绿氢副产氧在污水处理厂曝气中的技术经济分析：协同增效与成本优化路径

《Advances in Applied Energy》：Utilizing oxygen from green hydrogen production in wastewater treatment plant aeration: A techno-economic analysis

本研究针对绿氢电解副产氧的利用难题，创新性地提出将其用于污水处理厂（WWTP）曝气过程以替代传统鼓风供氧。通过构建涵盖可再生能源供电、电解槽、氢氧储存运输及WWTP曝气系统的综合模型，研究发现电解氧可降低曝气成本高达68%，若将节余收益计入氢系统，相当于降低氢气供应成本0.39 EUR/kgH2。研究进一步指出，经济可行性受制于氢气运输距离（应≤25 km）与氢-水处理规模匹配度，为大中型WWTP（≥50万人口当量）的能源协同优化提供了关键决策依据。

　　

随着全球碳中和进程的加速，绿氢作为清洁能源载体备受关注。水电解制氢过程中每生产1公斤氢气会伴生约8公斤氧气，若直接排空不仅造成资源浪费，还会增加碳足迹。与此同时，污水处理厂（Wastewater Treatment Plant, WWTP）作为能耗大户，其曝气环节占全厂电耗的50%–80%，传统鼓风曝气效率低下且成本高昂。如何将绿氢生产的副产氧与WWTP的氧需求有机结合，成为能源与环保交叉领域的新课题。

为解决这一难题，来自德国汉诺威莱布尼茨大学的Levin Matz研究团队在《Advances in Applied Energy》发表了题为“Utilizing oxygen from green hydrogen production in wastewater treatment plant aeration: A techno-economic analysis”的研究论文。该研究通过构建涵盖可再生能源供电、水电解、氢气压缩储存运输、WWTP曝气系统的综合模型，首次系统量化了电解氧替代传统曝气的技术经济潜力。

研究团队采用模型构建与优化相结合的技术方法：首先建立包含光伏/风电、电解槽、氢氧储存、管道运输、曝气鼓风机等组件的物理模型；其次运用基于Modelica的方程建模语言实现系统动态仿真；最后采用粒子群优化算法（GPSO）对系统配置进行多目标优化，以最小化年度总成本为目标函数。关键参数依据2035年技术成熟度设定，包括电解槽成本（1123.85 EUR/kW）、风电/光伏成本曲线等，并采用德国地区实际可再生能源发电时序数据。WWTP氧需求数据基于人口当量（Population Equivalent, PE）生成的典型负荷曲线，覆盖10万–200万PE规模。

3.1 50万PE污水处理厂曝气系统设计与成本分析

通过对比六种电解氧集成方案（改造/新增曝气器、配备储氧罐等），发现当氢气年产量达10千吨时，电解氧可满足90%以上曝气需求，使曝气总成本降低68%。新增高效曝气器（氧传递效率50%）在低氢产量时优势明显，而改造现有曝气器（效率25%）在高氢产量时更经济。储氧罐仅在氢产量<5千吨/年时具有边际效益。

3.2 污水处理厂规模的影响

将分析扩展至10万–200万PE的WWTP，发现规模效益显著：大型WWTP（≥100万PE）的单位人口当量曝气成本可降低至1.5 EUR/PE/年。主要因大型设施固定成本分摊更低，且高氧需求可更充分消纳电解氧。

3.3 氢气供应成本优化

当电解氧收益反哺氢系统时，氢气成本最大降幅达0.39 EUR/kgH₂（对应200万PE+2千吨/年氢产量）。但成本降低曲线与氢产量呈非线性关系：过高的氢产量会导致氧利用率下降，反而削弱收益。

3.4 氢气运输距离的制约

经济可行性高度依赖WWTP与氢主干网（European Hydrogen Backbone, EHB）的距离。当运输距离≤25公里时，大型WWTP（≥50万PE）可实现净收益；若距离超过50公里，仅150万PE以上规模才可能盈利。

该研究首次揭示了绿氢-WWTP协同系统的规模匹配规律：只有当氢气生产规模与污水处理厂氧需求高度匹配（建议氢产量10–20 kgH₂/PE/年），且运输距离控制在25公里内时，才能实现经济效益最大化。这一结论为市政基础设施与氢能产业的协同规划提供了量化依据，尤其对欧洲正在推进的氢主干网布局具有现实指导意义。未来研究需结合具体厂址参数开展案例验证，并进一步评估动态氧传递效率、混合能耗等不确定因素的影响。