水务投资与综合能源耦合利用及发展

韩买良

(华电水务科技股份有限公司，北京 100160)

0 引言

近年来，随着我国生态文明建设快速推进，全国城市污水处理厂的建设规模迅速增加。传统污水处理厂需要消耗大量的电能、燃料和药剂等，针对城市污水处理厂的污水、污泥和空间资源，利用污水源热泵技术、污泥高温厌氧消化技术和太阳能光伏发电技术将这些资源分别转化为热能和电能，用以抵消污水处理厂消耗的能源，可显著抵消污水处理厂的二氧化碳间接排放量，对提高污水处理厂综合能源利用效率具有重要意义。

1 水务投资与综合能源耦合利用技术分析

2018年，我国污水日处理能力已逾1.7亿m3，为保护国家的水环境资源发挥了重要作用。水务行业能源消耗通常会占到全部运营成本的30%～50%，在净水中用于取水和配水的各种提升泵、处理设备能耗巨大。在污水处理中,能耗主要集中在生物处理单元,占到总能耗的50%以上[1]。据统计，目前我国污水处理年耗电量约为180×108kW·h，污水处理厂单位处理水量的平均能耗约为0.29 kW·h/m3。在污水处理普及率与处理程度日益提高的背景下，高能耗污水处理方式不仅提高了污水处理厂的运营成本，同时还间接增加了温室气体二氧化碳的排放量。

然而，污水中蕴含大量的低品位余热资源，污泥中含有丰富的有机物质，污水热能的污水源热泵，可为车间及办公室供冷供热；在污水处理厂布置光伏发电组件以及采用污泥高温厌氧消化和沼气发电，补偿污水处理过程的电能消耗；结合燃煤电厂污泥掺烧，充分利用生物质可以获得可观的环境效益。这种多能互补的综合能源供应系统整合了污水热能、太阳能和电能，可实现污水处理厂能源利用最大化及综合能源耦合利用。污水处理厂综合能源利用如图1所示。

图2 污水源热泵余热利用系统

图1 污水处理厂综合能源利用示意

1.1 城市污水热能回收与利用

城市污水热能回收与利用是将存赋于处理或未经处理的污水中的热量回收后并加以有效利用的一项技术。我国城市污水水量巨大，水温变化幅度小并且具有冬暖夏凉等特性，在对城市污水进行处理的同时，利用其中的热能已被逐渐重视。污水源热泵即利用城市污水资源向建筑物供热、制冷的装置。热泵技术节能效果明显、符合环保要求，同时也符合社会大众在生活水平提高后追求个体生活与环境和谐并存的需求[2]。

早期的北京高碑店污水处理厂(供热供冷面积约900 m2)、北京北小河污水处理厂(供热供冷面积约6 000 m2)、河北秦皇岛污水处理厂(供热供冷面积约3 500 m2)等分别在这方面进行了有益的尝试，运行效果良好。但目前国内总体应用的供热供冷面积都还较小,与污水中含有的巨大能量相比还不成比例,未来具有较大的潜力可挖。污水源热泵系统比燃煤锅炉和空气源热泵的运行费用要低25%以上，更远低于其他供热方式的运行费用[2]。常用污水源热泵余热利用系统如图2所示。

1.2 污泥高温厌氧消化制沼气

污泥厌氧消化能源回收是指利用厌氧微生物使污泥和有机物转化为生物能源。它是目前国际上最为常用的污泥生物处理技术，也是大型污水处理厂较为经济的污泥处理方法。污泥在无氧条件下有机质分解成CO2，CH4和水等物质，产生的甲烷可以作为能源进一步被利用。污泥厌氧消化沼渣富含有机质、腐殖酸、微量营养元素、多种氨基酸和酶类等，能起到改良土壤的作用，具有重要的土地利用价值。沼液富含液态腐殖酸、无机氮磷、微量营养元素等，其速效营养能力强，养分可利用率高，是多元的速效复合肥料。目前，在北京、上海等地约有60座大型污水处理厂建设了厌氧污泥消化系统。呼和浩特市近几年厌氧污泥消化系统的运行经验表明，在一定工艺下且系统运转稳定，不但可以满足自身中温消化的能量需求，还可以产生沼气和输出大量的热量用于发电、厂内热水供应等。但是多数已建污泥厌氧消化设施产气率较低，相对于欧洲一些污水处理厂能源回收能够满足60%的污水处理电耗存在较大差距[1]。所以，国内污泥的厌氧消化技术还需要进一步开发研究，以解决高级厌氧消化技术的工程应用和推广。

1.3 基于微电池生物氧化发电技术

基于微电池生物氧化发电技术是从污水中“提取”潜在电能的新方式，即采用自然界存在的“产电菌”设计的一种微生物电池，能够在消化分解污水中的动植物废物时，充当小型的高效发电厂。作为一种全新的废水处理技术，微生物燃料电池不再仅仅将废水中的有机质作为去除对象，而是看作一种能源。利用微生物将废水中有机质的化学能转化为电能，既净化了污水又获得了能量，这无疑是污水处理理念的重大创新，未来具有可观的发展潜力[3]。

微生物燃料电池工作原理与传统的燃料电池存在许多相同之处。以葡萄糖作底物的燃料电池为例，其阴阳两极反应如下式所示：

阳极反应

C6H12O6+6H2O=6CO2+24e-+24H+，

阴极反应

6O2+24e-+24H+=12H2O 。

阳极室内的微生物在厌氧条件下代谢水中的有机质(葡萄糖等)，产生电子和质子，电子传递到阳极，再经由外电路到达阴极。质子则穿过质子交换膜或直接通过电解质到达阴极。在阴极室内质子、电子和氧相结合生成水。阴阳两极之间存在电位差，最高电位可达0.5～0.8 V，这与氢燃料电池产生的电压相接近，通过对反应器的集成，可以将这样的低电压转换成较高电压，从而获得可利用的电能。微生物燃料电池在常温条件下通过微生物的代谢和电化学的传导，直接将基质的化学能转化为电能，电池的有效能效可达60%以上。

图3 污泥干化焚烧发电工艺流程图

目前，微生物燃料电池无法进入实用领域的最主要原因在于输出功率密度太低，如何有效地提高微生物燃料电池输出功率密度是今后研究的核心课题。随着生物和化学学科交叉研究的深入, 特别是生物电化学的不断进步，微生物燃料电池将逐渐发展成为污水资源化的核心技术之一[3]。

1.4 燃煤电厂污泥掺烧技术

目前，随着污水处理厂的建设及运行产生了大量剩余污泥，火力发电厂具备必要的烟气处理和水处理设施，从循环经济角度出发，探索利用火力发电设施进行污泥处理、处置具有一定的理论意义和现实意义。

污泥焚烧是一个系统工程，典型的污泥干化焚烧发电工艺流程如图3所示。含水率约80%的湿污泥通过半封闭污泥运输车辆送入地下污泥池，抓斗将污泥池中的污泥抓入污泥斗，污泥斗下部接螺旋输送机将湿污泥输送至干燥机进行干燥，半干化污泥含水率约30%～40%。半干化污泥(热值约6 276 kJ/kg)通过耐热胶带输送机经斗提机送入干污泥仓，干污泥仓底设有密闭式皮带机将干污泥送至电厂输煤系统，与原煤(热值约23 012 kJ/kg)按比例掺混送入输煤系统或锅炉燃烧器。干燥机产生的废气经旋风分离器预除尘后，进入冷凝器冷却，冷凝水采用膜生物反应器(MBR)工艺处理达标后回用，不凝结气体及整个系统产生的废气通过风机送入二次风机进口风箱，经二次风机送入炉膛燃烧。图3为典型污泥干化焚烧发电工艺流程图。

运行经验表明，燃煤火力发电厂湿污泥掺烧比例不超过5%，污泥与煤粉混合在煤粉炉1 300 ℃高温中燃烧，灰渣成分影响较小，飞灰不属于危险废固，灰渣可综合利用。由于污泥焚烧产生的SO2，NOx原始排放相对较高，系统设计应予以重视。另外，采用热电厂掺烧方式，应考虑先进的全自动、全封闭生产设备和工艺技术，实现从污泥投放、工序衔接、成品烘干到直接输送至煤场全过程处在密闭状态，达到清洁生产标准。

2019年9月30日，国内大型电厂掺烧项目，华能太仓电厂燃煤生物质耦合发电项目运行。这个项目是国家能源局和生态环境部燃煤耦合生物质发电技术改造(以下简称技改)试点项目，日处理含水率80%，60%湿污泥共200 t，采用西安热工研究院研发的“湿污泥饱和蒸汽碳化+全封闭碳化污泥仓存储+全封闭皮带进入输煤系统后磨煤机掺混”技术，能耗低、碳化产物利用率高，具有良好的社会效益。

2 华电水务综合能源耦合利用与实践

2.1 华电水务“水厂+分布式光伏+水源热泵+中水”综合能源利用

华电水务依托“市政污水处理厂分布式光伏发电-市电协同供电体系的研究与应用”课题在华电石家庄污水处理厂开展了光伏节能技改。该污水处理厂日均处理水量为4.7万m3，利用厂区剩余建设用地及部分屋顶面积进行布置，建设了900 kW“光-水联动”分布式光伏发电系统，实现自发自用、余电上网。平均年发电量为1 059 018 kW·h，平均年等效利用小时数为1 170，自用率达94%。同时，该污水处理厂采用污水源热泵供暖，年节约电量为150 763 kW·h[4]。另外，该污水处理厂为河北华电石家庄热电有限公司(634 MW)提供中水，中水处理系统为“HW石灰高效澄清+变孔隙过滤”，处理水量1 000 m3/h。

华电石家庄污水处理厂采用多能互补的综合能源供应系统每年可节约标准煤387 t，减排483 t二氧化碳以及其他大气污染物，提高了资源利用率，有效降低了生产运营成本，社会、经济及环境效益显著提升[4]。项目实施符合华电集团综合能源发展规划方向。华电水务依照华电石家庄污水处理厂模式，后期可在栾城、元氏、濮阳、正定等供水厂进行推广应用。

2.2 围绕华电集团城市热电布置污泥处置及中水回用

2017年，国家能源局、原环境保护部联合发文《关于开展燃煤耦合生物质发电技改试点工作的通知》(国能发电力〔2017〕75号)，鼓励相关企业积极申报燃煤耦合生物质发电技改试点项目。污泥发电可以有“大作为”，围绕城市热电开展污泥处置及掺烧，利用电厂锅炉炉烟处理污泥，既能让城市污泥得到有效处理，又可以使污泥中有效的热值得到充分利用。污泥是污水处理的产物，目前大部分以填埋为主。随着生态文明建设的大力推进，各地政府越来越认识到污泥处理处置项目建设实施的紧迫性。根据对污泥处理处置行业的调研分析，结合华电集团产业优势，华电水务围绕华电集团城市热电并依托在运污水处理厂项目，研究了利用燃煤电厂锅炉，采用“干化+掺烧”的工艺路线。当前，正在与青岛电厂开展合作，计划建设300.00 t/d污泥干化焚烧装置，处置青岛市城阳区污泥，相同发电量电厂每年可减少使用1.00万t标准煤。另外，华电水务滹沱河、武清、朔州水厂等正在实施污水深度处理后提供周边电厂用水的提标改造工作，希望后期能在华电集团电力比较集中的地区拓展这种“水-电-泥”的耦合与联合模式，逐步形成以水为中心的循环经济产业链。

2.3 智慧水厂能源解决方案

面对未来城市对水资源管理的需求，发展数字水务经济有望促进水务管理的转型，为企业和用户带来一场全新的变革。数字水务经济能够推动资产互联，能够汇总数据加以辅助智慧决策，可以改善企业价值链间的联系。例如，将市政污水、自来水、电厂用水和排水统一整合为潜在水源进行管理，利用革新方案来进行分离，创新并应用回收方案(包括中水回用、能量回收、营养物回收方案)，可提高整体效率和持续发展。

华电水务围绕京、津、冀地区展开城市饮水处理、市政污水处理、水利工程、市政污泥处理、水环境治理等领域的投资，目前累计投资项目16个，处理规模达55.67万t/d。污水处理过程是复杂的动态生化反应过程，它具有时变、高度非线性、滞后、强耦合等特点，传统的优化、控制方法难以得到良好的效果。例如，污水处理过程中生化池的供氧能耗占运行总能耗的60%～80%。然而曝气量控制始终是个难题，控制滞后、精度低、溶解氧波动大、能耗高，从而直接影响处理效果。针对这一普遍存在的问题，华电水务正在开展智能节能技术研究，围绕节能降耗目标进行针对性的智能改造，提高污水处理出水水质以及节能效果。基于污水处理厂的多种环境参数(如季节、时间、气象等历史数据，运行工艺参数等)和能耗参数(如光伏发电量、峰谷电价、设备性能曲线等)，建立基于峰谷电价及太阳能供能的经济效益最大化优化模型，对污水处理厂进行设备级和系统级的优化。同时结合智能优化算法，逐步探索实现运行策略自学习、自修正功能，使得系统运行时间越长控制策略越优，逐步完善智能水务专家决策系统，通过“智能微网、综合节能、数字化云平台”实现多能协同供应的节能、高效、绿色的智能水务管理系统。

3 水务综合能源发展利用展望

长期以来，以活性污泥工艺和生物膜工艺为代表的好氧处理技术处于污水处理领域的主体地位。尽管现有工艺在不断改进，新的工艺形式在不断涌现，但在原理上并无实质性突破，无法摆脱以高能耗的方式去除污水有机质的现状。面临气候变化，能源资源短缺等问题，“资源循环、绿色、健康”成为技术创新的重点，污水、污泥中“污染物”资源化回收利用是未来发展趋势。华电水务结合市政投资及集团热力发电的优势，通过模式创新、科技创新，深层次提高发展质量和投资运营效益，具有较好的发展前景，同时更能有效地保护生态环境，利在当代，业在千秋。