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https://journal.hep.com.cn/fese/EN/10.1007/s1178-022-1549-0
文章出版：Front. Environ. Sci. Eng. 2022, 16(9): 117
原文信息
題目：
Energy neutrality potential of wastewater treatment plants: A novel evaluation framework integrating energy efficiency and recovery
作者：
Runyao Huang , Jin Xu , Li Xie, Hongtao Wang (✉), Xiaohang Ni
作者單位
Tongji University, China
通訊作者郵箱：
hongtao@tongji.edu.cn
關鍵詞：
Wastewater treatment plants (污水处理厂);
Energy neutrality potential (能量中和潜力);
Energy efficiency (能效);
Energy recovery (能源回收);
Evaluation framework (评估框架)。
文章亮點
• 基于能效和回收率制定污水处理厂评估框架；
• 评估970家污水处理厂的能源中和能力；
• 开展特征性和解释因素分析；
• 提出能够提高能源中和能力的有效途径。
文章簡介
汙水的處理消耗大量能源，同時排放大量溫室氣體（GHGs）。鑒于我國巨大的汙水處理規模和下水道長度，在2060年實現國家確定的碳中和目標是至關重要的。汙水處理廠的溫室氣體排放主要來源于生物反應器和電力的輸入，碳中和與汙水處理廠能源中和息息相關。因此，可依據汙水處理廠能源中和的潛力制定出實現碳中和的措施。
汙水處理廠的脫碳途徑可概括爲節能、能源回收和能源可再生，本研究旨在綜合評估這些處理途徑評價汙水處理廠的能源中和，通過能源自給能力（ESS）和水-能源效率（CWEE）來表征汙水處理的效率，將能效和能源回收結合起來，建立可以用來評估汙水處理廠能源中和潛力（ENP）的框架。
图1 摘要图
1.汙水處理廠關鍵績效指標評估
本研究對長江經濟帶（YREB）970個汙水處理廠的ENP進行評價，通過ESS和CWEE指標對汙水處理廠進行評價（圖2）。其中，121個汙水處理廠能夠完全自給自足（ESS≥1.0），結合熱電聯産（CHP）和水源熱泵（WSHP）數據表明滿足自給自足的汙水處理廠在去除汙染物方面的能力較弱故耗電較低，而且熱能的充分回收抵消了這部分的電力消耗；另外有98個汙水處理廠爲基准點（CWEE=1），這些汙水處理廠的特點是高消耗和高産出，即此類汙水處理廠具有相對較強的汙染物處理能力。
图2 污水处理厂在能源自给自足（ESS）和水-能源效率（CWEE）频率分布
2.汙水廠能源中和能力評估
以ESS（67.26%）和CWEE（0.544）中值爲界限，將970個汙水廠分爲四類，對不同類型的汙水處理廠能源中和特征進行分析，其中汙水廠的ESS和CWEE均超過中值的汙水處理廠爲具有較高的ENP。通過Chi²檢驗，表明不同類型汙水處理廠的比例相同，p<0.001表明不同類型汙水處理廠ENP分區之間存在顯著差異，其差異來源于YREB人口密度、經濟發展水平和水資源分布條件對汙水廠排放和處理造成的不同。
图3 能量中和潜力特征：（a）净能回收和（b）排放情况
如圖3（a）所示，ENP高的汙水處理廠熱能（WSHP）回收率最高，但ENP較高的汙水處理廠回收的化學能（CHP）比例要小得多，說明我國汙水廠熱能回收力遠遠高于化學能的回收。圖3（b）顯示的是汙水廠的排汙情況，除COD外，ENP較高的汙水處理廠中所有汙染物均按照最低要求排放，故加強汙染物去除仍然是汙水處理廠的主要目標。
3. 解释因素分析和优化方法
用Kruskal–Wallis H分析不同因素对进水水量和水质的影响，结果表明污水厂进水COD浓度、BOD5/COD、处理能力和污泥产生量等值的增加，均会提升污水处理厂ENP。污泥产生量和处理能力反映污水处理厂的规模；处理能力能够评估热能，而热能值高的污水处理厂往往ESS和CWEE具有更好的性能；污泥产量决定污水处理厂的化学能；进水COD是污水的碳源，对污水处理厂能源中和碳中和具有显著影响；进水BOD5/COD提高有助于污染物去除效率。此外，进水COD/TN和BOD5/TP反映汙水廠利用生物技術去除氮和磷的程度，在本研究中，這兩個參數並沒有顯著影響ENP。
基于ESS和CWEE對提高汙水處理廠ENP優化方法進行分析。根據相關方程，ESS很大程度上取決于操作能耗和總能量的回收，較低的運行能耗和較高的能量回收率能夠增大ESS。而CWEE受到輸入和輸出變量的影響，輸入變量是指三類能源消耗，輸出變量爲能源回收和汙染物去除，通過敏感性分析結果表明，CWEE對CHP高度敏感，而對WSHP不太敏感，也就是說CWEE應該在CHP基礎上進行優化。在本研究評估ENP的框架下，汙水處理廠優化方法應集中于能量回收系統和汙水處理系統上，可針對不同汙水處理廠的特性研究並制定出相應的優化能源中和策略，例如降低剩余汙泥的含水量、提高有機物利用以及確定合適的排放限值。
本研究通過ESS和CWEE兩個指標對YREB中970個汙水處理廠ENP進行評估，並建立一個汙水處理廠的ENP評估框架。結果表明，ESS值高的汙水處理廠能夠完全自給自足，具有消耗少汙染物去除量少的特點，而CWEE受到規模經濟的影響，與廢水處理設施有關，ENP高的汙水處理廠具有較高的熱能回收率，但汙染物排放較爲寬松。通過解釋因素分析表明，汙水處理廠的處理能力、汙泥産量、進水COD濃度和進水BOD5/COD對ENP産生顯著影響。提高汙水處理廠ENP的優化方法應減少CHP投入，爲實現這一目標，可通過提高有機利用和降低剩余汙泥含水率等，另外汙染物排放應選定合適的排放限值。本研究提出的評估框架也可應用于評估其他汙水處理廠ENP。
編委點評
爲減少溫室氣體排放促進能源、營養物和碳回收，以實現汙水處理資源利用化。本研究系統的對長江經濟帶970個汙水處理廠進行了能源中和能力評估，通過考察熱能、化學能、汙水排放和處理能力等指標對這些汙水處理廠進行了分類和分析，以確定不同類型汙水處理廠能源中和能力提高的策略和方法。通過這些案例，爲國內外學術界評估汙水處理廠能源中和能力提供了參考。
编者 | 黄静
点评 | 路璐
致 谢
路璐，哈尔滨工业大学（深圳）教授，FESE青年编委，国家级青年人才。研究方向为碳中和污水处理与资源化；主持国家自然科学基金等多项国家和省市级科研项目；获省部级一等奖2项；第一/通讯作者在Nature Sustainability, Joule, Energy & Environmental Science, Environmental Science & Technology, Water Research上发表多篇论文。个人主页：
http://faculty.hitsz.edu.cn/lulu
黃靜，女，31歲，哈爾濱工業大學（深圳）土木與環境工程學院2022級環境科學與工程專業博士後，導師爲路璐教授，研究方向生物電化學去除汙染物和生物能源回收，以第一作者發表SCI論文4篇。
