水與能源相互關(guān)聯(lián)，密不可分。水處理需要能源，能源生產(chǎn)也離不開(kāi)水。

水需要的能源

最低標(biāo)準(zhǔn)（或可接受水平）的水傳輸和水處理技術(shù)所需的能源為0.05至5千瓦時(shí)/立方米，數(shù)值的大小取決于水源種類（淡水、海水還是污水）和特定的地域參數(shù)，如氣候、供水狀況、用水量和人口密度。圖2顯示了城市水循環(huán)與處理過(guò)程中，各主要因素在不同地區(qū)的單位能耗。水和污水處理設(shè)施所消耗的能量大致在0.2千瓦時(shí)/立方米到1.4至1.5千瓦時(shí)/立方米的范圍內(nèi)波動(dòng)，其具體值取決于取水揚(yáng)程、水處理工藝流程和處理規(guī)模。輸水設(shè)施所消耗的能量可達(dá)1.1千瓦時(shí)/立方米，并且在一些特殊情形下，如長(zhǎng)距離運(yùn)輸，可能消耗更多的能量，“加州水資源項(xiàng)目”就是一個(gè)典型范例，耗能達(dá)2.5千瓦時(shí)/立方米。

采用先進(jìn)的營(yíng)養(yǎng)物去除法的污水處理和再利用需消耗更多能量。然而，相對(duì)于海水淡化和水資源長(zhǎng)距離運(yùn)輸，污水再利用仍是更為節(jié)省成本和能源的方法之一。節(jié)省能源的高級(jí)水資源再利用工廠，如加州奧蘭治縣實(shí)施的“地下水補(bǔ)給系統(tǒng)”（GWRS）工程，用相對(duì)較低的能耗即0.53千瓦時(shí)/立方米來(lái)生產(chǎn)符合飲用水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的循環(huán)水。與以色列阿什克倫的一家同是節(jié)約能源的海水淡化廠相比，兩家工廠的日處理能力類似（分別是265000立方米/天和330000立方米/天），但先進(jìn)的再生水廠耗能量比海水淡化廠低5.5倍，后者的耗能量為2.9千瓦時(shí)/立方米。

采用厭氧工藝去除營(yíng)養(yǎng)物的能源優(yōu)化型污水處理廠不僅可以將能量消耗降至0.35千瓦時(shí)/立方米，同時(shí)還可以發(fā)電，實(shí)現(xiàn)能源自給自足，例如擁有22萬(wàn)的人口當(dāng)量的奧地利Strass污水處理廠。

海水淡化的能耗仍高于其他供水方式，但是高效反滲透膜和能源回收裝置的使用已使大型海水淡化廠的單位能耗降至2.5至3.5千瓦時(shí)/立方米，并且降低了年度特定成本。

隨著人們的建筑需求對(duì)氣候變化更具適應(yīng)性，加之人口增長(zhǎng)，雨水收集技術(shù)在世界上日益流行。但需要強(qiáng)調(diào)的是，多數(shù)雨水收集系統(tǒng)都采用以高能耗為特征的抽水設(shè)備和雨水收集方案，耗能量通常在0.3至1.2千瓦時(shí)/立方米之間，并且伴隨著明顯的碳足跡。不過(guò)，大部分雨水收集系統(tǒng)規(guī)模較小，一般為個(gè)人或高層建筑使用，不宜與大型設(shè)施的能耗直接比較。新型重力驅(qū)動(dòng)型雨水收集系統(tǒng)可以利用水流或太陽(yáng)能來(lái)回收動(dòng)能，這一創(chuàng)新可減少能源消耗，促進(jìn)雨水收集技術(shù)的可持續(xù)性發(fā)展。

邁向正能量的污水處理

污水處理廠有望為未來(lái)生態(tài)城市提供能源。此處應(yīng)強(qiáng)調(diào)地是，利用污水處理過(guò)程中回收的能源來(lái)滿足污水處理設(shè)施的能源需求不應(yīng)被當(dāng)作一個(gè)目標(biāo)，它應(yīng)更多地被當(dāng)作綜合各地環(huán)境、社會(huì)和經(jīng)濟(jì)因素的全球水資源管理戰(zhàn)略的一部分。改善污水水質(zhì)應(yīng)是首要目標(biāo)，樹(shù)立正確的目標(biāo)后，要選擇最實(shí)用的方法和技術(shù)來(lái)提高能源使用效率，優(yōu)化污水利用方式以更好地生產(chǎn)和回收能源。創(chuàng)新能源回收技術(shù)必須更經(jīng)濟(jì)、可靠、易使用且對(duì)水質(zhì)或環(huán)境無(wú)不良影響，這樣才能更具吸引力。

對(duì)現(xiàn)行水資源管理方法的分析顯示利用污水處理實(shí)來(lái)現(xiàn)能源自給是切實(shí)可行的。不過(guò)，對(duì)現(xiàn)有污水處理廠而言，欲實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)還需要長(zhǎng)期的優(yōu)化過(guò)程，相對(duì)較高的投資，并且在更具能效的新設(shè)備上使用創(chuàng)新技術(shù)。

早在2 0 世紀(jì)9 0 年代初期，歐洲（奧地利、法國(guó)、德國(guó)、瑞士和瑞典）就已實(shí)行了能源優(yōu)化的強(qiáng)大標(biāo)準(zhǔn)項(xiàng)目和指導(dǎo)方針，證明了能源優(yōu)化利用的巨大潛力，當(dāng)前這些國(guó)家的污水處理廠能源利用率可提升20%到50%。澳大利亞、美國(guó)和加拿大也啟用了類似的能源節(jié)約項(xiàng)目。歐洲的一些污水處理廠還通過(guò)實(shí)施上述能源優(yōu)化方案實(shí)現(xiàn)了高效利用能源和能源自給自足的目標(biāo)。

如今，奧地利的兩個(gè)市級(jí)污水處理廠實(shí)現(xiàn)了能源自給，即22萬(wàn)人口當(dāng)量的Strass污水處理廠（見(jiàn)圖4a）和人口當(dāng)量為5萬(wàn)的Wolfgangsee-Ischl污水處理廠。兩家能源自足的污水處理廠實(shí)行污水去除營(yíng)養(yǎng)物處理和能源優(yōu)化項(xiàng)目已有近20年的歷史。他們能源優(yōu)化的主要方式包括最佳曝氣控制，從初沉池中回收更多的污泥，為厭氧消化提供更多的有機(jī)物質(zhì)，優(yōu)化中溫條件下的厭氧污泥分解器的性能，提高熱電聯(lián)合節(jié)能量，以污泥脫水過(guò)濾設(shè)備為基質(zhì)進(jìn)行全程自養(yǎng)脫氮處理。

目前較少有文獻(xiàn)介紹新型能源自給污水處理廠的設(shè)計(jì)和運(yùn)營(yíng)信息。在此，我們以約旦的AsSamra污水處理廠（見(jiàn)圖4b）為例，做一個(gè)簡(jiǎn)單的介紹。自2008年試運(yùn)行能源自足方案以來(lái)，AsSamra污水處理廠實(shí)現(xiàn)了90%以上的能源需求自給，成為污水處理廠能源自給的表率。這個(gè)人口當(dāng)量達(dá)220萬(wàn)的污水廠每天為安曼及其周圍居民處理267000立方米的污水，并為農(nóng)業(yè)提供了優(yōu)質(zhì)再生水。

該廠應(yīng)用活性污泥法脫氮，用氯殺菌消毒，對(duì)混合性污泥進(jìn)行除味處理和厭氧消化，并且利用下一代技術(shù)，如：水輪機(jī)和沼氣驅(qū)動(dòng)的熱電聯(lián)產(chǎn)技術(shù)來(lái)滿足其能源需求（需求的85%到95%）。這就意味著每人口當(dāng)量的能源消耗為21.3kWh/pe. year（按110gCOD/pe . d計(jì)算），稍高于奧地利Strass污水處理廠19.9kWh/pe.Year。但是AsSamra污水處理廠設(shè)有殺菌除味設(shè)施。

AsSamra工廠從污水中回收能量的作法旨在回收污水中的潛在能源。然而，這種方式獲取的能源數(shù)量相對(duì)有限，并且取決于各地不同的情況，特別是當(dāng)?shù)氐母卟詈退�量大小。污水中有機(jī)物質(zhì)所含的化學(xué)結(jié)合能量是最具回收潛力的能源方式。這里，能量平衡的狀況取決于污水的有機(jī)物濃度、該國(guó)具體的人均用水量、下水道的類別、工業(yè)污水的比例及種類和其他地域特點(diǎn)。

圖5通過(guò)兩個(gè)范例闡述能量平衡現(xiàn)象。兩個(gè)例子的共同點(diǎn)是均有相同的處理過(guò)程，包括初沉池、硝化作用/反硝化作用，污泥厭氧消化和沼氣利用。得出的主要結(jié)論為：每人每年承載的化學(xué)需氧量（COD）分別為48公斤和42公斤，甲烷產(chǎn)出0.35LCH4/gCOD，潛在的沼氣能含量為10千瓦時(shí)/ 立方米。在Strass例子中污水集中程度稍高，除此之外，二者的能量平衡狀況非常相似：57%（96Wh/cap.year）的能量流入了污泥消化工藝，而只有26%（43kWh/cap.yr）的能量轉(zhuǎn)化成了甲烷。同是32%的換能效率，只有8.9%的化學(xué)能以電能形式回收（15 k W h /cap.yr）。

厭氧消化仍然是目前最具前景的從污水中回收化學(xué)能的技術(shù)。新興的節(jié)省能源和生產(chǎn)能源的技術(shù)裝置，如微生物燃料電池、微生物電解池和微生物脫鹽電池有望在不遠(yuǎn)的將來(lái)變得切實(shí)可行。最大化每種潛在節(jié)能產(chǎn)能技術(shù)帶來(lái)的產(chǎn)出，可使污水處理廠尤其是大型處理廠回收能源，并最終滿足污水廠運(yùn)行所需的全部能源，甚至有時(shí)會(huì)有能量盈余（所回收或生產(chǎn)的能量超出工廠運(yùn)營(yíng)所需的能量）。

結(jié)語(yǔ)

從當(dāng)前城市水資源管理系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)中可以看出，人們消耗了大量的水和能源，大量的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)也沒(méi)有得到有效利用。過(guò)去，水與能源被分開(kāi)來(lái)管理，但是在“未來(lái)城市”，整個(gè)水循環(huán)系統(tǒng)應(yīng)采用可持續(xù)性管理方式，限制能源消耗的同時(shí)最大程度地回收能源。

合理的城市規(guī)劃是可持續(xù)水資源管理措施的基礎(chǔ)，包括供水系統(tǒng)在兩種地區(qū)的設(shè)計(jì)：一是整個(gè)城市水資源類型多樣化，包括城區(qū)的雨水收集利用來(lái)最大程度地降低取水需求；二是在水資源稀缺地區(qū)實(shí)施分質(zhì)供水，僅對(duì)少部分水進(jìn)行可飲用標(biāo)準(zhǔn)的處理。

在水處理系統(tǒng)的末端環(huán)節(jié)，污水處理過(guò)程優(yōu)化能源回收和水回用。污水不僅應(yīng)被看作是一種實(shí)現(xiàn)水再利用的潛在的替代性水資源，還應(yīng)被視為是一種富含營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和有機(jī)成分的潛在的能源來(lái)源。

也可以從“城市新陳代謝”這一概念入手來(lái)考慮優(yōu)化水與資源關(guān)系的潛在方式。“城市新陳代謝”認(rèn)為城市是一個(gè)有生命的系統(tǒng)，具有吸收和排泄功能。作為一個(gè)生命體，體內(nèi)循環(huán)至關(guān)重要。有了循環(huán)功能，它才能從攝入的物質(zhì)中（食物、能源、水和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)）最大化地獲取能量，以排出體內(nèi)的有毒殘留物（傳統(tǒng)污染物和新出現(xiàn)的污染物）。此外，引進(jìn)雙循環(huán)混合系統(tǒng)可以更好地進(jìn)行源頭分類、熱量回收和沼氣生產(chǎn)。

關(guān)于本文作者

Valentina Lazarova是蘇伊士環(huán)境集團(tuán)高級(jí)項(xiàng)目經(jīng)理。Kwang-HoChoo是韓國(guó)慶北國(guó)立大學(xué)副教授。PeterCornel是德國(guó)達(dá)姆施塔特工業(yè)大學(xué)教授。

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