美國如何提高污水處理中的能源利用？
導(dǎo)讀： 美國正朝著提高廢水處理能源利用率的目標(biāo)大踏步邁進(jìn)，為實(shí)現(xiàn)該目標(biāo)，美國各州都采取了不同的方案。對此，Jim Force總結(jié)了以下報(bào)告。
OFweek節(jié)能環(huán)保網(wǎng)訊 美國正朝著提高廢水處理能源利用率的目標(biāo)大踏步邁進(jìn)，為實(shí)現(xiàn)該目標(biāo)，美國各州都采取了不同的方案。對此，Jim Force總結(jié)了以下報(bào)告。
能源利用的悄然變革
曾幾何時(shí)，人們還會對污水處理廠提到沼氣利用、太陽能電池板以及風(fēng)力發(fā)電感到新鮮不已。在一些專業(yè)學(xué)術(shù)大會中開設(shè)的能源回收研討會大多也是自彈自唱，而現(xiàn)如今這種現(xiàn)象早已不復(fù)存在。
驅(qū)于電力成本的日漸上漲和人們對溫室氣體排放的日益關(guān)注，美國污水處理行業(yè)開始認(rèn)真對待能源問題。
來自勞倫斯伯克利國家實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家Richard Brown在2008年2月份向美國國會發(fā)聲，他認(rèn)為如果污水廠愿意使用那些已經(jīng)經(jīng)過驗(yàn)證的新型技術(shù)，將能夠使污水廠能耗降低10~30%，但是在使用這類新技術(shù)之前，更重要的是污水處理廠運(yùn)營人員首先要能充分重視并執(zhí)行綜合能源管理計(jì)劃。
位于佛吉尼亞州的WERF（thewater environment research foundation）在致力于提高能源利用率領(lǐng)域一直是佼佼者。
“我們的目標(biāo)是在2030年實(shí)現(xiàn)能耗和碳中和，” Lauren Fillmore說，他在WERF負(fù)責(zé)管理能源項(xiàng)目。在美國的加利福尼亞州、威斯康星州和紐約還有一些類似的兄弟機(jī)構(gòu)，他們的工作是關(guān)注能源問題，編譯數(shù)據(jù)，組建基金，支持試點(diǎn)工程，實(shí)現(xiàn)能源可持續(xù)性高效利用。
在美國有16583座污水處理廠，這些污水廠的耗電量占了全社會總耗電量的1%。能耗主要消耗在水泵、曝氣、污泥處理方面，這些電力成本可以占到水廠運(yùn)營成本的30%，僅次于人員勞務(wù)支出。美國所有污水廠的全年總電耗將近支出四十億美元，同時(shí)還會向大氣中排放大約4500萬噸的溫室氣體。
盡管如此，節(jié)能問題在過去并沒有引起廣泛關(guān)注，這種現(xiàn)象直到最近才有所改善。在設(shè)計(jì)有厭氧消化工藝的污水處理廠中，只有19~20%的污水處理廠真正做到了利用厭氧消化工藝的產(chǎn)能。
“從傳統(tǒng)角度講，污水處理一般都更加關(guān)注是否排水達(dá)到排放水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，”Fillmore說，“在面對一些新事物時(shí)，管理者往往采用一些相對保守的做法，再加上成本問題，就更難推進(jìn)了。”
WERF有一項(xiàng)致力于改變這個(gè)現(xiàn)狀的計(jì)劃，該計(jì)劃涵蓋研發(fā)、指導(dǎo)、管理等各層面。“我們正與全球水研究聯(lián)盟攜手，籌劃一個(gè)最佳能源利用方法匯編。這個(gè)匯編會提到目前全球范圍內(nèi)哪些新技術(shù)可以幫助污水處理廠降低能耗需求，提高能源回收率。”Fillmore說。
在污水處理能耗問題方面，WERF一直堅(jiān)持不斷地向美國國會提出專業(yè)性建議。通過調(diào)研和團(tuán)隊(duì)研究，WEFR正在做一些實(shí)際的技術(shù)開發(fā)，比如污水處理單元產(chǎn)生的溫室氣體——甲烷，如何確定化糞池系統(tǒng)中甲烷的排放量，如何提高污泥消化系統(tǒng)中沼氣的產(chǎn)量，以及其他創(chuàng)新性技術(shù)等。
其中一個(gè)重要的項(xiàng)目是，基于能源可持續(xù)性標(biāo)準(zhǔn)和具體實(shí)踐情況開發(fā)一個(gè)新的數(shù)據(jù)庫。這些實(shí)踐情況主要來自于歐洲一些已經(jīng)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)能大于耗能的污水處理廠，比如奧地利Strass污水廠。WERF將這些研發(fā)結(jié)果第一時(shí)間推送到用戶手里，并最終擴(kuò)大到整個(gè)行業(yè)。
各個(gè)污水廠付出的努力
這些研究和導(dǎo)則在實(shí)際應(yīng)用中將轉(zhuǎn)化為可量化的結(jié)果，通過應(yīng)用這些研發(fā)成果，可以有效幫助污水廠提高能效。
在威斯康星州，有一個(gè)項(xiàng)目叫“Focus on Energy（關(guān)注能源）”，這個(gè)項(xiàng)目于十年前啟動(dòng)，旨在使這座美國中西部的洲成為能源利用領(lǐng)域的領(lǐng)頭羊。Joe Cantwell是這個(gè)項(xiàng)目的負(fù)責(zé)人之一，“這個(gè)項(xiàng)目啟動(dòng)的時(shí)候，”他說，“我基本每次都需要跑到各個(gè)污水廠里進(jìn)行推銷，問人家是否對我們的項(xiàng)目感興趣。但是現(xiàn)在不會這樣了，都是他們來主動(dòng)找我。”Focus on Energy項(xiàng)目不止會幫助污水處理廠發(fā)現(xiàn)可以改進(jìn)的工藝之處，還將有助于招募資金。“我們會對項(xiàng)目給予資金支持，”Joe說，“我們對水廠的要求就是必須把這些錢花在工藝改進(jìn)方面。”
Cantwell認(rèn)為用于能耗提效的資金大多可用于曝氣系統(tǒng)改造和消化池產(chǎn)沼氣，曝氣系統(tǒng)改造包括更換曝氣系統(tǒng)、減少曝氣頭數(shù)量、優(yōu)化溶解氧控制。
在威斯康星州的Darlington（地名），公共工程主管BobSalmi說，通過使用變頻設(shè)備，可以有效降低污水處理和飲用水處理的能耗成本。“實(shí)際上，我們正在逐步降低水泵能耗，這方面的資金投入已經(jīng)從每年36000美元降低至12000美元。”Salmi說。他自己曾經(jīng)在威斯康星洲的Ephraim（地名）工作，當(dāng)時(shí)從事的領(lǐng)域也是如何提高設(shè)備能效，通過使用變頻驅(qū)動(dòng)器，小型電機(jī)和風(fēng)機(jī)，微型擴(kuò)散器等可以降低一半以上的功耗和電耗。
“什么是對Focus On Energy項(xiàng)目有幫助的事情？”Salmi說，“其實(shí)是那些幫助資金申請的文案。”這些補(bǔ)助資金非常有利于贏得地方政治領(lǐng)導(dǎo)人和公用事業(yè)董事會成員對于投資回收的信心和信念。
位于威斯康星洲的Sheboygan污水處理廠的管理人員DaleDoerr說FocusOn Energy項(xiàng)目帶動(dòng)了很多能源改造項(xiàng)目。Sheboygan污水處理廠通過使用高效曝氣器，每年可以節(jié)省33000美元，尤其是在夏季高峰流量時(shí)優(yōu)勢更為明顯。
提高污泥沼氣利用率更有助于節(jié)約天然氣成本，采用甲烷驅(qū)動(dòng)的微型渦輪機(jī)的發(fā)電量基本可以達(dá)到本廠總電量的三分之一�；厥盏臒崃靠梢苑颠^來給消化罐和大樓供熱，消化罐的熱水循環(huán)系統(tǒng)也并入了大樓的供熱系統(tǒng)。
Doerr說，“我們向FocusOn Energy項(xiàng)目提供我們的一些基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，他們會決定給予我們多少資金的支持。”總體來說，Doerr認(rèn)為Sheboygan污水處理廠的電耗已經(jīng)從一千瓦電量可以處理600加侖水提高到800加侖水——漲幅接近33%。
“FocusOn Energy是一個(gè)成功的項(xiàng)目，”Cantwell說。“我們正在提高節(jié)能意識，我們一方面幫助水廠降低成本，另一方面幫助他們在當(dāng)?shù)刳A得更高的環(huán)保聲譽(yù)。”
加州的進(jìn)步
在加利福尼亞州，Shahid Chaudhry認(rèn)為能源和水密不可分。他是加利福尼亞州能量委員會的一位項(xiàng)目經(jīng)理。他的項(xiàng)目是要在2020年之前，幫助區(qū)域?qū)崿F(xiàn)人均用水量減少20%、再生能源產(chǎn)率提高33%，溫室氣體排放降低30%的設(shè)定目標(biāo)。
“雖然加利福尼亞州在能耗領(lǐng)域一直做得不錯(cuò)，但是我們?nèi)匀豢吹搅四芎膬?yōu)化所帶來的巨大機(jī)會，我們已經(jīng)做好了實(shí)現(xiàn)該目標(biāo)的準(zhǔn)備。”Chaudhry說。
他提出了Loadmanagement（負(fù)荷管理）的方法，是指在高峰值需求時(shí)間段里盡可能使用更少的能源，而在低峰值需求時(shí)間段里使用相對充裕的能源，因?yàn)樵诘托枨髸r(shí)能源本身的成本會相對低一些。“污水廠可以提高水泵系統(tǒng)效率、優(yōu)化曝氣系統(tǒng)、盡可能使用更多的可再生能源，比如風(fēng)能、太陽能、水力發(fā)電系統(tǒng)、消化池產(chǎn)沼氣、渦輪機(jī)、燃料電池。”
Chaudhry說加州污水處理廠中四分之三的能源都來自于可再生資源，包括風(fēng)能、太陽能、沼氣，而這個(gè)數(shù)值在未來很有可能還會翻番。“我們之所以持續(xù)關(guān)注能耗管理和再生能源，是因?yàn)槲覀兌贾肋@個(gè)領(lǐng)域還有至少10~30%的潛在能源待挖掘。”
加州在能耗改革領(lǐng)域一直是領(lǐng)導(dǎo)者，位于加利福尼亞北部ButteCounty（地名）的奧羅維爾區(qū)污水管理委員會是全國第一個(gè)使用太陽能供電的污水處理企業(yè)，2002年啟用時(shí)就可運(yùn)營520千瓦的太陽能系統(tǒng)。
現(xiàn)在，它每天依然在高效運(yùn)作。環(huán)境管理部門經(jīng)理BillLampkin說，“目前，我們的電能需求量已經(jīng)減少了51%，我們希望可以采用更先進(jìn)的技術(shù)革新和管理創(chuàng)新。”
NYSERDA也支持研究和開發(fā)新技術(shù)。近日，該機(jī)構(gòu)開始監(jiān)控用于污水處理工程的國家循環(huán)貸款基金計(jì)劃的落實(shí)情況。“人們對能效的關(guān)注正在與日俱增，并且現(xiàn)在已經(jīng)有很多成熟技術(shù)可以幫助污水廠運(yùn)營人員實(shí)現(xiàn)這樣的目標(biāo)。”
碳足跡
努力提高能源利用效率必然有助于控制排放和減少污水處理廠的“碳足跡”。加州的一項(xiàng)新法律規(guī)定要求污水處理廠計(jì)算出自己的碳排放量和排放限值。除加州之外，至少還有其他兩個(gè)州也制定了類似的法律。
在碳排放領(lǐng)域，WERF一直以來都是行業(yè)先驅(qū)。Fillmore說她的任務(wù)就是給污水處理廠制定關(guān)于甲烷和氮氧化物排放量的新數(shù)據(jù)。
“大部分IPCC（政府氣候變化應(yīng)對小組）的碳足跡計(jì)算是基于假設(shè)的數(shù)據(jù)，”她說，“我們需要給我們的用戶更好的數(shù)據(jù)和指引，以取代這些假設(shè)”。
WERF的研究項(xiàng)目旨在更好地預(yù)測和了解如何進(jìn)行工藝改進(jìn)來減少排放，以及結(jié)果如何。
Fillmore解釋說，WERF開發(fā)了一種特殊的工具，將使污水處理廠的管理人員更有效地回收能源，減少碳足跡。也就是所謂的能源回收生命周期評估管理，或簡稱為LCAMER。
該管理工具可用于優(yōu)化處理工藝，通過觀測整個(gè)污水處理過程的碳平衡和熱平衡，最大限度地提高能源回收率并充分利用“嵌入式能源”。
“我們明年的一個(gè)重點(diǎn)研發(fā)方向是如何充分發(fā)揮碳、熱量和能源評估工具，將其作為一項(xiàng)用戶友好的產(chǎn)品，并將它和LCAMER一起廣泛推廣。”Fillmore說。
所有研究人員和政策制定者都贊成提高能源效率和減少美國污水處理廠的碳排放量需要采取幾個(gè)突破性的措施。簡單地增加沼氣產(chǎn)量是不夠的，也不能僅限于節(jié)約能源或利用可再生能源。
Chasudhry提倡采用“整體方案”，其中能量被看作是水循環(huán)中每一步的重要組成部分，包括泵送、傳輸、處理、分布、收集和污水處理。在此方式下，節(jié)約用水和提高水的利用率才會在節(jié)約能源方面以一種更高效的方式產(chǎn)生平衡的、甚至帶來利潤的回報(bào)。
紐約的O’Connor以另一種方式解釋了這個(gè)問題的嚴(yán)重性， “氣候變化和碳排放正在逐漸發(fā)展為威脅到公眾健康平衡的一部分，所以行動(dòng)已經(jīng)迫在眉睫。”
