清華新聞網(wǎng)11月27日電（通訊員 宮傲）“雙碳”戰(zhàn)略背景下，污水低能耗處理技術和能源回收技術已成為當前的研究熱點之一。有效評估各類污水處理技術在節(jié)能與產(chǎn)能方面的潛力，能夠為污水處理行業(yè)的可持續(xù)轉型及碳中和目標實現(xiàn)提供重要支撐。近日，清華大學環(huán)境學院水環(huán)境保護教研所梁鵬教授課題組基于工程實踐數(shù)據(jù)研究評估了城市污水處理產(chǎn)電和節(jié)電潛力，針對污水處理過程中能量形式、品位的差異，以能量密度和能量轉化率作為污水產(chǎn)電和節(jié)電的評價指標，系統(tǒng)核算了50余個實際污水處理案例，明確了污水能量有效回收的方向，并探討了能量轉化過程中的耗散途徑。
城市污水處理研究已從傳統(tǒng)污染控制逐漸轉向資源化，并進一步延伸到行業(yè)碳排放與減排領域。污水處理行業(yè)的間接碳排放與其耗電/產(chǎn)電密切相關。城市污水處理過程中主要有化學能、太陽能、風能、勢能與鹽差能等產(chǎn)電能量形式（圖1），其中，將化學能轉化為電能的途徑主要包括活性污泥+污泥厭氧消化產(chǎn)甲烷（AS+AD）+甲烷發(fā)電、碳源濃縮+厭氧消化（OC+AD）+甲烷發(fā)電、升流式厭氧污泥床反應器（UASB）+甲烷發(fā)電、厭氧膜生物反應器（AnMBR）+甲烷發(fā)電，以及微生物燃料電池（MFC）產(chǎn)電等，太陽能和風能通過光伏（PV）和風力發(fā)電（WT）產(chǎn)電，勢能通過水力發(fā)電（HEP）產(chǎn)電，鹽差能產(chǎn)電技術包括壓力延遲滲透（PRO）和反向電滲析（RED）等。城市污水處理的節(jié)電策略主要包括節(jié)能型泵、曝氣設備使用及其運行優(yōu)化、節(jié)能型新工藝（如Anammox、好氧顆粒污泥（AGS））等應用、水源熱泵（WSHPs）原位彌補運行能耗等。針對污水處理節(jié)能與產(chǎn)能兩個方向，該研究以工程規(guī)模污水處理產(chǎn)電/節(jié)電技術為對象，排除了實驗室小試和配水實驗結果，同時考慮到不同品位的能量無法直接比較，選擇采用電能對回收或節(jié)省的能量進行核算。
圖1.城市污水處理中產(chǎn)電與節(jié)電策略
對50余個城市污水處理能量回收案例數(shù)據(jù)的核算分析結果（圖2）表明，在產(chǎn)電方面，太陽能、風能、勢能和鹽差能轉化為電的能量密度中位數(shù)低于0.06kWh/m3，遠低于污水處理所需電耗（～0.36kWh/m3）。此外，太陽能、風能、勢能和鹽差能回收因自然條件和地理位置的差異較大，無法作為通用型污水能量化技術加以推廣。化學能產(chǎn)電的能量密度中位數(shù)為0.24kWh/m3，是城市污水能源回收的主要途徑。在節(jié)電策略方面，污水處理設備優(yōu)化可以節(jié)電0.045kWh/m3；新型污水處理工藝可以節(jié)電0.10kWh/m3。水源熱泵相比空氣源熱泵或鍋爐供熱效率更高，利用污水熱能可以實現(xiàn)節(jié)電0.036kWh/m3。考慮到供熱/制冷需求隨季節(jié)變化大，熱力傳輸距離受限，不同污水熱能利用案例間數(shù)據(jù)差異很大（0.003-0.28kWh/m3），水源熱泵在北歐等需要長期供熱的地區(qū)方能取得較高的節(jié)能效果。
圖2.不同污水產(chǎn)電與節(jié)電技術能量密度
該研究還重點梳理了不同化學能轉化途徑及其能量轉化率（圖3）。化學能回收過程中的能量耗散包括微生物新陳代謝產(chǎn)熱、隨污水和污泥排出的未完全氧化有機物以及部分甲烷泄漏。化學能回收應盡量簡化轉化環(huán)節(jié)，以減少微生物消耗造成的能量損失。在以甲烷為中間產(chǎn)物的轉化路徑中，需要關注溶解性甲烷的回收，以降低能量損失和環(huán)境影響。化學能回收涉及有機物的轉化和去除，是唯一能夠同時實現(xiàn)污水凈化和能量回收的途徑。
圖3.城市污水處理化學能回收技術的能量轉化率
研究認為，在識別污水處理技術的產(chǎn)能效能時，要深刻認識能量品位的差異，避免被不同品位能量（如熱與電）直接比較的結果所誤導；要充分考慮各種技術適用的場景，在通用型技術（化學能轉化為電能）的基礎上，充分利用好各類型產(chǎn)能/節(jié)能技術，是實現(xiàn)污水處理過程能量中和的前提。
相關研究成果以“城市污水處理工程實踐中的產(chǎn)能與節(jié)能”（Energy recovery and saving in municipal wastewater treatment engineering practices）為題，于11月22日發(fā)表于《自然·可持續(xù)》（Nature Sustainability）雜志。
清華大學環(huán)境學院2022級博士生宮傲為論文第一作者，環(huán)境學院教授梁鵬、美國南達科塔州州立大學農(nóng)業(yè)與生物系統(tǒng)工程系楊絮飛博士為論文共同通訊作者。其他合作者包括環(huán)境學院教授黃霞，博士戚祥、何云飛，以及2024級博士生王光騰。研究得到國家自然科學基金委員會的資助。
論文鏈接：
https://www.nature.com/articles/s41893-024-01478-5
供稿：環(huán)境學院
題圖設計：李柳依
編輯：李華山
審核：郭玲
