环境工程学报 '£朽知库 第 15卷 第 9 期 2021年 9 月 Chinese Journal of Environmental Engineering Eco-Environmental Knowledge Web Vol. 15, No.9 齊 Sep. 2021 (010) 62941074 文 章 栏 目 ：专论 DOI 10.12030/j.cjee.202106073 中图分类号 X703 文献标识码 A 郝晓地，赵梓丞，李季，等 . 污水处理厂的能源与资源回收方式及其碳排放核算：以 芬 兰 KakolanmSki污水处理厂为例 [J].环境工程学报，2021, 15(9): 2849-2857. HAO Xiaodi, ZHAO Zicheng, LI Ji, et al. Analysis o f energy recovery and carbon neutrality for the Kakolanmaki WWTP in Finland[J]. Chinese Journal o f Environmental Engineering, 2021, 15(9): 2849-2857. 污水处理厂的能源与资源回收方式及其碳排放核 算 ：以 芬 兰 Kakolanm^ d 污水处理厂为例 郝 晓 地 赵 梓 丞 、李 季 、李 爽 2, 江 瀚 2 1 . 北 京 建 筑 大 学 城 市 设 计 高 精 尖 中 心 ，中-荷 未 来 污 水 处 理 技 术 研 发 中 心 ，北 京 100044 2 . 北 京 首 创 生 态 环 保 集 团 股 份 有 限 公 司 ，北 京 100044 第一作者：郝 晓 地 （I9 6 0 — )，男 ，博 士 ，教授。研 究 方 向 ：可持续污水处理技术。 E-mail: haoxiaodi@bucea.edu.cn *通信作者 摘 要 探 索 切 实 可 行 的 资 源 与 能 源 回 收 方 案 、实 现 污 水 处 理 的 碳 中 和 运 行 ，是 污 水 处 理 领 域 的 重 要 发 展 方 向。北 欧 国 家 一 些 污 水 处 理 厂 已凭借污泥厌氧消化产甲烷 (CH4) 并 热 电 联 产 (CHP)、以及余温热能利用等技术实 现 了 能 源 的 回 收 利 用 。 以 芬 兰 Kakolanmaki污 水 处 理 厂 为 例 ，结 合 该 厂 的 污 水 处 理 工 艺 流 程 分 析 其 能 源 回 收 方 式 ，并运用碳足迹模型核算了其污水处理丁 .艺 与 能 源 回 收 环 节 的 碳 减 排 量 ，以 确 定 其 整 个 运 行 中 的 碳 足 迹 。分 析 结 果 表 明 ，该 厂 污 水 处 理 工 艺 不 仅 可 以 满 足 严 格 的 出 水 水 质 排 放 标 准 ，还可通过回收出水余温热能等方式实 现能源中和与 碳 中 和 运 行 ，并 向 社 会 供 热 。其 中 ，该 厂 的 总 回 收 能 量 （ 电能 +热 能 ）大 于 其 自 身 能 耗 的 6.4 倍 。 出 水 余 温 热 能 回 收 潜 力 最 大 ，约 占 全 部 可 回 收 能 量 的 9 0 % ; 厌 氧 消 化 并 热 电 联 产 所 回 收 的 化 学 能 不 足 10% 。 回收 能源不仅使该厂实现碳中和（ 碳 中 和 率 333%)运 行 ，而 且 剩 余 碳 汇 （ 以 C02 当量计）达 24 931 t a 、 该厂的实践表 明 ，污 水 处 理 实 现 碳 中 和 运 行 的 关 键 在 于 重 视 出 水 中 大 量 的 余 温 热 能 回 收 。芬 兰 Kakolanmaki污 水处理厂的案 例 可 为 国内污水处理厂探索高效能源利用、并实现碳 中 和 运 行 提 供 参 考 。 关 键 词 碳 中 和 ；能 源 中 和 ；余 温 热 能 ；水 源 热 泵 ；能 源 工 厂 ；碳汇 传 统 污 水 处 理 “以 能 消 能 ，污 染 转 嫁 ”。为 实 现 污 染 物 的 转 化 、去 除 ，污 水 处 理 厂 会 消 耗 很 多 电 能 、药 剂 ，这 与 能 源 循 环 利 用 、碳 中 和 等 可 持 续 发 展 目 标 背 道 而 驰 。 为 此 ，国 内 外 学 者 均 在 利 用 和 回 收 污 水 潜 在 能 源 方 面 开 展 了 积 极 研 究 。其 中 ，北 欧 国 家 的 实 践 探 索 较 早 ，在 污 泥 厌 氧 消 化 产 甲 炫 (CH4) 并 热 电 联 产 （ combined heat and power ， CHP ，即 利 用热 机 或 发 电 站 同 时 产 生 电 力 和 有 用 的 热 量 ，可 减 少 过 程 中 的 蒸 汽 热 量 损 失 )，以 及 余 温 热 能 利 用 等 方 面 的 能 源 与 资 源 回 收 技 术 积 累 了 丰富 经 验。 芬兰旧都图尔库市（ Turku) 位 于 现 首 都 赫 尔 辛 基 以 西 170 k m 的 波 的 尼 亚 湾 畔 ，为芬兰 第二 大海 港 和 重 要 工 业 基 地 。图 尔 库 市 市 区 面 积 24 km2, 城市人口 24 x l 04 人 。该 市 计 划 至 2029年 全 面 实 现 碳 中 和 目 标 ，这 就 要 求 所 有 企 业 按 照 《能 源 效 率 协 定 》中 所 规 定 的 目 标 ，不 断 提 高 可 再 生 能 源 使 收稿日期：2021-06-15;录 用 日 期 ：2021-09-07 基金项目：国家自然科学基金资助项目（ 51878022) 2850 环 境 T 程 学 报 第 15卷 用 比 例 [n。该 市 Kakolanmaki污 水 处 理 厂 为 能 源 利 用 和 热 能 回 收 相 结 合 的 典 型 案 例 ，并实现了能源 向 外 供 热 ，是 一 座 “能 源 工 厂 ”。该 厂 的 污 水 潜 能 利 用 与 图 尔 库 市 的 气 候 战 略 目 标 密 不 可 分 。由于 实 现 了 向 外 供 热 ，该 厂 的 能 源 利 用 方 式 可 让 图 尔 库 市 的 可 再 生 能 源 供 热 比 例 从 2 2 % 提 高 至 3 0 % [2]。 基于前期本课题组已经建立的污水处理厂能量衡算（ 包 括 化 学 能 、热 能 以 及 太 阳 能 等 ）方法和 碳足迹（ 直 接 碳 排 和 间 接 碳 排 放 ）评 价 体 系 [34]，对 KakolanmSki污 水 处 理 厂 的 污 水 潜 能 （ 热能及化学 能 ）回 收 与 余 热 利 用 技 术 进 行 了 核 算 评 估 ，揭 示 该 厂 从 污 水 处 理 厂 成 功 转 型 为 “能源工厂”的技术路 径 ，并 运 用 碳 足 迹 模 型 核 算 其 污 水 处 理 工 艺 与 能 源 回 收 环 节 的 碳 减 排 量 ，确定 其整个运行中的碳 足 迹 ，以 期 为 国 内 污 水 处 理 厂 探 索 高 效 能 源 利 用 、实 现 碳 中 和 运 行 提 供 参 考 。 1 KakolanmSki污 水 处 理 厂 的 工 艺 流 程 1 . 1 概况 图 尔 库 市 污 水 处 理 有 限 公 司 （Turun Seudun Puhdistamo Oy)将 一 处 位 于 地 下 、空 间 约 471 000 m3 的 废 弃 岩 石 场 改 造 成 为 ICakolanmaki地 下 式 污 水 处 理 厂 ，于 2009年 I 月 1 日 建 成 并 投 入 运 行 。 目 前 ，该 厂 承 担 了 图 尔 库 市 及 其 周 边 14个 城 镇 的 市 政 污 水 及 其 工 业 废 水 处 理 ， 服 务 人 口 近 3〇x l 〇4人 ，取 代 了 原 先 的 5 个 老 、旧 、小 污 水 处 理 厂 。该 厂 平 均 进 水 量 为 89 280 rr^ d— 1，2020年污 水 处 理 总 量 达 32 587 333 m3.a_1[5]。 KakolanmSki污 水 处 理 厂 设 计 流 量 最 大 处 理 负荷 为144000 m3.d' 平 均 流 量 120000 m3.dH ; BOD722 000 kg .d、折算成 BOD5 为 20 823 kg .dH )， 表 1 2020年 Kako丨 anmSki污水处理厂进出水质参数 Table 1 Qualities o f the influent and effluent at the Kakolanmaki WWTP in 2020 COD 52000 kg .d-1，TP 760 kg .t r 1, TN 4200 kg.d \ SS 33 000 kg d 1。 目 前 ，实 际 进 水 CO D 负荷为 水质指标 进水/ 出水/ (mg L 丨 ） (mg.L 丨 ） 去除率/ % 标准指标 出水标准/ 去除率 (mg L 丨 ） (ESAVI)/ 设 计 值 的 1 0 2 % ， TP 、T N 与 S S 分 别 为 设 计 值 % 的 7 6 % 、1 0 5 % 和73%[51。该 污 水 处 理 厂 运 行 稳 COD 590 24 96 60 90 定 ，平 均 进 出 水 水 质 指 标 全 部 达 到 当 地 标 准 [5_6] bod7 250 2.4 99 10 95 ( 见 表 1)。 bod5 237 1.92 99 - - TP 6.5 0.099 99 0.3 95 Kakolanmaki污 水 处 理 厂 处 理 工 艺 主 要 包 TN 49 7.2 86 - 75 括 机 械 、化 学 和 生 物 处 理 3 个 单 元 ，有 4 条平 NHJ 36 0.77 99 - - 1 .2 工艺流程 行 处 理 线 ，水 处 理 工 艺 流 程 m 如 图 1 所 示 。 注 ：ESAVI(EteHSuomen aluehallintovirasto)为标准指标去除 率 ，即规定的最低污染物去除率。按芬兰南部地区管理局在 2014年 1) 初 级 与 一 级 处 理 。进 水 杲 站 从 污 水 处 理 10月 1 日修订的第 167/2014/2号污水处理厂环境许可证 (ESAVI nro 厂进水管道最低点将污水提升至相对标高（ 以 167/2014/2)规定计算。 进 水 管 道 最 低