美国如何提高污水处理中的能源利用？
导读： 美国正朝着提高废水处理能源利用率的目标大踏步迈进，为实现该目标，美国各州都采取了不同的方案。对此，Jim Force总结了以下报告。
OFweek节能环保网讯 美国正朝着提高废水处理能源利用率的目标大踏步迈进，为实现该目标，美国各州都采取了不同的方案。对此，Jim Force总结了以下报告。
能源利用的悄然变革
曾几何时，人们还会对污水处理厂提到沼气利用、太阳能电池板以及风力发电感到新鲜不已。在一些专业学术大会中开设的能源回收研讨会大多也是自弹自唱，而现如今这种现象早已不复存在。
驱于电力成本的日渐上涨和人们对温室气体排放的日益关注，美国污水处理行业开始认真对待能源问题。
来自劳伦斯伯克利国家实验室的科学家Richard Brown在2008年2月份向美国国会发声，他认为如果污水厂愿意使用那些已经经过验证的新型技术，将能够使污水厂能耗降低10~30%，但是在使用这类新技术之前，更重要的是污水处理厂运营人员首先要能充分重视并执行综合能源管理计划。
位于佛吉尼亚州的WERF（thewater environment research foundation）在致力于提高能源利用率领域一直是佼佼者。
“我们的目标是在2030年实现能耗和碳中和，” Lauren Fillmore说，他在WERF负责管理能源项目。在美国的加利福尼亚州、威斯康星州和纽约还有一些类似的兄弟机构，他们的工作是关注能源问题，编译数据，组建基金，支持试点工程，实现能源可持续性高效利用。
在美国有16583座污水处理厂，这些污水厂的耗电量占了全社会总耗电量的1%。能耗主要消耗在水泵、曝气、污泥处理方面，这些电力成本可以占到水厂运营成本的30%，仅次于人员劳务支出。美国所有污水厂的全年总电耗将近支出四十亿美元，同时还会向大气中排放大约4500万吨的温室气体。
尽管如此，节能问题在过去并没有引起广泛关注，这种现象直到最近才有所改善。在设计有厌氧消化工艺的污水处理厂中，只有19~20%的污水处理厂真正做到了利用厌氧消化工艺的产能。
“从传统角度讲，污水处理一般都更加关注是否排水达到排放水质标准，”Fillmore说，“在面对一些新事物时，管理者往往采用一些相对保守的做法，再加上成本问题，就更难推进了。”
WERF有一项致力于改变这个现状的计划，该计划涵盖研发、指导、管理等各层面。“我们正与全球水研究联盟携手，筹划一个最佳能源利用方法汇编。这个汇编会提到目前全球范围内哪些新技术可以帮助污水处理厂降低能耗需求，提高能源回收率。”Fillmore说。
在污水处理能耗问题方面，WERF一直坚持不断地向美国国会提出专业性建议。通过调研和团队研究，WEFR正在做一些实际的技术开发，比如污水处理单元产生的温室气体——甲烷，如何确定化粪池系统中甲烷的排放量，如何提高污泥消化系统中沼气的产量，以及其他创新性技术等。
其中一个重要的项目是，基于能源可持续性标准和具体实践情况开发一个新的数据库。这些实践情况主要来自于欧洲一些已经实现产能大于耗能的污水处理厂，比如奥地利Strass污水厂。WERF将这些研发结果第一时间推送到用户手里，并最终扩大到整个行业。
各个污水厂付出的努力
这些研究和导则在实际应用中将转化为可量化的结果，通过应用这些研发成果，可以有效帮助污水厂提高能效。
在威斯康星州，有一个项目叫“Focus on Energy（关注能源）”，这个项目于十年前启动，旨在使这座美国中西部的洲成为能源利用领域的领头羊。Joe Cantwell是这个项目的负责人之一，“这个项目启动的时候，”他说，“我基本每次都需要跑到各个污水厂里进行推销，问人家是否对我们的项目感兴趣。但是现在不会这样了，都是他们来主动找我。”Focus on Energy项目不止会帮助污水处理厂发现可以改进的工艺之处，还将有助于招募资金。“我们会对项目给予资金支持，”Joe说，“我们对水厂的要求就是必须把这些钱花在工艺改进方面。”
Cantwell认为用于能耗提效的资金大多可用于曝气系统改造和消化池产沼气，曝气系统改造包括更换曝气系统、减少曝气头数量、优化溶解氧控制。
在威斯康星州的Darlington（地名），公共工程主管BobSalmi说，通过使用变频设备，可以有效降低污水处理和饮用水处理的能耗成本。“实际上，我们正在逐步降低水泵能耗，这方面的资金投入已经从每年36000美元降低至12000美元。”Salmi说。他自己曾经在威斯康星洲的Ephraim（地名）工作，当时从事的领域也是如何提高设备能效，通过使用变频驱动器，小型电机和风机，微型扩散器等可以降低一半以上的功耗和电耗。
“什么是对Focus On Energy项目有帮助的事情？”Salmi说，“其实是那些帮助资金申请的文案。”这些补助资金非常有利于赢得地方政治领导人和公用事业董事会成员对于投资回收的信心和信念。
位于威斯康星洲的Sheboygan污水处理厂的管理人员DaleDoerr说FocusOn Energy项目带动了很多能源改造项目。Sheboygan污水处理厂通过使用高效曝气器，每年可以节省33000美元，尤其是在夏季高峰流量时优势更为明显。
提高污泥沼气利用率更有助于节约天然气成本，采用甲烷驱动的微型涡轮机的发电量基本可以达到本厂总电量的三分之一。回收的热量可以返过来给消化罐和大楼供热，消化罐的热水循环系统也并入了大楼的供热系统。
Doerr说，“我们向FocusOn Energy项目提供我们的一些基础数据，他们会决定给予我们多少资金的支持。”总体来说，Doerr认为Sheboygan污水处理厂的电耗已经从一千瓦电量可以处理600加仑水提高到800加仑水——涨幅接近33%。
“FocusOn Energy是一个成功的项目，”Cantwell说。“我们正在提高节能意识，我们一方面帮助水厂降低成本，另一方面帮助他们在当地赢得更高的环保声誉。”
加州的进步
在加利福尼亚州，Shahid Chaudhry认为能源和水密不可分。他是加利福尼亚州能量委员会的一位项目经理。他的项目是要在2020年之前，帮助区域实现人均用水量减少20%、再生能源产率提高33%，温室气体排放降低30%的设定目标。
“虽然加利福尼亚州在能耗领域一直做得不错，但是我们仍然看到了能耗优化所带来的巨大机会，我们已经做好了实现该目标的准备。”Chaudhry说。
他提出了Loadmanagement（负荷管理）的方法，是指在高峰值需求时间段里尽可能使用更少的能源，而在低峰值需求时间段里使用相对充裕的能源，因为在低需求时能源本身的成本会相对低一些。“污水厂可以提高水泵系统效率、优化曝气系统、尽可能使用更多的可再生能源，比如风能、太阳能、水力发电系统、消化池产沼气、涡轮机、燃料电池。”
Chaudhry说加州污水处理厂中四分之三的能源都来自于可再生资源，包括风能、太阳能、沼气，而这个数值在未来很有可能还会翻番。“我们之所以持续关注能耗管理和再生能源，是因为我们都知道这个领域还有至少10~30%的潜在能源待挖掘。”
加州在能耗改革领域一直是领导者，位于加利福尼亚北部ButteCounty（地名）的奥罗维尔区污水管理委员会是全国第一个使用太阳能供电的污水处理企业，2002年启用时就可运营520千瓦的太阳能系统。
现在，它每天依然在高效运作。环境管理部门经理BillLampkin说，“目前，我们的电能需求量已经减少了51%，我们希望可以采用更先进的技术革新和管理创新。”
NYSERDA也支持研究和开发新技术。近日，该机构开始监控用于污水处理工程的国家循环贷款基金计划的落实情况。“人们对能效的关注正在与日俱增，并且现在已经有很多成熟技术可以帮助污水厂运营人员实现这样的目标。”
碳足迹
努力提高能源利用效率必然有助于控制排放和减少污水处理厂的“碳足迹”。加州的一项新法律规定要求污水处理厂计算出自己的碳排放量和排放限值。除加州之外，至少还有其他两个州也制定了类似的法律。
在碳排放领域，WERF一直以来都是行业先驱。Fillmore说她的任务就是给污水处理厂制定关于甲烷和氮氧化物排放量的新数据。
“大部分IPCC（政府气候变化应对小组）的碳足迹计算是基于假设的数据，”她说，“我们需要给我们的用户更好的数据和指引，以取代这些假设”。
WERF的研究项目旨在更好地预测和了解如何进行工艺改进来减少排放，以及结果如何。
Fillmore解释说，WERF开发了一种特殊的工具，将使污水处理厂的管理人员更有效地回收能源，减少碳足迹。也就是所谓的能源回收生命周期评估管理，或简称为LCAMER。
该管理工具可用于优化处理工艺，通过观测整个污水处理过程的碳平衡和热平衡，最大限度地提高能源回收率并充分利用“嵌入式能源”。
“我们明年的一个重点研发方向是如何充分发挥碳、热量和能源评估工具，将其作为一项用户友好的产品，并将它和LCAMER一起广泛推广。”Fillmore说。
所有研究人员和政策制定者都赞成提高能源效率和减少美国污水处理厂的碳排放量需要采取几个突破性的措施。简单地增加沼气产量是不够的，也不能仅限于节约能源或利用可再生能源。
Chasudhry提倡采用“整体方案”，其中能量被看作是水循环中每一步的重要组成部分，包括泵送、传输、处理、分布、收集和污水处理。在此方式下，节约用水和提高水的利用率才会在节约能源方面以一种更高效的方式产生平衡的、甚至带来利润的回报。
纽约的O’Connor以另一种方式解释了这个问题的严重性， “气候变化和碳排放正在逐渐发展为威胁到公众健康平衡的一部分，所以行动已经迫在眉睫。”
