2009年哥本哈根市政府通過了《哥本哈根氣候計劃書》，定立了兩步走的目標：到2015年，CO2排放量要同比2011年減排20%，并在2025年實現(xiàn)碳中和。
2019年11月，丹麥政府與13個商界代表簽訂了“氣候伙伴關系”( Danish climate partnership)，基本涵蓋了丹麥所有行業(yè)的溫室氣體排放量。氣候伙伴關系的成員需要提供各自領域的減排建議，以幫助丹麥政府實現(xiàn)其2030的承諾——即2030年丹麥的溫室氣體排放量比1990年代減少70%。廢棄物、水和循環(huán)經(jīng)濟是其中的代表成員之一。
數(shù)據(jù)顯示，2017年丹麥的水務部門的CO2排放當量為218000噸。他們的計劃是通過一系列措施，在2030年實現(xiàn)碳盈余。
這個計劃包括了減少直接排放和間接排放。直接排放方面主要是減少N2O和甲烷的排放、提高工藝過程的能效，以及提高生物沼氣的產(chǎn)量。改善間接排放的措施主要指提高出水余熱的利用率和植樹造林等。
丹麥各地污水廠如何相應的呢？我們來看看其三大水務公司近年的進展成果。
丹麥書寫碳中和童話
2019年，在Aarhus水務的倡議下，一名叫丹麥水產(chǎn)業(yè)集群(Danish Water Cluster)的組織誕生了。他們聲稱這是個匯聚丹麥先進水技術的組織，向全球出口他們的創(chuàng)水新方案。但在小編看來，這個組織更重要的一個作用是促進了成員之間的良性競爭——丹麥三大水務公司都紛紛打造了自己的能量回收污水廠示范工程。
Aarhus水務
Aarhus是丹麥的第二大城市，而Marselisborg是當?shù)刈畲蟮奈鬯畯S。2016年國際能源署(IEA)發(fā)布完《世界能源展望2016》后，該污水廠名聲大噪，原因是它宣布無需協(xié)同消化，僅用污水自身蘊含的能量就實現(xiàn)了能量盈余。
為了這一天，Aarhus水務準備了十年：2006年他們決定將當?shù)?4座污水處理廠合并縮減為4座，并最終減為兩座，即Marselisborg污水廠和十幾公里外的Egaa污水廠。
Marselisborg污水廠平均處理量為27500m³/天。經(jīng)過多年優(yōu)化，2014年污水廠在沒有添加外來有機廢物的情況下，已經(jīng)能夠通過沼氣熱電聯(lián)產(chǎn)的電能滿足廠區(qū)能耗，甚至還有約40%的電力盈余。2015年這個數(shù)值還升至50%。也就是說，Aarhus水務的水廠已經(jīng)實現(xiàn)真正意義上的能量中和。
顯然，單靠傳統(tǒng)的厭氧消化是不可能實現(xiàn)能量盈余的，我們來看看他們?nèi)轿坏膬?yōu)化工作：
污水廠先是花了40萬歐元裝上SCADA系統(tǒng)(數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制系統(tǒng))，對氨氮、磷濃度進行監(jiān)控，并對鼓風機、提升泵、攪拌設備和脫水泵安裝變頻器控制，大大降低了電耗，靈活適應每日變化的進水負荷。
污泥處理方面，污水廠于2014年引進了側(cè)流厭氧氨氧化工藝，投資費用約40萬歐。據(jù)Aarhus水務的總工程師Per Overgaard Pedersen介紹，因為這套系統(tǒng)能使污水廠的出水總氮減少2mg/L，因此每年能節(jié)省約8萬歐的污水稅。此外，本身就很節(jié)能的厭氧氨氧化工藝也為污水廠每年節(jié)省50000kWh的電耗。此后，新購的污泥脫水離心機能效更高，為廠區(qū)每年節(jié)省50000kWh的電耗，污泥經(jīng)處理后可作肥料農(nóng)用。
除了節(jié)流，Aarhus水務也懂開源：為了提高沼氣發(fā)電，他們花了170萬歐，新購了兩臺250kW和一臺355kW的熱電聯(lián)產(chǎn)電機。
經(jīng)過這一系列優(yōu)化措施，污水廠的年電耗共節(jié)省約100萬kWh (1GWh)，在2005-2016年間，污水廠電耗從4.2GWh降至3.15GWh，減幅達四分之一，噸水的能耗降至0.25kWh/m³。
另一方面，2016年該污水廠的總產(chǎn)電量達4.8GWh，這意味著廠區(qū)的發(fā)電量比電耗多出53%，這些多余的電能會賣給國家電網(wǎng)，此外還有多大2.5GW的多余的熱能直接用于地區(qū)供熱。
整個項目花了他們約300萬歐的錢，其中90%還得從自己腰包出，市政府只資助了10%。但Aarhus水務的總工Pedersen先生給我們算了筆賬，說這投資不用5年就能回本了：因為余熱和余電一年能賣32.6萬歐，節(jié)能投資每年能同比省20.6萬，排污稅每年又能省8萬，這么一算，和改造前相比，一年確實能省下60多萬歐。而最讓Aarhus水務公司自豪的是，這個升級項目最終的受惠者是當?shù)厥忻?，因為水務公司運營成本降了 ，意味著水價也可以下調(diào)了！
Marselisborg污水廠能耗改善措施一覽
1.SCADA在線控制曝氣、氨氮、硝態(tài)氮和磷，對硝化/反硝化工藝的控制
2.用渦輪壓縮機取代高真空渦輪鼓風機提高曝氣效率
3.使用能效更好的污泥脫水離心機(AlfaLaval G3)
4.新購沼氣燃機熱電聯(lián)產(chǎn)((CHP))
5.污泥線引入anammox工藝，主流線也以進行厭氧氨氧化工藝測試
更令小編驚嘆的是，Aarhus水務的野心還不止于此：他們已經(jīng)給Marselisborg污水廠起了一個新的名字，叫Aarhus Rewater，并考慮重建新廠的可能性。另一邊Egaa污水廠也計劃實現(xiàn)能量盈余，他們在那里測試碳捕捉、主流厭氧氨氧化、ORC廢氣能量回收等工藝，調(diào)研在未來污水廠用上這些技術的可行性。
VCS水務
奧登塞(Odense)是丹麥第三大城市，也是著名童話作家安徒生的出身地。該城最大的Ejby Mølle污水廠也有些童話色彩——早在2013年它就聲稱實現(xiàn)能量100%自給。2018年，他們甚至宣布：污水廠的能耗盈余率高達88%！他們是怎么做到的？
Ejby Mølle污水廠由當?shù)氐乃畡展綱CS負責運營。像Marselisborg污水廠那樣，基于厭氧消化的熱電聯(lián)產(chǎn)當然是其基礎，但他們成功的秘密都在于細節(jié)，例如他們使用了延時消化的方法(Torpey工藝)，將出泥固液分離后再回流到消化池，以此減少消化池中的水量，進而提高生物質(zhì)濃度，SRT延長約10%，提高消化池高性能。
VCS水務也不滿足于能量盈余，他們?nèi)栽趯ふ铱梢蕴嵘a(chǎn)能的空間。例如，他們對進水口進行翻修，給沉砂池配置能效更高的風機，同時也設計了新的控制策略，這使僅僅沉砂池這一工序每年就將節(jié)省了31000kWh的電耗(2021年預測)。另外，他們也更換了柵渣沖洗壓榨機(screening washing press)，以便更好地將格柵截留的碳源導流進入消化池。
2020年盡管受到疫情影響，污水廠還是做了不少工作：例如在夏天他們對氯化鐵添加至污泥脫水工藝的效果進行測試，目的是減少殘留污泥量和鳥糞石的沉淀。此外，他們也在初沉池對新的聚合物進行測試。
總之他們在想方設法將進水的碳送入消化池，這才有了188%如此驚人的能量回收率！
2014年小編也有幸去過實地考察，印象也十分深刻：這是一座已經(jīng)有113年歷史的污水廠，卻一直在不斷地升級，當時他們已經(jīng)用上污泥熱水解技術，同時也在實踐DEMON的側(cè)流厭氧氨氧化。而最近，他們還給生物反應池裝上了N2O的傳感器，來實時檢測溫室氣體的濃度。
BIOFOS水務
最后我們來到丹麥首都哥本哈根。
哥本哈根的污水主要有BIOFOS公司來處理，它負責Lynetten、Avedøre和Damhusåen三座污水廠，處理規(guī)模約200萬人口當量。
這三座污水廠都配有污泥厭氧消化，總處理能力約60000m³。此外，Lynetten和Avedøre污水廠還有污泥焚燒設備，其中Lynetten的為14492噸/年(2017數(shù)據(jù)，規(guī)模最大)。污水廠的污泥經(jīng)過消化和焚燒后，生成天然氣、地區(qū)供暖和電力等再生能源。
從2014年起，BIOFOS運營的污水廠已實現(xiàn)能量盈余。如今，BIOFOS污水年處理量為1.2億m3，處理的能耗成本為59.5MWh，但售出的能源多達103MWh，能量盈余率達73%。
除了污泥厭氧消化，BIOFOS還對其污水廠進行其他改造，例如將表面曝氣升級為微孔曝氣(能耗減少約57%)；或安裝光伏太陽能板(在Damhusåen污水廠)，能覆蓋廠區(qū)的部分電耗(9%)；他們還參與創(chuàng)新資源回收項目(BioCat)，在Avedøre污水廠嘗試將CO2變成CH4，進一步提高沼氣利用率。他們最近還在調(diào)研用高溫高壓的熱裂解技術從污泥中回收生物燃料的可行性。
國際合作
小編還想一提的是，三家丹麥水務公司的國際化程度都很高，除了接待世界各地的訪問團，這些水務公司都有一些“走出去”的經(jīng)驗：
Aarhus水務和美國三藩市和芝加哥的水務局成立水技術，前者會派遣員工到當?shù)氐乃畡展具M行技術合作。
VCS公司以技術服務商或顧問等形式參與了新加坡公共事業(yè)局(PUB)的若干水處理項目，和美國弗吉尼亞州的Alexandria水務局(Alexandria Renew)簽訂戰(zhàn)略合作關系，也美國水研究基金會(Water Research Foundation)研究委員會的成員單位。在歐洲，它則是荷蘭Wetsus誰研究中心的成員之一。
相比前兩者，BIOFOS貌似弱了一點，但也參與了哥本哈根和北京的合作項目，也參與了歐洲地平線Horizon-2020的POWERSTEP污水能量回收的研究項目。
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原標題：再議碳中和時代污水廠如何轉(zhuǎn)變? | 丹麥案例分享