水和能源是不可分割的，應(yīng)該作為一個(gè)整體的考慮，關(guān)于生產(chǎn)水需消耗的能源，李濤博士給出了這樣一則數(shù)字：美國水系統(tǒng)能耗占全社會(huì)總能耗4%~5%, 英國3%，以色列10%，中國為1%。 美國加州因?yàn)橛斜彼险{(diào)的項(xiàng)目，約20%的電耗與水有關(guān)。水處理過程中10%~35%的成本與能耗有關(guān)。在水務(wù)公司中，能源成本居運(yùn)行成本第二位。

隨著水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的提高，水處理系統(tǒng)的能耗將進(jìn)一步增加。而目前，世界范圍內(nèi)缺乏對(duì)水末端處理利用能耗的標(biāo)準(zhǔn)或法規(guī)，這一領(lǐng)域的研究還在不斷發(fā)展進(jìn)行中。

圖1 水和能源的流向示意圖

水系統(tǒng)中與能源有關(guān)的熱點(diǎn)問題

供水和排水系統(tǒng)中如何節(jié)能

節(jié)水技術(shù);

供水管網(wǎng)的壓力管理與漏損控制;

自動(dòng)化控制技術(shù)(如：變頻，新型傳感器) ;

污水處理新技術(shù)的應(yīng)用(如：厭氧氨氧化Annamox) ;

非傳統(tǒng)水資源的利用(雨水、污水回用等) 。

能源回收

以家庭為單位的熱能回收(如洗浴水) ;

污水系統(tǒng)中熱能回收(水源熱泵) ;

污水中有機(jī)質(zhì)產(chǎn)能(Biogas) 。

能源自給的污水處理廠

節(jié)能技術(shù);

新能源應(yīng)用;

產(chǎn)能。

節(jié)能主流技術(shù)

供水管網(wǎng)管理

計(jì)量分區(qū)管理，有效減低系統(tǒng)壓力，降低管網(wǎng)物理漏失;壓力控制，降低爆管幾率，延長(zhǎng)管網(wǎng)使用壽命。水十條對(duì)規(guī)定了中國各大自來水公司要求達(dá)到12%以下的漏損指標(biāo)，建設(shè)部委正在申報(bào)新的官網(wǎng)漏控標(biāo)準(zhǔn)，供水官網(wǎng)的壓力管理與漏損控制是未來3~5年中國供水行業(yè)關(guān)注的焦點(diǎn)。

精確曝氣復(fù)合控制技術(shù)

一般活性污泥法中，曝氣約占系統(tǒng)總能耗的50%~70%。利用溶解氧、氨氮傳感器的組合，可有效降低10%~30%實(shí)際運(yùn)行中的曝氣量，技術(shù)路線圖見圖2。

厭氧氨氧化

厭氧氨氧化技術(shù)適合C/N低的情況(如食品、發(fā)酵行業(yè))。因?yàn)榻档土似貧饬?，幾乎無碳源(無需外加甲醇)消耗，故曝氣量降低60%，污泥量降低80%，加堿量降低50%，GHG排放降低90%。目前厭氧氨氧化在中國還沒有大量的應(yīng)用，但中國概念污水處理廠的研發(fā)團(tuán)隊(duì)也在嘗試運(yùn)用這個(gè)技術(shù)。理論上，主流厭氧氨氧化+厭氧消化能讓污水廠實(shí)現(xiàn)能耗自給。

好氧顆粒污泥

好氧顆粒污泥優(yōu)異的沉降性能有益于保持更多的微生物量、更高的微生物濃度、更合理的微生物群落結(jié)構(gòu)、更強(qiáng)的抗沖擊負(fù)荷的能力、顯著降低占地面積。好氧顆粒污泥系統(tǒng)比傳統(tǒng)活性污泥系統(tǒng)的能耗降低了50%~60%。

正滲透“低能耗”海水淡化

正滲透技術(shù)是近幾年世界范圍內(nèi)開始關(guān)注并投入應(yīng)用的一種新的水處理工藝，相比反滲透技術(shù)而言，正滲透由于在水處理過程中不需要反滲透那樣的加壓過程，因此，可以實(shí)現(xiàn)工業(yè)污水的零排放和海水淡化的低成本運(yùn)行，從而達(dá)到高效、節(jié)能和環(huán)保。

新型脫鹽膜材料

水通道蛋白膜具有高選擇性，透水性100倍于RO膜;擁有0.28?nm孔徑，幾乎是單個(gè)水分子的尺寸。AqpZ蛋白可在4℃下儲(chǔ)存數(shù)月，但在持續(xù)使用中很難保持穩(wěn)定性。

碳納米管通道孔徑為0.47?nm，幾乎可100%脫鹽;理論通量是RO的10倍。

石墨烯膜具有快速輸水性能和良好的機(jī)械性能，透水性比RO高兩個(gè)數(shù)量級(jí)。

產(chǎn)能主流技術(shù)

微生物燃料電池

微生物燃料電池(Microbial fuel cell, MFC)是一種以產(chǎn)電微生物為陽極催化劑將有機(jī)物中的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能的裝置，在廢水處理和新能源開發(fā)領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。微生物燃料電池(MFCs)提供了從可生物降解的、還原的化合物中維持能量產(chǎn)生的新機(jī)會(huì)。在缺乏電力基礎(chǔ)設(shè)施的局部地區(qū)，MFCs具有廣泛應(yīng)用的潛力，同時(shí)也滿足了能源需求的燃料的多樣性。

厭氧膜生物反應(yīng)器

厭氧膜生物反應(yīng)器(AnMBR)技術(shù)結(jié)合了膜生物反應(yīng)器和厭氧生物處理技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，具有污泥濃度高、耐沖擊負(fù)荷能力強(qiáng)、泥齡長(zhǎng)、污泥停留時(shí)間(SRT) 和水力停留時(shí)間(HRT)可完全分離、產(chǎn)泥率低、占地面積小、工藝設(shè)備集中等特點(diǎn)。在處理高濃度廢水、低能耗運(yùn)行方面具有好氧膜生物反應(yīng)器無法替代的優(yōu)勢(shì)，已成為國外相關(guān)研究機(jī)構(gòu)的研究重點(diǎn)之一，近年來在國內(nèi)也開始了相關(guān)方面的技術(shù)開發(fā)應(yīng)用。

厭氧消化

污水有機(jī)質(zhì)蘊(yùn)含能量值13~15?kJ/kg COD，按每人每天排110 g COD計(jì)算，每人每年排入污水中的能量約為150 kWh，相當(dāng)于18 W/人(而處理污水的能耗約5~7 W/人)。

生物沼氣中一般含有55%~75% 的CH4，1?m3生物沼氣的能量相當(dāng)于8kWh電能，約為1.1?L汽油、1.3?kg木炭或0.94?m3的天然氣。生物沼氣后續(xù)通過熱電聯(lián)產(chǎn)(CHP)轉(zhuǎn)化效率約為35%~40%，即1?m3生物沼氣能產(chǎn)生3?kWh電。

污泥預(yù)處理技術(shù)

目前對(duì)污泥處理多采用厭氧消化的方法，污泥預(yù)處理技術(shù)(THP)可破碎污泥絮體和污泥細(xì)胞膜(壁)，使?fàn)I養(yǎng)物質(zhì)得以釋放，加快整個(gè)厭氧消化過程。

THP 增加污泥的可降解性，降低后續(xù)厭氧停留時(shí)間，提高后續(xù)厭氧處理的生物沼氣產(chǎn)量。

THP 顯著降低污泥量，提高污泥的脫水性能;殺滅病原菌。

THP 提高后續(xù)厭氧消化系統(tǒng)出水的總氮含量，有利用厭氧氨氧化工藝的應(yīng)用。

非傳統(tǒng)水資源利用優(yōu)秀案例

節(jié)能與水資源利用關(guān)系著社會(huì)環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展，多渠道開發(fā)并綜合利用水資源，如雨水收集、污水回用及海水利用等，充分提高水資源的綜合利用率。

美國加州地下水回灌項(xiàng)目

美國加州的污水處理廠是第一個(gè)應(yīng)用反滲透技術(shù)的水廠(1976年)，2008年開始運(yùn)行地下水補(bǔ)給系統(tǒng)(Groundwater Replenishment System，GWRS)，是現(xiàn)在世界上最大的回用水間接用于飲用水的污水凈化系統(tǒng)。 2015年地下水補(bǔ)給系統(tǒng)的總產(chǎn)水量達(dá)到37.9萬m3/?d。

納米比亞污水回用直飲

溫得和克是納米比亞的首府，位于納米比亞中心高地，離此最近的常年河流在750?km外，為了解決旱季嚴(yán)重缺水的問題，1968年溫得和克建造了一座產(chǎn)量為4?800?m3/d的再生水廠，成為世界第一個(gè)市政污水回用做直接飲用水項(xiàng)目，處理后的城市污水經(jīng)過一系列復(fù)雜的處理達(dá)到飲用的程度。

從1968年以來，回用水占溫得和克總供水量的4%。但是在旱季嚴(yán)重缺水的季節(jié)，回用水所占的比例可以達(dá)到31%?；赜盟渌巴珿oreangab水處理廠的處理后的水相混合，旱季時(shí)最大的混合比為1:1，1968年以來平均的混合比為1:3.5。從Goreangab水處理廠來的混合水再同來自幾個(gè)其他水源水庫的水相混合，所以通常情況下，回用水在任何時(shí)期和任何區(qū)域所占的最大比例是25%。

運(yùn)行30年中，水廠一直穩(wěn)定地生產(chǎn)出可接受的飲用水水質(zhì)的回用水。經(jīng)過幾次的擴(kuò)建，水廠的現(xiàn)行的產(chǎn)水量已經(jīng)達(dá)到21?000?m3/d。

新加坡的新生水

新加坡的新生水于2002年面市，自2003年以來，新生水就直接作為非飲用水主要供應(yīng)給工商業(yè)用戶用于晶片制造、電子業(yè)、冷氣冷卻等用途，對(duì)新生水的需求從2003年的400萬加侖/d(約18?200?m3/d)激增至2011年的6?000萬加侖/d(約273?000?m3/?d)，提高了15倍。目前新生水能滿足新加坡30%的工業(yè)用水需求。飲用水的替代方面，新加坡是將新生水注入蓄水池，和天然水混合后輸往自來水廠,經(jīng)進(jìn)一步處理后成為飲用水，這部分大約占飲用水的1%。預(yù)計(jì)至2060年，新加坡未來供水需求的一半將由新生水提供。

香港海水沖廁

目前香港海水供應(yīng)網(wǎng)絡(luò)已覆蓋大約八成香港人口，每年節(jié)省2.7億m3飲用水。海水沖廁不但可以節(jié)省珍貴的淡水資源，同時(shí)也會(huì)減低電能的消耗。目前供應(yīng)飲用水的用電量為每立方米0.57度，而海水只是每立方米0.39度，所以海水沖廁也是一項(xiàng)節(jié)能的環(huán)保措施。2015年3月，香港新界西北區(qū)海水供水系統(tǒng)正式啟用。供水范圍覆蓋屯門東、元朗及天水圍，約70萬名居民可用海水沖廁，每年可進(jìn)一步節(jié)省約2?000萬m3食用水。

由于海水沖廁技術(shù)在香港的大規(guī)模應(yīng)用，產(chǎn)生含一定量硫酸鹽的高鹽城市污水，使得其有機(jī)物(COD)與硫酸鹽(SO42-)的比例為1.3~2.4，提供了通過硫酸鹽還原過程實(shí)現(xiàn)快速厭氧去除有機(jī)物的可能性。受此啟發(fā)，香港科技大學(xué)陳光浩教授提出了基于異養(yǎng)硫酸鹽還原、自養(yǎng)反硝化、硝化反應(yīng)一體化的高鹽城市污水處理的新工藝——SANI工藝，目前已進(jìn)入產(chǎn)業(yè)化示范項(xiàng)目階段。SANI工藝通過巧妙地利用含硫化合物作為電子載體，引入了硫循環(huán)把碳循環(huán)、氮循環(huán)結(jié)合起來，完成對(duì)去碳、氮和磷的去除，SANI工藝的污泥產(chǎn)率僅為0.64?kg/d，實(shí)現(xiàn)了污泥減量90%。與傳統(tǒng)活性污泥法工藝-污泥消化處理聯(lián)用相比，SANI工藝可以節(jié)省能耗35%，減少溫室氣體排放36%。

青島半集中式綜合處理項(xiàng)目

2014年，由同濟(jì)大學(xué)、青島理工大學(xué)和德國達(dá)姆施塔特工業(yè)大學(xué)聯(lián)合開發(fā)的“中德合作分質(zhì)水處理及資源化示范項(xiàng)目”在青島市園藝博覽會(huì)世園村區(qū)域建成，項(xiàng)目是全球第一個(gè)基于“半集中式綜合處理”理念建設(shè)的示范工程項(xiàng)目。在同一個(gè)處理站內(nèi)集成實(shí)現(xiàn)生活污水源分離、污水分質(zhì)處理與再生利用、污泥與生物垃圾聯(lián)合能源化和資源化等功能，體現(xiàn)廢物和廢水資源化利用、節(jié)能和減碳等目的。所謂“半集中式綜合處理”是指通過源頭分離+分質(zhì)處理的模式，針對(duì)傳統(tǒng)集中式供排水處理模式的局限性，在一定區(qū)域內(nèi)將生活污水源分離，分類收集處理和再生利用，污水處理產(chǎn)生的污泥與廚余生物垃圾協(xié)同厭氧消化產(chǎn)生物質(zhì)能源，利用余熱發(fā)電;厭氧消化穩(wěn)定后的固體不含有毒有害成分，可直接農(nóng)用、園林綠化等。

污水廠邁向能耗自給

近幾年，行業(yè)內(nèi)都在未來污水廠的發(fā)展趨勢(shì)，很多國家都計(jì)劃實(shí)現(xiàn)污水廠能耗的100%自給，無需外部電網(wǎng)的供給，甚至可以將污水廠變?yōu)楫a(chǎn)能廠。

可能的路徑

李濤博士認(rèn)為，污水廠邁向能耗自給可能的路徑有：

節(jié)能10%~20%，曝氣過程中良好的氣泡控制，能源節(jié)約型發(fā)動(dòng)機(jī)和機(jī)泵。

可再生能源提供5%~10%的能源，廣泛應(yīng)用風(fēng)能、太陽能、地?zé)崮艿取?/p>

污水流提供2%~10%的能源，如來自水利渦輪機(jī)、蒸汽泵、污水管內(nèi)熱交換器等設(shè)備。

通過厭氧污泥分解工藝，預(yù)處理污泥以提高分解性能，使其提供60%~80%的能源。

成功案例

As Samra污水處理廠是約旦最大的污水處理廠，約旦全國70%的污水都在此進(jìn)行處理。As Samra污水處理廠生產(chǎn)高品質(zhì)的回用水，符合各項(xiàng)國際出水標(biāo)準(zhǔn)。被用于農(nóng)業(yè)灌溉的回用水占到了約旦全國用水量的10%，大大緩解了約旦的淡水短缺壓力。

As Samra處理廠對(duì)資源和能源進(jìn)行了回收和利用，成為了世界上最早實(shí)現(xiàn)能源高效回收的污水處理廠之一：通過生產(chǎn)水電和生物沼氣，處理廠每天可以生產(chǎn)約23萬kW/h的綠色能源，能源回收率高達(dá)80%，僅20%的工廠用電需從國家電網(wǎng)中獲取;生產(chǎn)可再生能源每年還可以可以減少30萬t的碳排放。

具體采取的措施是污水處理廠在進(jìn)出口處安裝了水輪機(jī)，將水流的能量轉(zhuǎn)化成為電能。10個(gè)1?000?kW熱電聯(lián)產(chǎn)單元將生物沼氣轉(zhuǎn)化成電能和熱能。

奧地利STRASS污水廠也是一個(gè)實(shí)現(xiàn)能源自給的典型案例。污水中蘊(yùn)含的能量遠(yuǎn)高于處理污水所需的能耗。STRASS污水廠采用兩段生物系統(tǒng)的AB工藝，A階段可以去除55%~65%的有機(jī)物負(fù)荷，固體污泥停留時(shí)間少于半天。B階段的固體污泥停留時(shí)間約為10天，這樣可以去除80%的氮。從2004年開始，污水廠在側(cè)流中利用在厭氧氨氧化DEMON?工藝去除氨氮。通過污泥厭氧消化生產(chǎn)生物沼氣。在熱電聯(lián)產(chǎn)(CHP)單元中采用全新發(fā)動(dòng)機(jī)可以提高使用效率和電機(jī)效率，這也是是實(shí)現(xiàn)產(chǎn)能的重要因素，新機(jī)組可以達(dá)到40%的天然氣—電能轉(zhuǎn)化率。

結(jié)語

李濤博士在演講中提到，隨著水處理工藝技術(shù)的不斷更新?lián)Q代，人們逐漸改變對(duì)污水處理廠這個(gè)“能耗大戶”的看法，通過應(yīng)用一系列新的理念和技術(shù)，以水質(zhì)永續(xù)、能量自給、資源回收及環(huán)境友好為目標(biāo)，滿足水環(huán)境變化和水資源可持續(xù)循環(huán)利用的需要、大幅提高污水處理廠能源自給率、減少對(duì)外部化學(xué)品的依賴與消耗，這是污水處理廠未來發(fā)展的方向。