能源自给的实践：德国鲁尔水务（Ruhrverband）
文摘
科学
2024-03-06 07:53
英国
德国鲁尔水务（Ruhrverband）将于 6 月 24-28 日在德国埃森主办国际水协 2024 年水务和污水处理技术前沿会议（LET）。鲁尔水务公司是德国最老牌、规模最大的水务管理公司之一，100 多年来一直致力于制定技术标准，关注该行业的最新问题。
鲁尔区是德国北莱茵-威斯特法伦州的一个低山脉，也是德国最大的城市群鲁尔区的名称。作为一家法定的水务公共事业单位，鲁尔区水务努力做到财务谨慎，并于 15 年前在其企业战略中确立了提高污水处理厂能源效率和增加可再生能源发电量的目标。
由于气候变化使这些目标变得越来越重要，鲁尔区于 2022 年进一步修订了企业战略，并制定了到 2024 年实现能源自给的关键目标。实施这样一个目标远不止是技术上的挑战。至关重要的是，这项工作必须以企业使命宣言为基础，以确保获得管理团队和员工的认可，并合理分配资源。2021 年和 2022 年，鲁尔水务对其企业使命宣言进行了修订，使之包括五个行动领域，其中之一就是可持续发展目标。能源目标也以 "可持续性 "行动领域的目标原则为基础。该领域的进一步目标是不断改善地区水域的生态环境，有效管理森林以保护水资源，并以气候友好的方式维护鲁尔区的森林。该领域还将保障就业，为年轻人提供职业机会和培训。在这一行动领域中，鲁尔区致力于实现平衡的气候足迹和制定气候保护计划，这是一项全新的、面向未来的目标。几年前，鲁尔区已经根据 ISO 50001 标准建立了一套能源管理系统，这对公司的发展很有帮助。不过，这只涵盖了公司温室气体 (GHG) 排放的某些方面。气候保护计划可使公司的排放清单和气候相关绩效透明化，提高公司内部的气候意识，并帮助公司确定潜在的节约措施。鲁尔区的温室气体清单显示，在过去 11 年中，该公司的二氧化碳排放量从 15.61 万吨二氧化碳当量/年减少到 12.12 万吨二氧化碳当量/年。这主要归功于可再生能源发电量和使用量的增加、脱氮的改进以及碳源使用的减少。鲁尔区温室气体清单确定了减少温室气体排放的潜在机会。其中包括在该公司的流化床燃烧厂址建造一座太阳能污泥干燥厂，使该公司能够在辅助燃烧中使用干燥的污泥而不是煤炭，从而减少近 30% 的温室气体排放。该公司发现，一氧化二氮的排放在很大程度上取决于工厂的脱氮能力。鲁尔水务将使用监测技术来验证停机与排放之间的相关性，以进一步评估这一问题。就污泥处理而言，在厌氧处理后，残余气体不得立即被激活。除了捕捉甲烷外，还必须尽可能缩短二级浓缩池的停留时间。还应通过有效的污水污泥物流来避免污泥的临时储存，并立即进行脱水和运往焚烧厂。就温室气体排放而言，静态脱水比使用动态离心机的脱水更为可取。据生产商称，真空脱气技术可有效去除溶解在污泥水中的甲烷，并有望显著提高脱水性能。鲁尔区目前正在通过实验室测试确定其所有污水处理厂可回收多少甲烷，并计划在一家技术验证厂进行真空脱气测试。最后，通过进一步增加自身发电量，该公司应能大幅减少其排放量（目前为 20,100 吨二氧化碳当量/年，因为需要从外部购买电力）。自 15 年前鲁尔区为自己设定了提高能效和在内部生产可再生能源的目标以来，公司的耗电量已从 110 GWh/a降至 95 GWh/a。这一成功的主要推动因素是污水处理厂运行能效的提高，其耗电量从 2006 年的 93.5 GWh/a 降至 2021 年的 80 GWh/a。鲁尔区的水质和水量业务多种多样，因此有很多方法可以提高内部能源生产量。例如，在近一半的污水处理厂中，产生的沼气被用于热电联产装置，该装置的总功率为 9.8 MW，年发电量为 43-45 GWh。为了增加沼气产量，公司的六家工厂还接收厨房和食物垃圾。迄今为止，已建成 13 座光伏电站，总发电能力达 1.2 MWp。目前，该公司正在准备一项前期规划研究，以便建立更多的光伏电站，目标是每年多发电 8-10 GWh，这可能需要 11-14 公顷的面积。水电站的运营一直是鲁尔区政府的核心业务之一。截至 2021 年，鲁尔水务及其全资子公司 LLK（Lister- und Lennekraftwerke）在鲁尔区水库和大坝上运营着约 20 座水电站。自 2022 年 5 月起，鲁尔水务还接管了鲁尔上游水库的三座发电站的运营，这些发电站的总发电量为 11.8 MW。这些电站在各自的水库建成后分别租给了地区发电商。这三座径流式发电站的发电量因水流量而异，但平均发电量为 30-35 GWh/a。目前，鲁尔区通过与现有运行设施的直接连接，或通过向能源平衡组虚拟馈入的方式，充分利用了这些电力，取代了原本需要购买的电力。随着污水处理厂运营的不断优化，能源效率也得到了提高。此外，还优化了新建工程所需的能源，并对现有工厂进行了改造。鲁尔水务在所有大型新建项目中都将梯级脱氮作为首选方案，以最大限度地消除营养物质。在上游脱氮过程中，鲁尔水务尽可能不采用惯用的内循环，而是安装至少三级的脱氮装置，从而实现了高能效和极高的净化性能。根据国家有关污水厂能源优化的规定，此类污水厂一般都能达到最优值。Bochum-Olbachtal污水处理厂（293,100 服务人口当量）就是现有污水处理厂优化的一个例子。鲁尔水务将以前使用上游反硝化技术的生物污水处理厂改造为三级串联反硝化技术，实现了能源中和，出水水质低于 5 mg/l 。在三级串联脱氮系统投入使用后，很明显，在水流态和空气分配方面存在着优化的潜力。通过对控制和工艺技术的进一步改进，这一潜力得以挖掘。此外，重建过程中安装的曝气器元件被硅胶管曝气器取代，采用了滑动压力控制系统，调整了进气控制，并改进了进气分布。2022 年，Bochum-Olbachtal 污水处理厂的耗电量为 440 万。平均进水负荷为 177,000 p.e.（人口当量），耗电量为 24.9 kWh/p.e.，远低于 2030 年鲁尔区所有污水处理厂的目标值 33 kWh/p.e.。因此，Bochum-Olbachtal 污水厂所产生的能源不仅能满足需要，而且还有剩余。除了改造现有的污水处理厂外，鲁尔水务还采用创新的工艺设计来进一步提高能效。Altena 污水处理厂（35,000 p.e.）就是一个典型的例子，该污水处理厂最近一次扩建是在 1982 年至 1984 年期间，扩建内容包括更先进的营养盐去除技术。随着工业污染负荷的大幅下降和集水区人口的减少，该污水处理厂现在明显过于庞大。此外，机械和电气工程也必须彻底更新。一项经济可行性研究表明，建造一座新的污水处理厂更为经济，也更能适应未来 20,000 p.e 的较小处理能力。最终，Nereda好氧颗粒污泥被选为新建的工艺，这是工艺首次在德国使用。决定性因素不仅包括其创新性和可观的节能预期（与之前的设备运行相比至少节能 30%），还包括有限的可用空间。该厂于 2022 年 9 月投入使用。图：Nereda®-Verfahren – Ruhrverband由于曝气和混合占污水处理厂总耗电量的 70%，因此鲁尔水务实施了全面监控，以密切跟踪这些工艺步骤的能效，并在必要时采取措施优化污水处理厂的运行。作为该项目的一部分，20 家最大的污水处理厂都配备了专门的监测手段，以便进行监控。其中包括曝气和混合的单独功率测量、进气系统各点的压力测量以及空气体积流量测量。得出曝气和混合的关键能效数据，从而对能效进行持续评估，作为运行控制的一部分。由于采取了上述措施，鲁尔水务污水处理厂的能效和可再生能源发电量都得到了大幅提高，从而在 2023 年实现了能源中和。除季节性电量外，可以不从外部购买电力。然而，鲁尔水务的目标远不止于此。随着更多光伏系统的加入，他们不仅希望实现年度电力平衡，还希望全年每天都能自给自足。实现这一目标的一个重要前提是管理电力平衡。在鲁尔水务，所有的水力发电厂（只要不向污水处理厂输送电力）以及热电联产发电厂（如果发电量超过了污水处理厂的用电量）都向周边区域供电。由于目前一些污水处理厂的发电量超过了其消耗量，这些剩余的能源可以在其他地方得到很好的利用。这样，鲁尔水务就可以在很大程度上弥补购电成本的预期增长，并稳定公司成员的长期财务贡献。LET2024: 19th IWA Leading Edge Conference on Water and Wastewater TechnologiesPathways to energy neutrality: a German case study of the Ruhrverbandhttps://www.thesourcemagazine.org/pathways-to-energy-neutrality-a-german-case-study-of-the-ruhrverband/
