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黎明
污水處理這個事，聽起來似乎是個環(huán)保的事，但實際上并不完全是這么回事。大家也知道，污水處理行業(yè)是個高能耗行業(yè)，尤其是在環(huán)保督察和排放標(biāo)準(zhǔn)越來越嚴格的形勢下，污水廠不惜過量投入電耗，以高能耗換取高水質(zhì)。長久以來，污水處理廠至少有50%的成本來源于電費。據(jù)統(tǒng)計，污水處理電耗大約占全社會總電耗的1%。
污水廠“節(jié)能降耗”的口號喊了幾十年，以前是為了降成本，而現(xiàn)在，在碳中和的大背景下，碳減排又成了一個重要目標(biāo)。據(jù)統(tǒng)計，污水處理行業(yè)的碳排放量約占全社會總排放量的1%，而污水廠因為耗電所形成的碳排放，大概占全社會總排放的0.5%。
所以說，降低電耗，就是降低碳排放。針對高能耗的問題，許多污水廠也進行了各種升級改造，筆者總結(jié)了一下，通常有3條路徑。
1提升污水廠運營管理水平
首先我們要明白，污水廠的高能耗是什么原因?qū)е碌模恳皇锹浜蟮墓に囋O(shè)備，二是粗放的運營管理。
先說工藝設(shè)備。落后的設(shè)備能耗高，這是毋庸置疑的，只要淘汰換新就行，但是工藝的話就稍微有點復(fù)雜。要想從工藝環(huán)節(jié)降低能耗，首先就要知道污水廠的電到底耗在哪里了，這就需要進行能耗審計工作，對污水處理各環(huán)節(jié)的能耗進行統(tǒng)計分析。這樣做的好處，一個是大概能確定自己有多大的節(jié)能潛力，好制定節(jié)能目標(biāo)；第二是通過與行業(yè)的能耗基準(zhǔn)作對比，可以找出能耗較高的工藝環(huán)節(jié)，進而制定具體的節(jié)能計劃。
一個典型案例是德國的Bochum-Ölbachtal污水處理廠。這個污水廠的進水COD=380 mg/L，接近我國市政污水COD高值，比較具有借鑒意義。這家污水廠是在2013年進行升級改造的，先說結(jié)論，這家污水廠改造之前全年總耗電量為12.77 GW·h，改造之后，全年總耗電量為5.1 GW·h，降耗率高達30%。
那么這家污水廠是如何通過調(diào)整工藝流程降低能耗的呢？
該廠采用三段進水前置反硝化工藝，改造手段包括2部分：
1、進行工藝流程的優(yōu)化。
將原來的單點進水改為3點進水，并且去掉了第2、3段的內(nèi)回流，只保留第一段的內(nèi)回流，且根據(jù)第一段末端硝酸鹽(NO3-)濃度高低選擇性開啟，以提高反硝化程度，這樣做的好處是可以減少內(nèi)回流泵的能耗。(改造后工藝流程如下圖)
二是對設(shè)備進行優(yōu)化，選用更加先進節(jié)能的曝氣器以及攪拌器。
改造后，內(nèi)回流的降耗率高達95.7%，整體的降耗率達到了30.3%。
工藝設(shè)計有問題，往往就伴隨著高能耗的問題，尤其是我國市政設(shè)計單位為保障污水處理廠出水穩(wěn)定達標(biāo)，在設(shè)計時取值比較保守，但污水處理廠在實際運行中，平均污水進水濃度及進水量遠達不到設(shè)計水平，負荷率偏低，許多污水處理廠設(shè)備存在“大馬拉小車”情況，使得噸水電耗偏高。
再來說運營管理。這個大家應(yīng)該都深有體會，目前大多數(shù)污水廠為了出水達標(biāo)，會過度使用化學(xué)藥劑，而粗放的加藥方式以及曝氣方式都會增加污水廠的電耗，現(xiàn)在凡事都講究數(shù)字化、智能化，要解決的就是這個問題。
2提高污水處理過程中的能源回收率
污水處理中有兩個途徑可以回收能量，一個是剩余污泥的利用，另一個是污水廠尾水中余溫?zé)岬睦谩?br />
剩余污泥可以通過厭氧消化產(chǎn)生沼氣，再進行熱電聯(lián)產(chǎn)，可供污水廠使用。不過這里存在一個問題，那就是沼氣的產(chǎn)生量取決于剩余污泥量，而剩余污泥量又跟進水有機物濃度(COD)有關(guān)，而我國進水碳源又是普遍不足的，搞定水中的污染物已經(jīng)是心有余而力不足，到了剩余污泥這一步，剩下的碳源就更少了，所以通過剩余污泥回收的能量，相比于污水廠自身消耗的能量，還是小巫見大巫。
不過，這也有解決的辦法，有些污水廠會同時收集廠外生物廢棄物與污泥共消化，這樣既增加了沼氣產(chǎn)量，又減少了廢棄固體量，產(chǎn)生了1+1>2的效果。在奧地利的一個工程案例中，共消化中添加有機廢棄物至25%，有機負荷增加了94%，而沼氣產(chǎn)量可以增加2倍。
另外一個解決辦法是碳源分離技術(shù)。這種技術(shù)可以使污水中大部分COD進入到污泥中，提高污泥厭氧消化的產(chǎn)能效率。目前，國際上先進的碳源分離技術(shù)主要為一級化學(xué)強化法、高負荷活性污泥法以及厭氧膜生物反應(yīng)器法。
另外一種能源回收方法是利用污水中的熱能。這個熱能可以通過水源熱泵進行回收，由于污水中的余溫?zé)岵惶苤匾暎瑧?yīng)用的比較少，大家可能對此沒啥概念。
我們拿上面的COD化學(xué)能來做比較，根據(jù)研究顯示，城市污水中化學(xué)能約占總潛能值的10%，而污水的余溫?zé)崮苷剂?0%，如果把污水余溫?zé)崮芾闷饋恚鬯幚韽S就能實現(xiàn)從“耗能大戶”到“能源工廠”的華麗轉(zhuǎn)身。
這種熱能的應(yīng)用場景也比較廣泛，可以用于污水處理廠自身和周邊(3——5 km)建筑供熱或者制冷、溫室供暖，甚至還可直接用于厭氧消化器加熱、污水冬季加熱、污泥干化等。比如，在冬天的時候，生物處理系統(tǒng)效果下降，就可以利用污水余溫?zé)峤o生物系統(tǒng)供熱，既不會增加耗電成本，又能為碳中和出一份力。
如果說污水廠要做到碳中和，那么光靠污水化學(xué)能是不夠的，研究表明，污水化學(xué)能僅能彌補53%污水處理運行能耗，而剩余47%能量赤字怎么彌補呢，目前來看最可靠的就是利用污水熱能了。
但是污水熱能之所以還沒有被利用起來，也是因為它有很大的局限性：一個是，污水熱能屬于低品位熱能(50-60℃)，不能用于發(fā)電，只能直接利用，而且熱量有效輸送半徑才有3-5公里。遠距離輸送會導(dǎo)致熱量損失，而且會增加成本。
另一個是，作為一種清潔回收能源，想要發(fā)展起來，政府部門的支持是必不可少的。不光是政策、立法，更要有經(jīng)濟上的支持，目前我國這方面做的還比較欠缺。
3尋找能源替代
這幾年最熱的新能源就是太陽能了，我國光伏產(chǎn)業(yè)在政策的扶植之下，發(fā)展迅猛，國家也曾鼓勵污水處理企業(yè)多多利用自身的場地空間，自己發(fā)電自己用，以彌補自己能量上的缺口。
很多污水廠也響應(yīng)號召，和光伏組起了CP。水處理+光伏的好處很明白，首先是發(fā)的電可以供污水廠自己使用，從而降低電耗成本，做的好的甚至還能向電網(wǎng)供電，或許還能有額外的收益；其次是，對于污水廠的轉(zhuǎn)型具有重大意義。
最典型的就是王小郢污水處理廠。通過在污水處理廠的氧化溝和沉淀池上方空間布排光伏組件，有效地實現(xiàn)了土地及空間資源的二次開發(fā)利用。每年可提供約1200萬度綠色清潔電能，相當(dāng)于每年節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤3936噸，減排二氧化碳11965噸，降低碳粉塵排放3264噸，節(jié)省電費支出70萬元以上。
不過我們也能發(fā)現(xiàn)，污水廠+光伏的模式并沒有大規(guī)模落地，其中很重要的一點就是成本問題。光伏發(fā)電有個很大的特點，就是發(fā)電量很不穩(wěn)定，需要增加儲能設(shè)備，發(fā)電多的時候儲存起來，少的時候就可以用存起來的電量。但是加上儲能設(shè)備，又是一筆非常大的成本，這對于搞光伏發(fā)電站的國企來說，都是不小的壓力，更何況是污水廠。
如果污水廠都加上光伏，就還要配置相應(yīng)的儲能設(shè)備，相當(dāng)于是多了一筆重資產(chǎn)，對于企業(yè)來講，是一筆很大的負擔(dān)，所以水處理+光伏的模式，不是每個污水廠都能搞的。
4寫在最后
在碳中和的大背景下，未來的污水廠勢必會向精細化、低碳化的方向發(fā)展，而現(xiàn)在的每座污水廠，都要不斷積累轉(zhuǎn)型的經(jīng)驗，不斷進行優(yōu)化升級，才能不被時代所淘汰。
原標(biāo)題：一年節(jié)省電費70萬！三招搞定污水處理廠高耗能問題
