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高源
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、水和循環經濟是其中的代表成員之一。
數據顯示，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，一名叫丹麥水產業集群(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是當地最大的污水廠。2016年國際能源署(IEA)發布完《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同消化，僅用污水自身蘊含的能量就實現了能量盈余。
為了這一天，Aarhus水務準備了十年：2006年他們決定將當地14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。經過多年優化，2014年污水廠在沒有添加外來有機廢物的情況下，已經能夠通過沼氣熱電聯產的電能滿足廠區能耗，甚至還有約40%的電力盈余。2015年這個數值還升至50%。也就是說，Aarhus水務的水廠已經實現真正意義上的能量中和。
顯然，單靠傳統的厭氧消化是不可能實現能量盈余的，我們來看看他們全方位的優化工作：
污水廠先是花了40萬歐元裝上SCADA系統(數據采集與監視控制系統)，對氨氮、磷濃度進行監控，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年引進了側流厭氧氨氧化工藝，投資費用約40萬歐。據Aarhus水務的總工程師Per Overgaard Pedersen介紹，因為這套系統能使污水廠的出水總氮減少2mg/L，因此每年能節省約8萬歐的污水稅。此外，本身就很節能的厭氧氨氧化工藝也為污水廠每年節省50000kWh的電耗。此后，新購的污泥脫水離心機能效更高，為廠區每年節省50000kWh的電耗，污泥經處理后可作肥料農用。
除了節流，Aarhus水務也懂開源：為了提高沼氣發電，他們花了170萬歐，新購了兩臺250kW和一臺355kW的熱電聯產電機。
經過這一系列優化措施，污水廠的年電耗共節省約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年該污水廠的總產電量達4.8GWh，這意味著廠區的發電量比電耗多出53%，這些多余的電能會賣給國家電網，此外還有多大2.5GW的多余的熱能直接用于地區供熱。
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地市民，因為水務公司運營成本降了 ，意味著水價也可以下調了！
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產((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污水廠由當地的水務公司VCS負責運營。像Marselisborg污水廠那樣，基于厭氧消化的熱電聯產當然是其基礎，但他們成功的秘密都在于細節，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，他們仍在尋找可以提升產能的空間。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：這是一座已經有113年歷史的污水廠，卻一直在不斷地升級，當時他們已經用上污泥熱水解技術，同時也在實踐DEMON的側流厭氧氨氧化。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數據，規模最大)。污水廠的污泥經過消化和焚燒后，生成天然氣、地區供暖和電力等再生能源。
從2014年起，BIOFOS運營的污水廠已實現能量盈余。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)，能覆蓋廠區的部分電耗(9%)；他們還參與創新資源回收項目(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地的水務公司進行技術合作。
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。
（本文略有刪改）
原標題：再議碳中和時代污水廠如何轉變? | 丹麥案例分享
