| FESE | 封面報道：污水處理廠能量中和潛力評估——一種基于整合能量效率和能量回收的新型評估框架 |
論文標題：Energy neutrality potential of wastewater treatment plants: A novel evaluation framework integrating energy efficiency and recovery（污水處理廠能量中和潛力評估——一種基于整合能量效率和能量回收的新型評估框架）
期刊：Frontiers of Environmental Science & Engineering
作者：Runyao Huang, Jin Xu, Li Xie, Hongtao Wang, Xiaohang Ni
發(fā)表時間：15 Sep 2022
DOI： 10.1007/s11783-022-1549-0
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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：
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@#edu.cn
關鍵詞：
Wastewater treatment plants (污水處理廠);
Energy neutrality potential (能量中和潛力);
Energy efficiency (能效);
Energy recovery (能源回收);
Evaluation framework (評估框架)。
文章亮點
• 基于能效和回收率制定污水處理廠評估框架；
• 評估970家污水處理廠的能源中和能力；
• 開展特征性和解釋因素分析；
• 提出能夠提高能源中和能力的有效途徑。
文章簡介
污水的處理消耗大量能源，同時排放大量溫室氣體（GHGs）。鑒于我國巨大的污水處理規(guī)模和下水道長度，在2060年實現(xiàn)國家確定的碳中和目標是至關重要的。污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，碳中和與污水處理廠能源中和息息相關。因此，可依據(jù)污水處理廠能源中和的潛力制定出實現(xiàn)碳中和的措施。
污水處理廠的脫碳途徑可概括為節(jié)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污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）來表征污水處理的效率，將能效和能源回收結合起來，建立可以用來評估污水處理廠能源中和潛力（ENP）的框架。
圖1 摘要圖
1.污水處理廠關鍵績效指標評估
本研究對長江經(jīng)濟帶（YREB）970個污水處理廠的ENP進行評價，通過ESS和CWEE指標對污水處理廠進行評價（圖2）。其中，121個污水處理廠能夠完全自給自足（ESS≥1.0），結合熱電聯(lián)產(chǎn)（CHP）和水源熱泵（WSHP）數(shù)據(jù)表明滿足自給自足的污水處理廠在去除污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個污水處理廠為基準點（CWEE=1），這些污水處理廠的特點是高消耗和高產(chǎn)出，即此類污水處理廠具有相對較強的污染物處理能力。
圖2 污水處理廠在能源自給自足（ESS）和水-能源效率（CWEE）頻率分布
2.污水廠能源中和能力評估
以ESS（67.26%）和CWEE（0.544）中值為界限，將970個污水廠分為四類，對不同類型的污水處理廠能源中和特征進行分析，其中污水廠的ESS和CWEE均超過中值的污水處理廠為具有較高的ENP。通過Chi²檢驗，表明不同類型污水處理廠的比例相同，p<0.001表明不同類型污水處理廠ENP分區(qū)之間存在顯著差異，其差異來源于YREB人口密度、經(jīng)濟發(fā)展水平和水資源分布條件對污水廠排放和處理造成的不同。
圖3 能量中和潛力特征：（a）凈能回收和（b）排放情況
如圖3（a）所示，ENP高的污水處理廠熱能（WSHP）回收率最高，但ENP較高的污水處理廠回收的化學能（CHP）比例要小得多，說明我國污水廠熱能回收力遠遠高于化學能的回收。圖3（b）顯示的是污水廠的排污情況，除COD外，ENP較高的污水處理廠中所有污染物均按照最低要求排放，故加強污染物去除仍然是污水處理廠的主要目標。
3. 解釋因素分析和優(yōu)化方法
用Kruskal–Wallis H分析不同因素對進水水量和水質的影響，結果表明污水廠進水COD濃度、BOD5/COD、處理能力和污泥產(chǎn)生量等值的增加，均會提升污水處理廠ENP。污泥產(chǎn)生量和處理能力反映污水處理廠的規(guī)模；處理能力能夠評估熱能，而熱能值高的污水處理廠往往ESS和CWEE具有更好的性能；污泥產(chǎn)量決定污水處理廠的化學能；進水COD是污水的碳源，對污水處理廠能源中和碳中和具有顯著影響；進水BOD5/COD提高有助于污染物去除效率。此外，進水COD/TN和BOD5/TP反映污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(shù)并沒有顯著影響ENP。
基于ESS和CWEE對提高污水處理廠ENP優(yōu)化方法進行分析。根據(jù)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，輸出變量為能源回收和污染物去除，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(yōu)化。在本研究評估ENP的框架下，污水處理廠優(yōu)化方法應集中于能量回收系統(tǒng)和污水處理系統(tǒng)上，可針對不同污水處理廠的特性研究并制定出相應的優(yōu)化能源中和策略，例如降低剩余污泥的含水量、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個污水處理廠ENP進行評估，并建立一個污水處理廠的ENP評估框架。結果表明，ESS值高的污水處理廠能夠完全自給自足，具有消耗少污染物去除量少的特點，而CWEE受到規(guī)模經(jīng)濟的影響，與廢水處理設施有關，ENP高的污水處理廠具有較高的熱能回收率，但污染物排放較為寬松。通過解釋因素分析表明，污水處理廠的處理能力、污泥產(chǎn)量、進水COD濃度和進水BOD5/COD對ENP產(chǎn)生顯著影響。提高污水處理廠ENP的優(yōu)化方法應減少CHP投入，為實現(xiàn)這一目標，可通過提高有機利用和降低剩余污泥含水率等，另外污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污水處理廠ENP。
編委點評
為減少溫室氣體排放促進能源、營養(yǎng)物和碳回收，以實現(xiàn)污水處理資源利用化。本研究系統(tǒng)的對長江經(jīng)濟帶970個污水處理廠進行了能源中和能力評估，通過考察熱能、化學能、污水排放和處理能力等指標對這些污水處理廠進行了分類和分析，以確定不同類型污水處理廠能源中和能力提高的策略和方法。通過這些案例，為國內外學術界評估污水處理廠能源中和能力提供了參考。
編者 | 黃靜
點評 | 路璐
致 謝
路璐，哈爾濱工業(yè)大學（深圳）教授，F(xiàn)ESE青年編委，國家級青年人才。研究方向為碳中和污水處理與資源化；主持國家自然科學基金等多項國家和省市級科研項目；獲省部級一等獎2項；第一/通訊作者在Nature Sustainability, Joule, Energy & Environmental Science, Environmental Science & Technology, Water Research上發(fā)表多篇論文。個人主頁：
http://faculty.hitsz.edu.cn/lulu
黃靜，女，31歲，哈爾濱工業(yè)大學（深圳）土木與環(huán)境工程學院2022級環(huán)境科學與工程專業(yè)博士后，導師為路璐教授，研究方向生物電化學去除污染物和生物能源回收，以第一作者發(fā)表SCI論文4篇。
摘要
Wastewater treatment plants (WWTPs) consume large amounts of energy and emit greenhouse gases to remove pollutants. This study proposes a framework for evaluating the energy neutrality potential (ENP) of WWTPs from an integrated perspective. Operational data of 970 WWTPs in the Yangtze River Economic Belt (YREB) were extracted from the China Urban Drainage Yearbook 2018. The potential chemical and thermal energies were estimated using combined heat and power (CHP) and water source heat pump, respectively. Two key performance indicators (KPIs) were then established: the energy self-sufficiency (ESS) indicator, which reflects the offset degree of energy recovery, and the comprehensive water–energy efficiency (CWEE) indicator, which characterizes the efficiency of water–energy conversion. For the qualitative results, 98 WWTPs became the benchmark (i.e., CWEE= 1.000), while 112 WWTPs were fully self-sufficient (i.e., ESS≥100%). Subsequently, four types of ENP were classified by setting the median values of the two KPIs as the critical value. The WWTPs with high ENP had high net thermal energy values and relatively loose discharge limits. The explanatory factor analysis of water quantity and quality verified the existence of scale economies. Sufficient carbon source and biodegradability condition were also significant factors. As the CWEE indicator was mostly sensitive to the input of CHP, future optimization shall focus on the moisture and organic content of sludge. This study proposes a novel framework for evaluating the ENP of WWTPs. The results can provide guidance for optimizing the energy efficiency and recovery of WWTPs.
