年的统计显示,污水厂的总能耗为21042MWh,而回收的能量却多达211415MWh。回收的能量比率已经达到1000%。可以看到,主要贡献来自热泵站的热能回收。看来除了我们熟知的协同消化,热泵也是帮助污水厂实现能量盈余的强力武器。
  除了通过热电联产回收能源,他们通过蒸发-气提回收废液中的氨氮,还会回收剩余沼渣的营养物堆肥农用。同时他们还在进行生物炭生产的中试测试。
  
  丹麦污水厂
  BIOFOS是丹麦哥本哈根的污水处理公司,负责Lynetten、Avedøre和Damhusåen三座污水厂,处理污水规模约200万人口当量。
  图. Lynetten是丹麦最大的污水厂 | 图源:State of Green
  三座污水厂的污水处理情况如下:
  
  三个污水厂都有污泥消化系统,总厌氧消化能力为60000立方米。其中Lynetten和Avedøre有污泥焚烧设备,其中Lynetten的规模最大,为14492吨/年(2017年数据)。
  
  BIOFOS选择污泥焚烧是处于多个原因的考虑:历史层面,当地的污水有许多来自道路、屋顶和管道的锌、铅和铜等金属;运输层面,避免了污泥的长距离运输;环境方面,焚烧可以去除微塑料和其他微污染物。
  
  图. 污泥焚烧厂的工艺流程图 | 图源:BIOFOS
  污泥经过消化和焚烧后,可以生成天然气、地区供暖和电力等再生能源。
  
  图. BIOFOS的污泥能量回收形式 | 图源:UrbanDanish
  BIOFOS从2014年起就实现能量盈余。最新统计显示,BIOFOS每年污水处理量为1.2亿立方米。处理的能耗为59.5MWh,但售出的能量多达103MWh,能量回收率达173%,
  
  除了通过污泥产能,污水厂本身也有其他提高能效的措施,例如升级曝气系统,使用微孔曝气,使曝气能耗减少约57%。
  
  在Damhusåen污水厂,他们厂区内安装光伏太阳能板,能覆盖厂区9%的电耗。
  
  除了改善能耗,BIOFOS在资源回收上也有不少尝试,据他们的代表Dines Thornberg先生介绍,Avedøre污水厂参加了欧洲的一个POWER-TO-GAS项目BioCat。在该污水厂,他们进行将二氧化碳变成甲烷的测试,进一步提高生物沼气的利用率。此外,他们正尝试从灰渣中回收磷,因为这些灰渣含有8-10%的磷。今年春天会有一个中试测试。他们还尝试通过高温高压的热裂解技术从污泥中回收生物燃料。
  视频. BIOFOS污水介绍视频
  小结
  丹麦和芬兰的两个案例都给我们展示了污水能量回收的潜力——通过合适的技术和设备,污水厂在不需要外源有机物的情况下就能实现能量盈余,而且是高达两倍以上的盈余。两个案例都是因地制宜的典范,根据各地地区的具体情况制定合适的方案,这给了世界其他地区的水务公司很好的参照。
  
  图. 丹麦污水厂向资源回收工厂转变的愿景 | 图源:urban Danish