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丹麦再造童话,打造真正的能量自给污水厂

发布日期:2020-12-02 来源: IWA国际水协会
  视频:Danfoss公司关于Marselisborg污水厂介绍视频
  Aarhus是北欧国家丹麦的第二大城市,人口规模约30万,距丹麦首都哥本哈根有三个多小时的车程。这里有一座叫Marselisborg 的污水厂,很多当地居民估计也从未听过。不过在2016年国际能源署(IEA)发布了《世界能源展望2016》之后,这座污水厂吸引了世界各地专家团的拜访。原因是由于这座污水厂的改造,Aarhus成为全球首个用污水处理回收的能量来满足本地自来水供给服务能耗需求的城市。
  图. Marselisborg污水厂 | 图源:Aarhus Vand
  污水厂实现100%的能量自给,也不算新闻了。在污水厂内盖太阳能板,安装风力发电机,以及添加外源餐厨垃圾和污泥协同消化都可以算是污水厂的产能途径。
  但在水务同行看来,这几种实现能量自给的方式都有“作弊”嫌疑。Marselisborg污水厂的特别之处在于,它仅从进水中蕴含的能量就能实现能量盈余。它是怎么做到的呢?
  长期规划
  为山九仞,岂一日之功。Aarhus水务早在2006年就开始积极筹划水务运营的节能减耗大计。首先,他们将当地14座污水处理厂精简为4座,未来将进一步缩减为2座,包括最大的Marselisborg污水厂和十多公里外的Egaa污水厂。Marselisborg污水厂日平均处理量为27,500m³,约20多万的人口当量。通过10年的优化,该污水厂在没有添加外来有机废物的情况下,从污水中回收沼气,选择中温厌氧消化工艺(38°C),再将沼气通过热电联产回收能量。该污水厂在2016年的污水产电量就能满足自身的能耗,而且还有约50%(2014年为40%)的电力盈余。除此以外,还有2.5GW的热能可输送给当地的供暖系统。经过对污水处理厂系统的不断优化,Aarhus水务的水圈已经实现完全的能量中和。
  多管齐下
  显然,仅仅使用传统的厌氧消化是不足以帮助Marselisborg污水厂实现能量盈余的,它的运行优化是全方位的。
  SCADA系统是其中的基础。SCADA是数据采集与监视控制系统的英文缩写,总投入40万欧元。Aarhus水务的总工程师Per Overgaard Pedersen说:“SCADA的优化包括了对氨氮、磷水平的监控,以及一些设备上的变频器控制,这些优化是电耗可以降低的最大贡献来源。这部分投资的回报期只需2-3年。” Pedersen先生说的变频器(VFD)几乎安装在了污水厂的所有旋转设备中,包括鼓风机、提升泵、搅拌设备和脱水泵。变频器帮助工厂以最大的灵活性来适应每日污水进水负荷的变化。他们使用的是Danfoss的VLT®变频器。
  图. Marselisborg污水厂70%的节能归功于先进的SCADA控制系统 | 图源:IWA
  2014年,Marselisborg污水厂对污泥处理线进行了升级,引进了先进的侧流厌氧氨氧化DEMON®工艺,投资成本约40万欧。“这套系统的一个好处是它每年能让我们节省约8万欧的污水税,因为它能使污水厂的出水总氮值减少2mg/L。” Pedersen评论道。此外,厌氧氨氧化工艺也为污水厂每年节省5万kWh的电耗。
  之后,他们新增购了一台污泥脱水离心机,对消化反应器的剩余污泥进行脱水。这些污泥最终还会成为农用肥料。能效更高的离心机能为厂区每年节省5万KWh电耗。
  除了节流,Aarhus污水厂也很重视开源的工作。污水厂有三个厌氧消化反应器。为了提高产电效率,他们新购了两台250kW和一台355kW的热电联产单元,总投资约170万欧。
  Marselisborg污水厂能耗优化措施一览:
  实施SCADA系统,在线控制曝气、氨氮、硝态氮和磷的水平,以及对硝化/反硝化工艺的控制
  用ABS HST涡轮压缩机取代高真空涡轮鼓风机(HV Turbo Blower),提高曝气的效率
  用能效更优的丹麦Alfa Laval G3替代老的离心机 Alfa Laval 550
  用三个热电联产的沼气燃机(CHP) 取代旧款燃气发电机
  测流厌氧氨氧化工艺DEMON®的应用,主流线也有厌氧氨氧化工艺(Nitrite Shunt)
  图. 更高效的涡轮压缩机、热电联产内燃机、热交换器和变频器 | 图源:Aarhus Vand
  改进成果
  正如上述所说,SCADA的引入对污水工艺的许多细节进行了优化,加上其他设备的升级,污水厂的年电耗一共节省了约1GWh,污水厂电耗从2005年的4.2GWh降至2016年的3.15GWh,减幅约25%,相当于节省了8.7万欧元的电费,处理一吨水的能耗降至0.25kWh/m³。
  2016年,Marselisborg污水厂的总产电量4.8GWh,这意味着厂区的发电量比电耗多出53%,这些多余的电能会卖给国家电网,此外还有大约2.5GWh的多余的热能直接用于地区供热,创收约5.5万欧元。这些成效是在没有添加外来的餐厨垃圾等有机废弃物或碳源的情况下取得的。通过这些能源交易,污水厂的产能能够抵消水务公司其他业务的能耗,包括地下水开采、饮用水处理、饮用水和污水运输以及污水厂自身的运行。
  据Pedersen介绍,整个项目花费约300万欧元。其中90%由水务公司自己投资,10%由政府资助。但掐指一算,因为余电和余热的销售每年可收入约32.6万欧元,节能设备能每年减少约20.6万欧元,加上每年8万欧元排污税的节省,污水厂每年一共可节省超过60万的费用,也就是说这笔投资不用5年就能回收成本。因为维护成本的降低和并网电量的增加,这项目也得到了市民的支持,因为他们是最终的受益者——水价降低了!
  下一个十年?
  Marselisborg污水厂在2006-2016年间的升级改造显然已经相当成功。但Aarhus水务并不满足以此。他们已经为未来做好了准备——“在未来10年,我们会进一步将目前的4个污水厂减至2个,我们还打算打造一个全新的、处理能力更大的Marselisborg污水厂,为50万人服务”, Aarhus水务的总工程师Pedersen先生说。“这里确实没有多余的扩建空间,但新的污水厂会给我们一个机会,将目前我们知道的最好的技术方案与实践融入其中,而且不仅是污水处理本身,还包括资源回收等等方面。”
  图.Marselisborg 污水厂已经改名为Aarhus Rewater
  Pedersen先生指的最好的技术方案包括了更好的碳捕捉、主流厌氧氨氧化、ORC废气能量回收等工艺技术和更先进的控制系统,涉及的公司包括了Salsnes、EssDe™ 和 DEMON ™ 等。为了更好地对外宣传Marselisborg 污水厂,Aarhus水务也赋予了它一个新的名字--Aarhus Rewater。
  Marselisborg污水厂的升级工作早在2010年就开始了,经过多年的努力终于打造成了全球水务行业的新标杆。“Aarhus模式”显然吸引到了世界各地的效仿:过去几年里,除了北欧邻国,Pederson先生也已经接待过来自法国、塞尔维亚、以及更远的阿根廷、南非、印度、美国的代表团。
  中国的污水厂是否也为下个十年做好准备了呢?相信中国不少地方也想复制这个“丹麦童话”。2021年5月的IWA世界水大会将在丹麦首都哥本哈根举办,届时大家将有机会通过技术参观对Aarhus水务的Marselisborg污水厂有更多的了解。
  视频:2020IWA 世界水大会(丹麦哥本哈根)宣传片