圖爾庫(kù)市污水處理有限公司（Turun seudun puhdistamo Oy）將一處位于地下的廢棄巖石場(chǎng)改造成為Kakolanm?ki地下式污水處理廠，于2009年1月1日建成并投入運(yùn)行,。

目前,，該廠承擔(dān)了圖爾庫(kù)市及其周邊14個(gè)城鎮(zhèn)的市政污水及其工業(yè)廢水處理，服務(wù)人口近30萬(wàn)人,。

該廠平均進(jìn)水量為89 280 m³·d^-1,，2020年污水處理總量達(dá)32 587 333 m³·a^-1。該污水處理廠運(yùn)行穩(wěn)定,，平均進(jìn)出水水質(zhì)指標(biāo)全部達(dá)到當(dāng)?shù)貥?biāo)準(zhǔn)（見(jiàn)表1）,。

表1  2020年Kakolanm?ki污水處理廠進(jìn)出水質(zhì)參數(shù)

注：ESAVI（Etel?-Suomen aluehallintovirasto）為標(biāo)準(zhǔn)指標(biāo)去除率，即規(guī)定的最低污染物去除率,。按芬蘭南部地區(qū)管理局在2014年10月1日修訂的第167/2014/2號(hào)污水處理廠環(huán)境許可證（ESAVI nro 167/2014/2）規(guī)定計(jì)算,。

Kakolanm?ki污水處理廠處理工藝主要包括機(jī)械、化學(xué)和生物處理3個(gè)單元,，有4條平行處理線,，水處理流程如圖1所示。

圖1  Kakolanm?ki廠污水處理工藝流程

2020年,，Kakolanm?ki污水處理廠綜合能耗為35 GWh·a^-1，共產(chǎn)能225 GWh·a^-1,，即產(chǎn)能已超過(guò)能耗的6倍,。

2.1 化學(xué)能的回收

2020年，該廠共輸送37871.5 t·a^-1脫水污泥至Gasum沼氣處理廠進(jìn)行厭氧消化處理,。產(chǎn)生沼氣經(jīng)CHP用于該地區(qū)供暖和電力,。部分處理后的污泥被加工為肥料制劑，或用作土地改良劑,。

該廠的厭氧消化產(chǎn)能達(dá)到21.9 GWh×a^-1,，而處理污泥運(yùn)行耗能（包括污泥運(yùn)輸）為14.2 GWh·a^-1。

即該廠污泥產(chǎn)沼氣加CHP過(guò)程產(chǎn)生的能量足夠維持污泥處理加熱,、攪拌及污泥運(yùn)輸?shù)冗^(guò)程的消耗,，且尚有一定能量盈余（7.7 GWh·a^-1）。

2.2 熱能的回收

Kakolanm?ki污水處理廠從污水余溫?zé)崮芑厥盏臒崃靠上蛲夤?，為?dāng)?shù)亟?5 000戶家庭集中供暖（平均約200 GWh·a^-1，占圖爾庫(kù)市供熱量的14%）,，夏季用于區(qū)域制冷（平均約25 GWh·a^-1,，占該區(qū)域制冷量的90%）。

Kakolanm?ki污水處理廠的熱能回收由位于地下巖洞廠區(qū)內(nèi)的水源熱泵交換站完成,，以該廠二級(jí)出水為熱源回收余溫?zé)崮?，為廠區(qū)和周邊地區(qū)供熱（冬季工作9個(gè)月，服務(wù)人口大于整個(gè)城市人口的10%）和制冷（四季常開,，但集中于夏季3個(gè)月,，為周邊部分醫(yī)院、商場(chǎng),、寫字樓服務(wù)）,。

由于還需對(duì)當(dāng)?shù)貛讉€(gè)醫(yī)院，以及商場(chǎng)和寫字樓持續(xù)供冷,，熱泵旁配備了一個(gè)17 000 m³蓄冷水箱,，通過(guò)水蓄冷技術(shù)（cold water accumulator，CWA）儲(chǔ)存熱交換產(chǎn)生的部分冷卻水,，用于平衡供冷需求高峰時(shí)的波動(dòng),。

圖2 供熱、制冷網(wǎng)絡(luò)示意圖

表2  熱泵額定參數(shù)

取平均COP（能效比）為3.7,、平均提取溫差8 ℃,，熱交換水量取實(shí)際提取出水量為2×10⁷ m³（按年總出水量61%計(jì)）。

計(jì)算結(jié)果得出理論熱能回收潛能為183.9 GWh·a^-1，與該廠熱泵站輸出實(shí)際熱能179.0 GWh×a^-1基本吻合,，足以證明該廠熱能利用效率之高,。

表3  Kakolanm?ki廠理論熱能回收量計(jì)算結(jié)果

2.3 能量平衡

由于2020年該廠污水處理單元能耗為12.76 GWh·a^-1，根據(jù)年處理污水量計(jì)算,，即污水處理工藝的單位電耗為0.39 kWh·m^-3,。

圖3 污水、污泥處理單元能源回收路徑

表4 污水處理廠年能耗數(shù)據(jù)

注：水處理工藝的電耗包括污水處理單元能耗（10 852 MWh·a^-1）,、廠區(qū)內(nèi)通風(fēng)系統(tǒng)（1 531 MWh·a^-1）和照明系統(tǒng)能耗（383 MWh·a^-1）,。

回收余溫?zé)崮苡靡怨?制冷能量的占產(chǎn)能的比例最大，近90%,，為產(chǎn)生能量的主要來(lái)源,；而污泥厭氧消化的產(chǎn)能占比不到10%，雖可滿足全廠運(yùn)行能耗的62%,，但意味著僅靠污泥厭氧消化產(chǎn)還難以實(shí)現(xiàn)能源中和運(yùn)行的目標(biāo),。

因此，有效開發(fā)利用污水余溫?zé)崮艽_實(shí)是污水處理廠實(shí)現(xiàn)能源回收的關(guān)鍵,。

2.4 能量回收的優(yōu)勢(shì)

1）Kakolanm?ki污水處理廠位于圖爾庫(kù)市中心,，出水回收余熱可直接接入圖爾庫(kù)市完善的熱力管網(wǎng)，用于周邊住宅區(qū)集中供暖,、制冷,。輸送熱損耗降至最低。

更重要的是,，供熱使用后的回水再循環(huán)回?zé)岜糜糜跓峤粨Q加熱,，而未直接排水，使得熱利用效率倍增,。

2）熱泵提取溫差大（平均為5~10 ℃）使其低品位熱能利用率高,。芬蘭冬季嚴(yán)寒漫長(zhǎng)，夏季溫和短暫,，平均提取溫差達(dá)8 ℃,。

3）配置2臺(tái)unitop 50FY集中式大型熱泵使供熱系統(tǒng)中余熱利用效率較高。供熱端輸出熱水可達(dá)90 ℃,。這種集中式大型熱泵相較于分散式小型熱泵系統(tǒng)的運(yùn)營(yíng)成本更低,、供熱效率更高。

4）政府與企業(yè)協(xié)同參與保障了余熱回收項(xiàng)目的實(shí)施,。

3.1 碳排放量

直接碳排表5為Kakolanm?ki污水處理廠氣體排放監(jiān)測(cè)統(tǒng)計(jì)數(shù)值,。其中二氧化碳（CO₂）、甲烷（CH₄）為污水處理廠直接碳排的主要貢獻(xiàn)者,。

表5  Kakolanm?ki廠尾氣排放監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

注：NMVOC為非甲烷揮發(fā)性有機(jī)物,，還未納入全球增暖潛勢(shì)加權(quán)的溫室氣體排放總量中,。

間接碳排：根據(jù)當(dāng)?shù)靥贾泻驼撸琄akolanm?ki污水處理廠的運(yùn)營(yíng),、TSE熱泵站和Gasum沼氣廠處理污泥用電均購(gòu)買自清潔能源生產(chǎn)電力,，且污泥運(yùn)輸燃料為污泥厭氧消化生產(chǎn)的沼氣。因此,，將污水處理廠運(yùn)行電耗等間接碳排放計(jì)為零,。

另外，為實(shí)現(xiàn)碳減排,，該廠自2012年開始將原先投加的氫氧化鈣改為碳酸鈣,，使得因藥劑核算得到的CO₂間接排放量降為原來(lái)的1%，大大降低了間接碳排,。

赫爾辛基環(huán)境服務(wù)機(jī)構(gòu)（Helsingin seudun ymp?rist?palvelut, HSY）監(jiān)測(cè)結(jié)果表明,，Kakolanm?ki污水處理廠2020年全年實(shí)際總碳排放量（以CO₂當(dāng)量計(jì)）為10 712 t，各部分碳排放量明細(xì)見(jiàn)表6,。

表6 總碳排量的核算數(shù)據(jù)

3.2 碳減排量

Kakolanm?ki污水處理廠主要通過(guò)出水余熱回收及厭氧消化回收熱/電實(shí)現(xiàn)碳減排（見(jiàn)表7）,。Kakolanm?ki污水處理廠回收熱能與化學(xué)能所產(chǎn)生的碳減排效益（以CO₂當(dāng)量計(jì)）為-35 642.9 t·a^-1。

表7 總碳減排量的核算數(shù)據(jù)

3.3 碳中和評(píng)價(jià)

該廠2020年實(shí)際碳排放量（以CO₂當(dāng)量計(jì)）為10 712 t·a^-1,，而碳減排量（以CO₂當(dāng)量計(jì)）達(dá)-35 643 t·a^-1,。累計(jì)-24 931 t·a^-1可交易碳匯額（以CO₂當(dāng)量計(jì)）。

表 8 碳減排/匯衡算

碳中和與能源回收的概念常常被混為一談,，而分析此案例可知,，該污水廠實(shí)現(xiàn)碳中和是依靠TSE熱泵站回收熱能及其貢獻(xiàn)的碳匯，并非依靠污水處理工藝實(shí)現(xiàn)的能源回收,。

因此，在對(duì)國(guó)內(nèi)污水處理廠運(yùn)行進(jìn)行碳中和或能源回收評(píng)價(jià)時(shí),，不應(yīng)把兩者簡(jiǎn)單的等同起來(lái),。

Kakolanm?ki污水處理廠的案例也進(jìn)一步表明TSE熱泵站回收的熱能貢獻(xiàn)占比巨大，實(shí)現(xiàn)了該廠的能源回收,，同時(shí)產(chǎn)生的巨大碳匯使得該廠的碳排放為負(fù)值,。

由芬蘭Kakolanm?ki污水處理廠運(yùn)行實(shí)踐表明，污水處理廠實(shí)現(xiàn)碳中和運(yùn)行的關(guān)鍵在于出水中大量余溫?zé)崮艿幕厥眨?/span>這點(diǎn)經(jīng)驗(yàn)值得借鑒,。

由此可知,，國(guó)內(nèi)污水處理廠采用傳統(tǒng)污泥厭氧消化工藝很難實(shí)現(xiàn)能源回收及碳中和運(yùn)行。

例如,，北京高碑店污水處理廠數(shù)據(jù)表明,，該廠全年可提取平均溫差為4℃，流量為339×10⁶ m³·a^-1,，說(shuō)明其理論潛熱為Kakolanm?ki污水處理廠的8倍,。

因此，應(yīng)充分認(rèn)識(shí)并合理利用污水余溫?zé)徇@一體量巨大的低品位能源，合理設(shè)置其回收利用方式（冬季為周邊地區(qū)供暖等）,，并協(xié)調(diào)市政部門與各行業(yè)的運(yùn)營(yíng),，則可使污水處理廠實(shí)現(xiàn)能源回收及碳中和運(yùn)行。

希望通過(guò)分析芬蘭Kakolanm?ki污水處理廠的案例,，為國(guó)內(nèi)學(xué)術(shù)界提供參考,。