概述：污水處理是能耗密集型行業(yè)，消耗的能源主要包括電、燃料及藥劑等，電耗占總能耗的60~90%。目前，全美大約有16000座污水處理設(shè)施，共消耗約1~4%的國(guó)家電能，地區(qū)間會(huì)有一定的不同，總的耗電量是4000萬(wàn)兆瓦/年，美國(guó)的平均電價(jià)（2009年9月）是7.18美分/kWh，2009年用于污水處理方面的電費(fèi)約28億美元。（WERF，2010）。
目前，中國(guó)的污水處理廠(chǎng)約3000多座，能耗約占全社會(huì)用電量的0.2%左右，隨著國(guó)家對(duì)耗能型大戶(hù)（鋼鐵、水泥行業(yè)）的控制發(fā)展，中國(guó)污水處理廠(chǎng)的能耗占全社會(huì)的用電量的比例也將逐步和美國(guó)的水平接近，污水處理系統(tǒng)能耗占全社會(huì)用電量的比例將會(huì)不斷提高。高能耗一方面導(dǎo)致污水處理成本升高，加劇了當(dāng)前的能源危機(jī)，另一方面致使一些中小型污水處理廠(chǎng)難以運(yùn)行，污水處理廠(chǎng)的減排效益得不到正常的發(fā)揮。
目前，污水在世界范圍內(nèi)被廣泛認(rèn)為是一種可再生能源，污水中所蘊(yùn)含的能量通常是其處理所需能量的2~4倍（Techobanoglous, 2009），在某些情況下可達(dá)到10倍左右，從污水中回收能源可以獲得可觀(guān)的收益。美國(guó)預(yù)計(jì)在2025年，全國(guó)電力消耗的25%將由可再生能源供給。
1、前沿生物處理技術(shù)
（1）厭氧氨氧化
厭氧氨氧化技術(shù)室上世紀(jì)90年代發(fā)展起來(lái)的一種新型高效生物脫氮技術(shù)。與傳統(tǒng)生物脫氮技術(shù)相比厭氧氨氧化技術(shù)有諸多的優(yōu)點(diǎn)：
-
可以減少63%的供氧量；
-
減少90%的碳源需求；
-
污泥產(chǎn)量更低；
-
可以減少90%的溫室氣體排放；
厭氧氨氧化技術(shù)在側(cè)流方面的應(yīng)用已經(jīng)非常成熟，在歐洲和北美已有數(shù)十座污水處理廠(chǎng)采用了這一技術(shù)。
目前，國(guó)際上由美國(guó)的DC Water、Hampton Roads SanitationDistrict (HRSD)以及奧地利的AIZ組成了一個(gè)國(guó)際性的合作研究團(tuán)隊(duì)，該團(tuán)隊(duì)主要對(duì)厭氧氨氧化技術(shù)在主流工藝上的應(yīng)用進(jìn)行研究。與側(cè)流不同，主流的水質(zhì)特點(diǎn)是溫度較低，且氮的濃度較低，這對(duì)于厭氧氨氧化技術(shù)的應(yīng)用帶來(lái)了巨大的挑戰(zhàn)。
（2） 好氧顆粒污泥技術(shù)
傳統(tǒng)活性污泥工藝至今已有100年的歷史，其占地面積大、能耗高、易污泥膨脹、脫氮除磷設(shè)計(jì)復(fù)雜都是固有的缺陷。好氧顆粒污泥技術(shù)的污泥沉降性能好、污泥濃度高、脫氮除磷效果好、能耗低、建設(shè)和運(yùn)行成本都很低。
2、厭氧消化
厭氧消化是一項(xiàng)古老的技術(shù)，最早可追溯至1850年。在美國(guó)和歐洲的大型污水廠(chǎng)，污泥厭氧消化是常見(jiàn)的污泥處理工藝。在美國(guó)16000多座污水處理廠(chǎng)中，大約有25%的污水處理廠(chǎng)采用了厭氧消化技術(shù)。厭氧消化的主要目的是為了對(duì)有機(jī)物實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定化、回收能源，并同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)臭味、病原菌的一定去除。
污泥厭氧消化典型的能源回收量可以占到污水處理廠(chǎng)所需能量的20~40%，具體的水平取決于處理技術(shù)和處理水平。美國(guó)的數(shù)據(jù)表明，厭氧消化產(chǎn)生約0.075m3沼氣/m3污水，沼氣的含量一般為40~75%，通常是60%，熱值可以達(dá)到22000kJ/m3。
（1）熱電聯(lián)產(chǎn)
通過(guò)熱電聯(lián)產(chǎn)的方式回收沼氣中的能源是常見(jiàn)的方式，下表反映的是沼氣利用的熱能與電能的轉(zhuǎn)化效率，這些技術(shù)通常的電能效率是30%左右。在處理規(guī)模在8萬(wàn)m3/d的污水處理廠(chǎng)，能量回收的性?xún)r(jià)比通常是合適的。
通過(guò)厭氧消化的方式還可以降低污水處理廠(chǎng)的碳足跡，采用沼氣回收發(fā)電可以降低污水處理廠(chǎng)碳足跡的20~40%。
（2）厭氧消化預(yù)處理
厭氧消化的預(yù)處理技術(shù)也是提高節(jié)能的重要舉措，如熱水解、聚焦脈沖、超聲波等技術(shù)。美國(guó)DC Water運(yùn)行著華盛頓的Blue Plain污水處理廠(chǎng)，該廠(chǎng)的處理規(guī)模是151萬(wàn)m3/d，是全世界最大的污水深度處理廠(chǎng)。該廠(chǎng)通過(guò)污泥熱水解、污泥厭氧消化以及熱電聯(lián)產(chǎn)技術(shù)將污泥的產(chǎn)量降低了50%，產(chǎn)生了14兆瓦的電能，污泥達(dá)到了美國(guó)環(huán)保局要求的A類(lèi)污泥標(biāo)準(zhǔn)。
（3）協(xié)同消化
在污泥厭氧消化領(lǐng)域，一個(gè)明顯的趨勢(shì)是協(xié)同消化，協(xié)同消化是將餐廚垃圾、油脂等高濃度廢物投入?yún)捬跸�，提高沼氣產(chǎn)量。這種技術(shù)方式在歐美發(fā)達(dá)國(guó)家已經(jīng)成為一種成熟的技術(shù)，美國(guó)加州的EBMUD污水處理廠(chǎng)、艾奧瓦州的Des Moines污水處理廠(chǎng)、紐約州的Gloversville-Johnstown污水處理廠(chǎng)、加州的Inland Empire污水處理廠(chǎng)、威斯康辛州的Sheboygan 污水處理廠(chǎng)都采用了這種技術(shù)方式。
3、曝氣節(jié)能技術(shù)
曝氣能耗是污水處理廠(chǎng)的主要能耗，通常占污水處理廠(chǎng)總能耗的35~60%，由于曝氣能耗所占的比例最高，因此也是節(jié)能的關(guān)注熱點(diǎn)。無(wú)論是設(shè)計(jì)還是運(yùn)行，曝氣供氧量盡可能地接近于實(shí)際需氧量是無(wú)疑是節(jié)能的主要目標(biāo)，由于污水處理廠(chǎng)的進(jìn)水負(fù)荷以及生物處理工藝的固有特征，曝氣的實(shí)時(shí)控制顯得尤為重要，其對(duì)節(jié)能的影響也是不言而喻的。
曝氣節(jié)能技術(shù)主要包括自動(dòng)DO控制技術(shù)、呼吸速率控制、臨界氧濃度控制、尾氣分析法等。曝氣節(jié)能的案例在歐美國(guó)家已經(jīng)非常多，例如美國(guó)達(dá)拉維爾Kent縣污水處理廠(chǎng)的處理規(guī)模是6.2萬(wàn)m3/d，通過(guò)對(duì)曝氣系統(tǒng)的自動(dòng)控制，曝氣的能耗降低了50%。
鼓風(fēng)機(jī)是主要的曝氣設(shè)備，不同類(lèi)型的鼓風(fēng)機(jī)效率差別較大，下表是各種類(lèi)型鼓風(fēng)機(jī)的效率。
在曝氣器方面，上世紀(jì)70年代出現(xiàn)的微孔曝氣技術(shù)推動(dòng)了曝氣節(jié)能技術(shù)的發(fā)展，微孔曝氣技術(shù)已經(jīng)成為污水處理的主流曝氣技術(shù)。隨著材料技術(shù)的發(fā)展，目前國(guó)際上又出現(xiàn)了“超微孔”的曝氣技術(shù)，這種技術(shù)產(chǎn)生的氣泡直徑約為0.2~1.0mm，主要目的是為了提高氧轉(zhuǎn)移率（OTE），國(guó)際上目前Parkson公司和Aerostrip公司生產(chǎn)這種曝氣器。
4、太陽(yáng)能
太陽(yáng)能是可再生能源，太陽(yáng)能的運(yùn)用降低了對(duì)化石能源的需求，而且太陽(yáng)能的碳足跡較低（50g/kWh，煤：950g/kWh），在運(yùn)行過(guò)程中對(duì)環(huán)境無(wú)害。利用1MW的太陽(yáng)能就意味著減少913噸CO2的排放；太陽(yáng)能工程可實(shí)現(xiàn)模塊化，相比火電廠(chǎng)和核電廠(chǎng)，建設(shè)速度要快很多。太陽(yáng)能的利用對(duì)現(xiàn)有污水廠(chǎng)的運(yùn)行影響較小，太陽(yáng)能的利用容易獲得國(guó)家相關(guān)政策的支持。
但太陽(yáng)能也有很多缺點(diǎn)，太陽(yáng)能所需的占地面積較大且僅在陽(yáng)光充足的地區(qū)適合利用，在夜間或氣候條件不佳時(shí)難以利用，需要臨時(shí)的儲(chǔ)能設(shè)備；太陽(yáng)能發(fā)電產(chǎn)生的直流電需要轉(zhuǎn)換為交流電，這一過(guò)程會(huì)損失能量4~12%左右。
5、水力勢(shì)能
水力發(fā)電技術(shù)在世界各地的都有廣泛的應(yīng)用，但在污水處理行業(yè)卻只有有限的應(yīng)用，美國(guó)馬薩諸塞州的鹿島污水處理廠(chǎng)運(yùn)用了水力發(fā)電，該廠(chǎng)在其排放的入�？诎惭b了大型水輪機(jī)，通過(guò)這種方式滿(mǎn)足了該廠(chǎng)10%的電能需求。
水力發(fā)電需要有足夠的水頭（20米以上）才能產(chǎn)生一定的電能，而且污水中的鹽分等會(huì)對(duì)水輪機(jī)葉輪產(chǎn)生腐蝕，日常運(yùn)行維護(hù)的成本也比較高，這些因素都是制約其不能廣泛應(yīng)用的原因。
6、新型節(jié)能技術(shù)
污水處理廠(chǎng)的節(jié)能環(huán)節(jié)涉及到方方面面，在各個(gè)單元都有節(jié)能的余地和空間，比如雙曲面攪拌器是一種良好的節(jié)能攪拌技術(shù)，還有脈沖大氣泡攪拌技術(shù)，用于厭氧消化的線(xiàn)性攪拌器，在污泥熱干化、污泥焚燒領(lǐng)域也有一些節(jié)能技術(shù)，等等。
