城市污水处理厂能源有效利用策略

供水和污水处理系统是能源消费大户，水和污水处理占到美国总用电量的3%~4%。在目前的经济环境下，在水和污水处理厂找到提高水和能源使用效率的方法，非常具有吸引力。对水和污水处理厂进行能源审计是能源管理人员可以发现机会，节省资金、能源和水的办法。为此，本文以科罗拉多州的克雷斯特德比特污水处理厂的能源审计过程为例，说明污水处理厂能源利用的重要性。能源审计通过观察高耗能设备和工艺，确定显著的节能机会。本案例研究可为追求节能降耗的水和污水处理厂管理人员提供很好的实践经验，旨在提高能源管理人员对水和污水处理在社会总能耗中所扮演角色的理解。

译者：于东（美国明尼苏达明尼阿波利斯市）

1、介绍

1.1水和污水处理的能源使用

供水和污水处理系统是显著的能源消费者，美国电力消耗的3%~4%用于水和污水的移动和处理。能源使用的确切成本在不同的处理厂差别很大，约占到总运营成本的2%~60%。能源代表了一笔可观的费用，对于污水处理厂，它发生在处理过程中的每个阶段，包括从污水收集到处理后的排放。由于水和污水处理厂的设计和运行目的不是以能源效率为主，当使用能源改善项目资金时，这些系统常被忽视。然而，大量的能源和成本节约在通过对水和污水处理企业运营调整和资本改善中被发现。

运营商、水和污水处理厂管理人员有很多的优先事项，能耗只是其中之一。他们的主要职责包括：˙达到法规规定以符合客户、公共健康和生态要求；˙在可接受的费率前提下，提供可靠的服务；˙平衡维修更换和长期负债、设备条件、持续运行和维护成本、收入的关系；˙优化运行和维护，降低成本，保护资产寿命。分配时间进行能源审计，并进行必要的物理和操作上的改变可产生可观的效益。能源审计，可以帮助确定最大的能源消费设备，发现机会，改善运营，并监测老旧和表现不佳的设备问题。审计的结果有助于提高能源效率，为市政污水厂降低运营成本，有益于环境和周围社区。1.2EPA第8地区的合作

美国环保署（EPA）8区办公室为美国西部山区提供服务，包括科罗拉多、蒙大拿、北达科塔、南达科塔、犹他、怀俄明州。2010年10月EPA在第8地区发起针对公共污水和供水的能源管理合作行动，重点帮助城市供水和污水处理企业降低能耗，提高可靠性和运营性能，并最大限度地减少对环境的影响。这个项目联合10~15个供水和污水处理厂一起完成以下目标：˙在EPA管理工具中清晰目前和将来的能源消耗；˙进行工艺能源审计；˙利用EPA的污水厂和供水厂能源管理指导手册确保可持续发展，开发一个能源管理计划；˙在EPA第8地区共同实施能源有效利用，共享成果。为了提高该方案的广度，对没有参加进来的市政设施，EPA第8地区计划创建一组案例研究，与其他水和污水厂共享，介绍参与项目的厂和工艺流程，以及在优化能源性能过程中的受益和挑战。

图1克雷斯特德比特市,科罗拉多州

2、案例研究：克雷斯特德比特市

2.1背景

作为对项目的支持，克雷斯特德比特市被要求对污水厂进行能源审计。能源审计主要关注已经存在的、可以通过工艺改变和提高可操作性来实现的节能机会；考虑优化已有的工艺，提升控制水平、监控水平和污水厂排水质量；同时也帮助该市开始跟踪和基准化能源使用。

能源部的国家再生能源实验室(NREL，由可持续能源联合公司运营)和克雷斯特德比特市合作，ARCADIS公司水部门的MalcolmPirnie、资源有效利用办公室、Gunnison郡电力协会(GCEA)（作为评估小组）共同进行审计工作。这种合作让这些组织可以支持本地发展机会，共同教育社区、水和污水厂如何分析和达到能源有效节省目标。2.2克雷斯特德比特市污水厂克雷斯特德比特市是科罗拉多西坡的小镇，是美国最大的滑雪旅游城市之一。污水厂建立于1997年，服务1500常驻人口。污水厂处理生活污水和商务污水，无主要工业污水。污水厂还从克雷斯特德比特水厂接收污泥。

污水厂采用氧化沟工艺，每月平均日流量最大为0.6MGD(2270m3/d)，污水厂有格栅、进水泵、曝气、澄清、紫外消毒和污泥处理设施，出水排入斯雷特河，污泥经浓缩脱水后外运填埋。具体工艺流程见图2。

图2克雷斯特德比特市污水厂的工艺流程

2.3能源审计

作为参与EPA项目的一部分，需要对处理工艺进行能源审计。不包含在此次研究的内容是建筑能源审计，包括评估照明、加热、制冷和通风系统，建筑也有节省资金和能源的潜力。

美国采暖、制冷与空调工程师学会(ASHRAE)定义能源审计有3个级别。审计级别的区别是复杂程度和提供信息的详细程度。

图3能源审计级别

对于克雷斯特德比特市，执行了级别1的审计，包括污水厂现场考察，着重处理工艺流程的能源使用。

级别1审计：˙通过现场调查，评估能源消耗和效率，以确定维护和（或）运营需求，以及装备的不足；˙利用能耗信息，了解使用模式和建立能源基准；˙重点采取低成本或无成本的措施，来估计可以节省的能源和成本。

2.4搜集信息

工艺流程的能源审计始于整理图纸、运营记录、账单和设备库存，来理解污水厂的能源使用模式。评估小组检查图纸，寻找污水厂物理上的设计引起的运行或能源问题。例如，图纸显示目前的溶解氧（DO）计量装置位于氧化沟的缺氧位置，这个设置对控制氧量或氧化沟运行不会有正确的反馈，典型的更有效位置是让测量装置位于有氧的位置，如靠近沟的排水处。

运行记录和参数，如BOD和TSS用来辨别进水和污水厂运行质量。根据进水水质的明显不同，污水厂的运行数据被用来建立三个“工作季”，反映了临时人口和入渗引起的收集系统全年的变化。三个季的条件总结如下：˙季节1（10月—3月）：低流量，低负荷[BOD、TSS每天基于1磅(0.45kg)]，低污水温度；˙季节2（4月—6月）：低流量，平均负载，较低污水温度；˙季节3（7月—9月）：平均流量，高负荷，高污水温度。评估小组审查设备，以确定设备的年龄和功率，并在厂内确定主要的能源消耗者。主要的能源消耗设备，包括它们的典型运行和控制信息，简要总结在表1。这些信息用来着重审计主要的能源消耗工艺，最大化能源节省机会。

表1克雷斯特德比特市污水厂：主要能源消耗设备

2.5现有的工艺性能

评估小组和工厂运营人员对每个工艺都进行了详细的讨论，了解性能趋势和关注点。对污水处理厂的工艺性能和运营策略的一般性意见如下。

（1）进水泵送/前端处理

进水系统包括3台泵：泵1，功率为3.5kW；泵2和3（一用一备），功率均为13kW。泵2根据监测污水井的液位连续运行。所有的泵都带变频器。

（2）曝气/氧化沟

污水厂的氧化沟采用好氧法去除BOD和氨，沟内存在厌氧区提供反硝化、恢复碱性和降低需氧量。氧化沟使用55kW马力曝气机，带变频器，根据每天的溶解氧浓度手动调节运行。按道理，变频器应该通过取得系统信息自动调节来节省能源，而不是通过手工调整。在氧化沟的厌氧区有两个自动运行的搅拌器。目前的DO测量仪位于厌氧位置，没有运行。

（3）澄清

污水厂有两个澄清池，一个连续运行，另一个在高流量时辅助运行。

（4）紫外消毒

紫外消毒的设计流量为1.3MGD（4900m3/d）(是污水厂最大流量的两倍)。系统目前两组同时运行。污水厂操作人员每年更换一次紫外线灯，做预防性维护。

自从2008年以来，排水中的粪大肠杆菌平均浓度为8.3个/100mL，7d平均值为214.3个/100mL。规定允许排放的菌群浓度为1372个/100mL(30d平均值)和2744个/100mL(7d平均值)。从目前的运行结果来看，大肠杆菌水平远远低于允许值。

（5）污泥处理

污水厂有一套自热式高温好氧消化（ATAD）系统，由于臭气原因没有运行。所以，目前污泥在污泥罐浓缩后，送到浓缩污泥存储罐暂存。由于目前污水厂在更改管道，污泥必须泵送到ATAD存储罐，然后进入离心机脱水。尽管这样可以提供更多的存储量，减少去填埋的次数，但却要求ATAD存储罐的鼓风机（功率为11kW）一直运行。另外，离心机的功率为30kW，变频控制，但是主要以一个速度运行。离心机每周装满一个20立方码（15m3）的垃圾箱。离心机出水经过管路送到氧化沟，可能会影响氧化沟工艺性能。

2.6污水厂实地观察

根据这些运行参数，评估小组执行了级别1的污水厂实地观察。这项工作包括目视检查来识别操作或维护问题，从污水厂主要设备上收集能源数据。这些信息被该市用来评估运行和维护产生的成本节省，以及资金投入改善污水厂设施的优先次序。

GCEA在审计过程中与评估小组协作，测量主要设备实际降低的用电量，包括污泥转运泵和鼓风机增加15min运行时间来记录实际电耗。使用一致的时间间隔来测量功耗，允许足够时间确定开关机时的电耗。这些信息被该市用来确定设施改善的优先次序。

图4收集紫外消毒系统的功耗信息

审计过程中，测量了氧化沟的溶解氧浓度来确定曝气效率。利用这些浓度数值创建了一个溶解氧浓度模型，用来更好地理解污水厂的运行。

图5测量溶解氧

根据进水水质、温度、历史溶解氧浓度、通常曝气速度、溶解氧测试结果，建立BioWin模型。使用这个工艺模型，评估小组确定了现在的曝气机已经使用了15年左右，与新的曝气机相比，转换效率很低，这意味着根据现在的溶解氧水平，污水厂使用了更多的能量来驱动这个曝气机。

2.7主要的能源节省机会

根据污水厂的运行信息和审计收集的资料，评估小组向污水厂提出了节能建议。

（1）进水泵/前端处理

提供给污水厂的流量信息说明入渗和入流(I&I)在季节2（4月—6月）是个问题。为缓解这些问题，确定收集系统中的泄漏和破裂区域会有所帮助。这些信息将有助于确定优先顺序，维修或更换系统管路。另一个给污水厂的最好实践是量身定制前端处理的运行策略，以符合3个不同季节要求。根据典型的每日流量形式，进水泵1可以在季节1(10月—3月)的夜晚以及白天低流量时使用，在季节3（7月—9月）的夜晚低流量时使用。根据进水泵1的使用年限，该市考虑更换成更高排量的变频泵，以应对污水井的波动，这在增加流量的同时减少了另一台更大功率泵的使用。

（2）曝气/氧化沟

氧化沟的溶解氧含量测试，连同其他运行数据，显示曝气机没有有效运行。在污水厂中它带有功率最大的电机，曝气机即将达到使用寿命，评估小组建议更换成更节能的设备。污水厂也考虑在靠近出水位置安装一个新的溶解氧测量仪和（或）氨传感器，以更有效地监控氧化沟性能。把这个测量计连接到监控中心（SCADA）系统，将可以连续监控和控制溶解氧量。

如果这些溶解氧读数用于自动控制曝气机速度，可以更加节能。更好的改变是，搅拌器被建议只有在曝气机不运行的时候才开启，这将可以更多地降低工艺运行过程中的能耗。

图6氧化沟的曝气机

（3）紫外消毒

目前紫外消毒系统的运行基于1.3MGD（4700m3/d）的流量。由于目前最大流量是0.6MGD(2300m3/d)，低于设计流量的一半，污水厂超过了标准要求。同时，评估小组建议污水厂只使用一组紫外系统，而不是全部。因为紫外系统设计远超污水厂实际，污水厂可以和制造商一起修改系统来节能，移除一些灯管，改造或断电一些镇流器。把紫外消毒系统连接到监控中心（SCADA）也可以提高控制效率。

污水厂也考虑减少更换灯管的频率——制造商建议灯管寿命为13500h或1.5年。目前的情况是更换灯管固定在年维护记录日程上，无关真实运行时间。延长灯管更换间隔会节省材料成本和污水厂的废弃物量。

（4）污泥处理

目前的污泥处理工艺效率低，因为使用了已有的ATAD系统管道来进入离心机脱水。污水厂考虑更改管道来让污泥直接从浓缩罐进入离心机，绕开ATAD系统。改变后系统内的转运和泵送将会减少。

污水厂的一个主要产品是市政污泥或称生物污泥。直到二三十年前，第8区的污水厂对污泥的标准处理都是填埋或焚烧。今天，许多污水厂将污泥进行有益利用，在第8区中85%的污泥目前都被循环利用了，最常见的是用于土壤添加剂和肥料，施放到农田，或修复土壤。

克雷斯特德比特市污水厂可以研究处置污泥所需要的能耗，把原先的污泥填埋转变为制成农业肥料。处置污泥到A级或B级需要更多的能耗，但可以减少使用卡车外运污泥至填埋场，减少温室气体排放，避免填埋处置的长期环保负担。

（5）减少进水流量

精确定位收集系统的入流和入渗问题位置，可以帮助污水厂集中维修和更换工作。地下水的入渗可能是最大的进水来源。经常清洁、检查、修复收集系统管道内壁可以最大限度地减少入渗和降低污水处理量。

（6）社区支持

活跃的社区范围对话是另一个很重要的减少污水厂进水量的方法。和社区互动，推广环保理念，采取行动如安装节水装置，可以显著减少进水流量并节省能源。

节能建议和估计可节省的成本见表2。这些建议分为短期机会（包括低成本和马上可以实施的）和长期机会（可能需要更好的计划和资金支持）。表2显示，曝气工艺可以为该市提供最大的节能和省钱机会。

表2节能建议

2.8下一步

该市将更深入量化能源节省，实施建议和开始能源管理计划。

能源管理计划将建立目的和目标，来测量节能的进度和改善资金使用，提高污水厂运行维护水平。更进一步的信息，即如何使用这些信息可以在EPA的指导手册中找到。

该市的污水厂和EPA的投资经理一起用能耗信息作为基准，和其他污水厂进行比较。投资经理可以帮助该市确认将来的节能机会，改进性能，优化投资。

3、考虑的策略

该市的研究是一个绝佳的案例，执行能源审计可以提高一个污水厂或社区能源经理对水厂和污水厂能源节省的理解。下文为一个简短的针对几个主要能源节省策略的概述。污水厂和社区能源经理愿意考虑如何将这些策略（表3）实施到他们的厂。愿意制定和实施全面能源管理计划的业者，感兴趣的读者可以从阅读EPA的“确保可持续发展的未来”：《污水厂和水厂的能源管理指导手册》开始。

3.1工艺能源

当进行能源审计时，请专注于厂内最大的能源消耗者。这个可以根据查阅图纸、标牌或测量设备能耗来确定。曝气工艺对于大部分污水厂来说是最大的能源消耗者，典型的污水厂能耗形式如下图所示。

图7典型污水厂的能源消耗者

3.2运行控制

运行一个污水处理厂不可能“一个规格所有人适用”。定期评估进水和出水趋势可以帮助污水厂量身定制相应的运行策略。这些参数可能随季节、时间的不同而不同，和/或有其他独特的参数。系统控制使用中控（SCADA）反馈和变频控制可以优化出水质量和能源消耗。这种平衡是连续的过程，污水厂经理必须注意，更高的排放质量通常意味着更高的能源消耗。达到质量和能量之间的完美平衡是终极目标。

图8质量vs能量

3.3维修和更换

作为资金计划的一部分，最佳的方法是污水厂定期评估状态、性能和工艺设备的使用寿命。年久的设备性能更差，可能维修起来更为昂贵，通常比新设备能耗高。当进行能源审计时，设备年龄和运行效率是主要考虑因素。评估预防性维护操作可以确保设备受到适当的维护，达到使用要求。

3.4生物污泥

在提供更高质量的生物污泥和随后的能耗之间，有着显著的环保和财务权衡。当评估污泥处置和丢弃选项时，下面的因素是污水厂需要重点考虑的：

˙运输：污水厂和填埋场的距离，运送污泥的成本；

˙附加成本：处理费和可能产生的填埋附加处置费；

˙收入：污水厂可能从作为土壤添加剂的污泥得到的收入；

˙碳排放：填埋污泥比土壤利用会造成更高的碳排放；

˙可持续发展：使用生物污泥减少填埋需求和合成肥料需求，可以帮助棕地复垦和恢复植被。

3.5入渗、入流和泄漏

污水收集系统是污水厂的另一个节能机会。相当数量的能源浪费在处理经损坏管道入渗的地下水。同样，收集系统的裂缝和泄漏增加了污水泵的能耗。努力查找入渗和入流区域，破裂和泄漏，让污水厂能直接进行修理和更换，会极大地帮助节省能源和资金。

3.6实地再生能源

最好的实践是寻找机会在污水厂进行现场再生能源制造。除了提高能源效率，再生能源是另一个节省能耗和资金的有效途径。所有的再生资源都可以在社区找到，风、太阳能、水、当地的废弃物，也许可以被看作是潜在的能量来源。选择和安装可再生系统，最大化能源生产。污水厂采用厌氧消化提供了一个独特的现场制造热能和电能的机会，通过收集沼气作为燃料产生能源。

3.7保护

有效的社区沟通可以大幅度减少水的使用和污水的产生。可以激励社区成员、商家和企业减少其用水量。通过打折收费提供低流量装置，进行用水审计，和/或使用倒挡费率结构，这样可以大大减少待处理的污水量，并显著降低能源使用。通过公共教育计划促进人们改变行为是促进保护的另一个重要措施。只要地方水权允许，最大限度地利用“适合用途”或重复使用水可视为另一种保护策略。

表3总结了可能用于市政污水厂来提高能源效率的策略。

表3市政污水厂的能源效率策略

4、资源

NREL提供数百个有用的工具条目，作为开放能源信息倡议（OpenEI）。OpenEI是允许用户为了在可再生能源和能源有效性方面共享资源，输入信息到数据库里的百科全书。

NREL通过美国联邦计划提供有限的技术协助。在这些计划中，公司可以申请接受NREL的技术支持，理解并有效利用能源，利用再生能源技术：5结语

美国克雷斯特德比特市的研究表明了能源审计的重要性，让社区能源管理人员可以认识和利用污水厂里的节能机会。努力提高能源模式和效率，是所有社区可采取的最佳做法。通过跟踪能源的使用，定立基准，并改善运营，所有社区都可以开始努力减少能源的使用，实现成本节约。

编辑：李丹