芬蘭某污水處理廠的能源與資源回收方式及其碳排放核算

芬蘭舊都圖爾庫市（Turku）為芬蘭第二大海港和重要工業(yè)基地。市區(qū)面積24 km2，城市人口24萬人，計劃至2029年全1面實現(xiàn)碳中和目標。該市Kakolanmäki污水處理廠為能源利用和熱能回收結合的典型案例。

1 Kakolanmäki污水處理廠的工藝流程

圖爾庫市污水處理有限公司（Turun seudun puhdistamo Oy）將一處位于地下的廢棄巖石場改造成為Kakolanmäki地下式污水處理廠，于2009年1月1日建成并投入運行。目前，該廠承擔了圖爾庫市及其周邊14個城鎮(zhèn)的市政污水及其工業(yè)廢水處理，服務人口近30萬人。該廠平均進水量為89 280 m3×d-1，2020年污水處理總量達32 587 333 m3·a-1。該污水處理廠運行穩(wěn)定，平均進出水水質指標全部達到當地1標準（見表1）。

Kakolanmäki污水處理廠處理工藝主要包括機械、化學和生物處理3個單元，有4條平行處理線，水處理流程如圖1所示。

1）初級與一級處理。主要包括粗/細格柵、沉砂池、初沉池。進水在通過粗格柵后即投加硫酸亞鐵進行除磷。后續(xù)水流離開生物池進入二沉池時也會再投加硫酸亞鐵，使得 TP去除率高達99%。

2）生物處理。生物處理段采用傳統(tǒng)活性污泥法缺/好氧工藝（A/O）。實際運行中，進水亦可跨越初沉池直接引入曝氣池，以獲得充足的碳源，并根據碳源需求調整跨越初沉池直接進入曝氣池的水量。

3）深度處理。二沉池出水通過升流慢速砂濾池進行深層過濾。過濾凈化后的出水直接排入附近港口海域。

4）旁路水處理單元。為應對污水處理廠在融雪期間和夏季暴雨期的洪峰流量，設置了2條由Actiflo®裝置組成旁路水處理單元。這是一種緊湊的超高速澄清工藝，具有沉降速率高、停留時間短、整體占地面積小等優(yōu)點。

2 Kakolanmäki污水處理廠的能源回收模式及能量平衡核算

2020年，Kakolanmäki污水處理廠綜合能耗為35 GWh×a-1，共1產能225 GWh×a-1，即產能已超過能耗的6倍。

2.1 化學能的回收

2020年，該廠共輸送37 871.5 t·a-1脫水污泥至Gasum沼氣處理廠進行厭氧消化處理。產生沼氣經CHP用于該地區(qū)供暖和電力。部分處理后的污泥被加工為肥料制劑，或用作土地改良劑。

該廠的厭氧消化產能達到21.9 GWh×a-1，而處理污泥運行耗能（包括污泥運輸）為14.2 GWh×a-1。即該廠污泥產沼氣加CHP過程產生的能量足夠維持污泥處理加熱、攪拌及污泥運輸等過程的消耗，且尚有一1定能量盈余（7.7 GWh×a-1）。

2.2 熱能的回收

Kakolanmäki污水處理廠從污水余溫熱能回收的熱量可向外供熱，為當地近15 000戶家庭集中供暖（平均約200 GWh×a-1，占圖爾庫市供熱量的14%），夏季用于區(qū)域制冷（平均約25 GWh×a-1，占該區(qū)域制冷量的90%）。

Kakolanmäki污水處理廠的熱能回收由位于地下巖洞廠區(qū)內的水源熱泵交換站完成，以該廠二級出水為熱源回收余溫熱能，為廠區(qū)和周邊地區(qū)供熱（冬季工作9個月，服務人口大于整個城市人口的10%）和制冷（四季常開，但集中于夏季3個月，為周邊部分醫(yī)院、商場、寫字樓服務）。

由于還需對當地幾個醫(yī)院，以及商場和寫字樓持續(xù)供冷，熱泵旁配備了一個17 000 m3蓄冷水箱，通過水蓄冷技術（cold water accumulator，CWA）儲存熱交換產生的部分冷卻水，用于平衡供冷需求高峰時的波動。

取平均COP（能效比）為3.7、平均提取溫差8 ℃，熱交換水量取實際提取出水量為2×107 m3（按年總出水量61%計）。計算結果得出理論熱能回收潛能為183.9 GWh×a-1，與該廠熱泵站輸出實際熱能179.0 GWh×a-1基本吻合，足以證明該廠熱能利用效率之高。

2.3 能量平衡

由于2020年該廠污水處理單元能耗為12.76 GWh×a-1，根據年處理污水量計算，即污水處理工藝的單位電耗為0.39 kWh×m-3。

回收余溫熱能用以供熱/制冷能量的占產能的比例大，近90%，為產生能量的主要來源；而污泥厭氧消化的產能占比不到10%，雖可滿足全廠運行能耗的62%，但意味著僅靠污泥厭氧消化產還難以實現(xiàn)能源中和運行的目標。因此，有效開發(fā)利用污水余溫熱能確實是污水處理廠實現(xiàn)能源回收的關鍵。

2.4 能量回收的優(yōu)勢

1）Kakolanmäki污水處理廠位于圖爾庫市中心，出水回收余熱可直接接入圖爾庫市完善的熱力管網，用于周邊住宅區(qū)集中供暖、制冷。輸送熱損耗降至***。更重要的是，供熱使用后的回水再循環(huán)回熱泵用于熱交換加熱，而未直接排水，使得熱利用效率倍增。

2）熱泵提取溫差大（平均為5~10 ℃）使其低品位熱能利用率高。芬蘭冬季嚴寒漫長，夏季溫和短暫，平均提取溫差達8 ℃。

3）配置2臺unitop 50FY集中式大型熱泵使供熱系統(tǒng)中余熱利用效率較高。供熱端輸出熱水可達90 ℃。這種集中式大型熱泵相較于分散式小型熱泵系統(tǒng)的運營成本更低、供熱效率更高。

4）政府與企業(yè)協(xié)同參與保障了余熱回收項目的實施。

3 對Kakolanmäki污水處理廠的碳足跡衡算

3.1 碳排放量

——直接碳排

表5為Kakolanmäki污水處理廠氣體排放監(jiān)測統(tǒng)計數值。其中二氧化碳（CO2）、甲烷（CH4）為污水處理廠直接碳排的主要貢獻者。

——間接碳排

根據當地碳中和政策，Kakolanmäki污水處理廠的運營、TSE熱泵站和Gasum沼氣廠處理污泥用電均購買自清潔能源生產電力，且污泥運輸燃料為污泥厭氧消化生產的沼氣。因此，將污水處理廠運行電耗等間接碳排放計為零。

另外，為實現(xiàn)碳減排，該廠自2012年開始將原先投加的氫氧化鈣改為碳酸鈣，使得因藥劑核算得到的CO2間接排放量降為原來的1%，大大降低了間接碳排。

赫爾辛基環(huán)境服務機構（Helsingin seudun ympäristöpalvelut, HSY）監(jiān)測結果表明，Kakolanmäki污水處理廠2020年全年實際總碳排放量（以CO2當量計）為10 712 t，各部分碳排放量明細見表6。

3.2 碳減排量

Kakolanmäki污水處理廠主要通過出水余熱回收及厭氧消化回收熱/電實現(xiàn)碳減排（見表7）。Kakolanmäki污水處理廠回收熱能與化學能所產生的碳減排效益（以CO2當量計）為-35 642.9 t·a-1。

3.3 碳中和評價

該廠2020年實際碳排放量（以CO2當量計）為10 712 t·a-1，而碳減排量（以CO2當量計）達-35 643 t·a-1。累計-24 931 t·a-1可交易碳匯額（以CO2當量計）。

碳中和與能源回收的概念常常被混為一談，而分析此案例可知，該污水廠實現(xiàn)碳中和是依靠TSE熱泵站回收熱能及其貢獻的碳匯，并非依靠污水處理工藝實現(xiàn)的能源回收。因此，在對國內污水處理廠運行進行碳中和或能源回收評價時，不應把兩者簡單的等同起來。

Kakolanmäki污水處理廠的案例也進一步表明TSE熱泵站回收的熱能貢獻占比巨大，實現(xiàn)了該廠的能源回收，同時產生的巨大碳匯使得該廠的碳排放為負值。

4 結語

由芬蘭Kakolanmäki污水處理廠運行實踐表明，污水處理廠實現(xiàn)碳中和運行的關鍵在于出水中大量余溫熱能的回收，這點經驗值得借鑒。由此可知，國內污水處理廠采用傳統(tǒng)污泥厭氧消化工藝很難實現(xiàn)能源回收及碳中和運行。例如，北京高碑店污水處理廠數據表明，該廠全年可提取平均溫差為4℃，流量為339×106 m3·a-1，說明其理論潛熱為Kakolanmäki污水處理廠的8倍。因此，應充分認識并合理利用污水余溫熱這一體量巨大的低品位能源，合理設置其回收利用方式。