钱福娜 张德同

1中国城市建设研究院有限公司山东分院 2济南市市政工程设计研究院（集团）有限责任公司

水资源和能源之间的关系对于可持续发展至关重要。污水处理厂在水与能源的相互作用中发挥着核心作用，通过消耗能源以消除污染并减少对天然水体的危害。但大多数的能源来自化石燃料，容易导致全球气候的变暖。污水处理厂是重要的能源消耗者，虽然有许多节能技术，但没有一种能满足所有需求。而能源又是仅次于劳动力的第二大运营支出，因此对于污水厂的长期运营来说，降低消耗和成本至关重要。污水处理厂的碳中和通常与能源中和有关，升级现有的污水处理厂可以实现能源自给自足，具有适度的技术经济影响，特别是初级沉淀和厌氧消化等工艺。为优化能源使用，需要定期监控并确定需要改进的领域。

1 降低能耗的方法

能源是污水处理厂的一项重要开支，通过减少购买的能源，可以有效降低运行成本和碳排放并提高可持续性。目前有两种主要的方法可以最大限度地减少功耗，包括对工厂不同工段的操作改造和使用更少能源的创新处理工艺。

1.1 改良曝气控制系统

自动控制曝气过程对于通过调节反应器条件实现节能至关重要。曝气池中生物过程所需的氧气量遵循昼夜模式，早晚需求高峰，午夜需求低点，与进水有机物和氨负荷成正比。较低的溶解氧(DO)设定点可以减少曝气能量和GHG排放，但过度减少会增加N2O的产量并抵消任何节省，峰值与最小需氧量之比通常为2:1。

与手动控制相比，适当的DO和曝气控制可节省25%至40%的能源。DO控制根据氧气需求调节气流，从而节省曝气并实现更先进的策略。用于氨、硝酸盐和亚硝酸盐的新型传感器带来了先进的曝气控制，例如基于氨和氨/硝酸盐的控制。

1.2 通过技术升级和工艺节约能源

由于硝化作用的需氧量，将氨转化为氮需要高能量。另一种方法是自养脱氨，可以实现更低的能耗。这个过程不需要有机碳源，使用的曝气能量不到传统方法的一半。如果将富含有机碳的部分用于沼气生产，则剩余的有机碳不足以进行常规硝化/反硝化，因此建议使用部分硝化/厌氧氨氧化工艺进行脱氮。

厌氧氨氧化是一种自养氨去除工艺，产生于20世纪90年代中期，并因其潜在的工程应用而得到广泛研究。尽管厌氧氨氧化过程需要较少的能量，但与硝化细菌相比，厌氧氨氧化细菌的生长非常缓慢。在20℃时，生长缓慢和快速的物种的最大生长速率分别为0.019~0.08和0.13~0.14/d，而硝化细菌的最大生长速率明显更高（＞2/d）。

与传统的硝化-反硝化工艺相比，氨氧化菌与厌氧氨氧化相结合，脱氮效率高达70%～90%，曝气能量减少65%，且无需补充碳。脱氨工艺已被证明可以降低废水处理厂的总能耗，例如奥地利的Strass工厂，在从硝化/反硝化转换为脱氨后，能耗降低了12%。该过程还产生较少的残余污泥，并可增加沼气中的甲烷含量。在一项研究中，与传统处理方法（30kWh/PE）相比，使用ANAMMOX的全面主流生产线需要的能量减少44%（17kWh/PE），并且每年增加12kWh/PE的电能产量。

2 提高能量回收率的方法

有几种类型的技术可以在整个WWTP中回收能量。回收的能量可分为三类，包括化学能、热能和水能。

2.1 化学能回收

污水含有主要储存在有机化学品中的热能。当COD水平在250~1000mg/L之间时，假设COD为12M～15MJ/kg，则废水的平均热值约为1.5kWh/m3。在生化处理过程中，有机物的化学能转化为生物质能。回收化学能涉及将废水成分转化为气态、液态或固态燃料。

在中温厌氧消化工艺中，污水污泥产生的沼气主要由甲烷（60%~67%）和二氧化碳（30%~40%）组成，含少量氮、硫化氢和其他成分。沼气中的甲烷部分是一种宝贵的燃料，经过调节后，可以替代天然气满足许多能源需求。通过化学计量法，在标准条件（0℃）下，甲烷的COD当量可确定为0.35 m3CH4/kg COD，而在35℃下的理论换算系数为0.4 m3CH4/kgCOD。

厌氧消化在大于22000m3/天的污水处理厂中更为常见，因为在较大的污水处理厂中，由于可用于消化的污泥量较大，厌氧消化装置更为有利。有研究通过厌氧消化从农业废弃物中生产沼气并在热电联产厂中热电联产的系统的生命周期环境影响。结果表明，与化石燃料替代品相比，这可以显著减少大多数影响，包括全球升温潜能值，可降低50%。

厌氧膜生物反应器是传统厌氧消化的升级版，显着减少了反应器体积和占地面积。据报道，该技术可减少65%~80%的体积。厌氧膜生物反应器系统产生的可用电能范围为0.15～0.3 kWh/m3，可以回收总能耗的很大一部分，甚至在某些情况下抵消能源需求。

2.2 热能回收

废水处理厂可以使用各种技术从流入废水的温度中回收热能，包括使用热泵收集热能。对于废水中每10 K的温差，就有41.9 MJ/m3的可用热能。与地下水、地热或室外空气等传统来源相比，废水由于来自洗碗机、淋浴和工业厂房等温暖来源，因此表现出相对较高的温度。回收的热能可用于供热需求充足的区域供暖和供冷，甚至用于低温污泥干化应用。

废水热回收是一种高效且具有成本效益的技术，但往往被忽视。在奥地利，这种方法最多可将空间供暖减少17%。在较大的城镇，主要下水道可以提供大量废水作为能源，且可以改造热交换器和热泵以使用下水道热源。这种方法对于大规模的污水处理厂来说特别经济。直径大于0.8m的下水道适宜使用，热力用户必须在周边。对于较小的热容量，最大距离为200m，而热泵或用户可以位于距离较高容量下水道2km的地方。

3.3 水能回收

在污水处理厂设计水力发电厂时，需要考虑的两个基本参数是出口流量和水头压力。流量受各种因素的季节性影响，导致显着变化。尽管位于污水处理厂出水口的小型低水头水力发电厂产生的能源很少（仅占工厂能源需求的1%），但它仍然是一项值得投资的项目，因为它可以全年运行。一项研究表明，在废水处理厂的出口处使用水轮机进行能量回收可以提高该行业的可持续性。污水处理厂的水力发电可能面临水头不足、流量波动以及由于废水颗粒物堵塞或损坏导致的涡轮机故障等障碍。经济可行性还取决于高流量或政府激励措施。

3 可再生能源的外部来源

3.1 太阳能

事实证明，在污水处理厂中采用光伏系统是一种可行且可持续的能源生产解决方案。安装在污水处理厂屋顶的96kMW伏系统可产生150.7MWh的电力，而现有建筑物中的混合光伏系统最多可满足总能源需求的2%。一项理论研究表明，我国污水处理厂近80%的电力消耗可由单晶光伏电池产生。要完全满足处理厂的能源需求，将需要近9000m2的光伏发电，但必须考虑成本和占地面积。此外，水的冷却特性提高了光伏板的性能，并结合此类系统减少了工厂的占地面积。因此，将光伏系统纳入污水处理厂是一种可持续的能源生产解决方案。

3.2 有机废物共消化

共消化是一种向污泥消化池中添加少量共底物的过程，可显着提高沼气产量40%～200%。浮选污泥、脂肪含量、食物残渣、蛋白质废物等的添加很常见，共底物添加率通常在5%～20%之间。然而，在现有废水处理厂中实施共消化可能需要额外的预处理和后处理设备，具体取决于生物废物的浓度和流变学。科赫等。建议将原料污泥与高达35%的食物垃圾（基于挥发性固体含量）进行共消化，这可能会导致更高的甲烷产量，因为与未经处理的污水污泥相比，食物垃圾产生的甲烷更高。根据生命周期评估，与化石燃料替代品相比，通过厌氧消化和热电联产从农业废物中生产沼气的系统可以显着减少环境影响，包括全球变暖潜能值，最多可减少 50%。

4 结语

通过分析可知，将鼓风机关闭超过25%的时间可以显着降低能源使用，同时保持相同的废水排放标准。升级技术，如实施新的脱氮途径，可以将曝气能源需求减少60%以上。为了有效地回收未经处理的废水中的大量潜在化学能，推荐使用厌氧消化。虽然太阳能电池板等清洁能源正在开发中，但与污水处理厂的总能源需求相比，它们产生的能量仍然较低。