供水和污水處理系統是能源消費大戶，水和污水處理占到美國總用電量的3%~4%。在目前的經濟環境下，在水和污水處理廠找到提高水和能源使用效率的方法，非常具有吸引力。對水和污水處理廠進行能源審計是能源管理人員可以發現機會，節省資金、能源和水的辦法。為此，本文以科羅拉多州的克雷斯特德比特污水處理廠的能源審計過程為例，說明污水處理廠能源利用的重要性。能源審計通過觀察高耗能設備和工藝，確定顯著的節能機會。本案例研究可為追求節能降耗的水和污水處理廠管理人員提供很好的實踐經驗，旨在提高能源管理人員對水和污水處理在社會總能耗中所扮演角色的理解。

譯者：于東（美國明尼蘇達明尼阿波利斯市）

1、介紹

1.1水和污水處理的能源使用

供水和污水處理系統是顯著的能源消費者，美國電力消耗的3%~4%用于水和污水的移動和處理。能源使用的確切成本在不同的處理廠差別很大，約占到總運營成本的2%~60%。能源代表了一筆可觀的費用，對于污水處理廠，它發生在處理過程中的每個階段，包括從污水收集到處理后的排放。由于水和污水處理廠的設計和運行目的不是以能源效率為主，當使用能源改善項目資金時，這些系統常被忽視。然而，大量的能源和成本節約在通過對水和污水處理企業運營調整和資本改善中被發現。

運營商、水和污水處理廠管理人員有很多的優先事項，能耗只是其中之一。他們的主要職責包括：˙達到法規規定以符合客戶、公共健康和生態要求；˙在可接受的費率前提下，提供可靠的服務；˙平衡維修更換和長期負債、設備條件、持續運行和維護成本、收入的關系；˙優化運行和維護，降低成本，保護資產壽命。分配時間進行能源審計，并進行必要的物理和操作上的改變可產生可觀的效益。能源審計，可以幫助確定最大的能源消費設備，發現機會，改善運營，并監測老舊和表現不佳的設備問題。審計的結果有助于提高能源效率，為市政污水廠降低運營成本，有益于環境和周圍社區。1.2EPA第8地區的合作

美國環保署（EPA）8區辦公室為美國西部山區提供服務，包括科羅拉多、蒙大拿、北達科塔、南達科塔、猶他、懷俄明州。2010年10月EPA在第8地區發起針對公共污水和供水的能源管理合作行動，重點幫助城市供水和污水處理企業降低能耗，提高可靠性和運營性能，并最大限度地減少對環境的影響。這個項目聯合10~15個供水和污水處理廠一起完成以下目標：˙在EPA管理工具中清晰目前和將來的能源消耗；˙進行工藝能源審計；˙利用EPA的污水廠和供水廠能源管理指導手冊確保可持續發展，開發一個能源管理計劃；˙在EPA第8地區共同實施能源有效利用，共享成果。為了提高該方案的廣度，對沒有參加進來的市政設施，EPA第8地區計劃創建一組案例研究，與其他水和污水廠共享，介紹參與項目的廠和工藝流程，以及在優化能源性能過程中的受益和挑戰。

圖1克雷斯特德比特市,科羅拉多州

2、案例研究：克雷斯特德比特市

2.1背景

作為對項目的支持，克雷斯特德比特市被要求對污水廠進行能源審計。能源審計主要關注已經存在的、可以通過工藝改變和提高可操作性來實現的節能機會；考慮優化已有的工藝，提升控制水平、監控水平和污水廠排水質量；同時也幫助該市開始跟蹤和基準化能源使用。

能源部的國家再生能源實驗室(NREL，由可持續能源聯合公司運營)和克雷斯特德比特市合作，ARCADIS公司水部門的MalcolmPirnie、資源有效利用辦公室、Gunnison郡電力協會(GCEA)（作為評估小組）共同進行審計工作。這種合作讓這些組織可以支持本地發展機會，共同教育社區、水和污水廠如何分析和達到能源有效節省目標。2.2克雷斯特德比特市污水廠克雷斯特德比特市是科羅拉多西坡的小鎮，是美國最大的滑雪旅游城市之一。污水廠建立于1997年，服務1500常駐人口。污水廠處理生活污水和商務污水，無主要工業污水。污水廠還從克雷斯特德比特水廠接收污泥。

污水廠采用氧化溝工藝，每月平均日流量最大為0.6MGD(2270m3/d)，污水廠有格柵、進水泵、曝氣、澄清、紫外消毒和污泥處理設施，出水排入斯雷特河，污泥經濃縮脫水后外運填埋。具體工藝流程見圖2。

圖2克雷斯特德比特市污水廠的工藝流程

2.3能源審計

作為參與EPA項目的一部分，需要對處理工藝進行能源審計。不包含在此次研究的內容是建筑能源審計，包括評估照明、加熱、制冷和通風系統，建筑也有節省資金和能源的潛力。

美國采暖、制冷與空調工程師學會(ASHRAE)定義能源審計有3個級別。審計級別的區別是復雜程度和提供信息的詳細程度。

圖3能源審計級別

對于克雷斯特德比特市，執行了級別1的審計，包括污水廠現場考察，著重處理工藝流程的能源使用。

級別1審計：˙通過現場調查，評估能源消耗和效率，以確定維護和（或）運營需求，以及裝備的不足；˙利用能耗信息，了解使用模式和建立能源基準；˙重點采取低成本或無成本的措施，來估計可以節省的能源和成本。

2.4搜集信息

工藝流程的能源審計始于整理圖紙、運營記錄、賬單和設備庫存，來理解污水廠的能源使用模式。評估小組檢查圖紙，尋找污水廠物理上的設計引起的運行或能源問題。例如，圖紙顯示目前的溶解氧（DO）計量裝置位于氧化溝的缺氧位置，這個設置對控制氧量或氧化溝運行不會有正確的反饋，典型的更有效位置是讓測量裝置位于有氧的位置，如靠近溝的排水處。

運行記錄和參數，如BOD和TSS用來辨別進水和污水廠運行質量。根據進水水質的明顯不同，污水廠的運行數據被用來建立三個“工作季”，反映了臨時人口和入滲引起的收集系統全年的變化。三個季的條件總結如下：˙季節1（10月—3月）：低流量，低負荷[BOD、TSS每天基于1磅(0.45kg)]，低污水溫度；˙季節2（4月—6月）：低流量，平均負載，較低污水溫度；˙季節3（7月—9月）：平均流量，高負荷，高污水溫度。評估小組審查設備，以確定設備的年齡和功率，并在廠內確定主要的能源消耗者。主要的能源消耗設備，包括它們的典型運行和控制信息，簡要總結在表1。這些信息用來著重審計主要的能源消耗工藝，最大化能源節省機會。

表1克雷斯特德比特市污水廠：主要能源消耗設備

2.5現有的工藝性能

評估小組和工廠運營人員對每個工藝都進行了詳細的討論，了解性能趨勢和關注點。對污水處理廠的工藝性能和運營策略的一般性意見如下。

（1）進水泵送/前端處理

進水系統包括3臺泵：泵1，功率為3.5kW；泵2和3（一用一備），功率均為13kW。泵2根據監測污水井的液位連續運行。所有的泵都帶變頻器。

（2）曝氣/氧化溝

污水廠的氧化溝采用好氧法去除BOD和氨，溝內存在厭氧區提供反硝化、恢復堿性和降低需氧量。氧化溝使用55kW馬力曝氣機，帶變頻器，根據每天的溶解氧濃度手動調節運行。按道理，變頻器應該通過取得系統信息自動調節來節省能源，而不是通過手工調整。在氧化溝的厭氧區有兩個自動運行的攪拌器。目前的DO測量儀位于厭氧位置，沒有運行。

（3）澄清

污水廠有兩個澄清池，一個連續運行，另一個在高流量時輔助運行。

（4）紫外消毒

紫外消毒的設計流量為1.3MGD（4900m3/d）(是污水廠最大流量的兩倍)。系統目前兩組同時運行。污水廠操作人員每年更換一次紫外線燈，做預防性維護。

自從2008年以來，排水中的糞大腸桿菌平均濃度為8.3個/100mL，7d平均值為214.3個/100mL。規定允許排放的菌群濃度為1372個/100mL(30d平均值)和2744個/100mL(7d平均值)。從目前的運行結果來看，大腸桿菌水平遠遠低于允許值。

（5）污泥處理

污水廠有一套自熱式高溫好氧消化（ATAD）系統，由于臭氣原因沒有運行。所以，目前污泥在污泥罐濃縮后，送到濃縮污泥存儲罐暫存。由于目前污水廠在更改管道，污泥必須泵送到ATAD存儲罐，然后進入離心機脫水。盡管這樣可以提供更多的存儲量，減少去填埋的次數，但卻要求ATAD存儲罐的鼓風機（功率為11kW）一直運行。另外，離心機的功率為30kW，變頻控制，但是主要以一個速度運行。離心機每周裝滿一個20立方碼（15m3）的垃圾箱。離心機出水經過管路送到氧化溝，可能會影響氧化溝工藝性能。

2.6污水廠實地觀察

根據這些運行參數，評估小組執行了級別1的污水廠實地觀察。這項工作包括目視檢查來識別操作或維護問題，從污水廠主要設備上收集能源數據。這些信息被該市用來評估運行和維護產生的成本節省，以及資金投入改善污水廠設施的優先次序。

GCEA在審計過程中與評估小組協作，測量主要設備實際降低的用電量，包括污泥轉運泵和鼓風機增加15min運行時間來記錄實際電耗。使用一致的時間間隔來測量功耗，允許足夠時間確定開關機時的電耗。這些信息被該市用來確定設施改善的優先次序。

圖4收集紫外消毒系統的功耗信息

審計過程中，測量了氧化溝的溶解氧濃度來確定曝氣效率。利用這些濃度數值創建了一個溶解氧濃度模型，用來更好地理解污水廠的運行。

圖5測量溶解氧

根據進水水質、溫度、歷史溶解氧濃度、通常曝氣速度、溶解氧測試結果，建立BioWin模型。使用這個工藝模型，評估小組確定了現在的曝氣機已經使用了15年左右，與新的曝氣機相比，轉換效率很低，這意味著根據現在的溶解氧水平，污水廠使用了更多的能量來驅動這個曝氣機。

2.7主要的能源節省機會

根據污水廠的運行信息和審計收集的資料，評估小組向污水廠提出了節能建議。

（1）進水泵/前端處理

提供給污水廠的流量信息說明入滲和入流(I&I)在季節2（4月—6月）是個問題。為緩解這些問題，確定收集系統中的泄漏和破裂區域會有所幫助。這些信息將有助于確定優先順序，維修或更換系統管路。另一個給污水廠的最好實踐是量身定制前端處理的運行策略，以符合3個不同季節要求。根據典型的每日流量形式，進水泵1可以在季節1(10月—3月)的夜晚以及白天低流量時使用，在季節3（7月—9月）的夜晚低流量時使用。根據進水泵1的使用年限，該市考慮更換成更高排量的變頻泵，以應對污水井的波動，這在增加流量的同時減少了另一臺更大功率泵的使用。

（2）曝氣/氧化溝

氧化溝的溶解氧含量測試，連同其他運行數據，顯示曝氣機沒有有效運行。在污水廠中它帶有功率最大的電機，曝氣機即將達到使用壽命，評估小組建議更換成更節能的設備。污水廠也考慮在靠近出水位置安裝一個新的溶解氧測量儀和（或）氨傳感器，以更有效地監控氧化溝性能。把這個測量計連接到監控中心（SCADA）系統，將可以連續監控和控制溶解氧量。

如果這些溶解氧讀數用于自動控制曝氣機速度，可以更加節能。更好的改變是，攪拌器被建議只有在曝氣機不運行的時候才開啟，這將可以更多地降低工藝運行過程中的能耗。

圖6氧化溝的曝氣機

（3）紫外消毒

目前紫外消毒系統的運行基于1.3MGD（4700m3/d）的流量。由于目前最大流量是0.6MGD(2300m3/d)，低于設計流量的一半，污水廠超過了標準要求。同時，評估小組建議污水廠只使用一組紫外系統，而不是全部。因為紫外系統設計遠超污水廠實際，污水廠可以和制造商一起修改系統來節能，移除一些燈管，改造或斷電一些鎮流器。把紫外消毒系統連接到監控中心（SCADA）也可以提高控制效率。

污水廠也考慮減少更換燈管的頻率——制造商建議燈管壽命為13500h或1.5年。目前的情況是更換燈管固定在年維護記錄日程上，無關真實運行時間。延長燈管更換間隔會節省材料成本和污水廠的廢棄物量。

（4）污泥處理

目前的污泥處理工藝效率低，因為使用了已有的ATAD系統管道來進入離心機脫水。污水廠考慮更改管道來讓污泥直接從濃縮罐進入離心機，繞開ATAD系統。改變后系統內的轉運和泵送將會減少。

污水廠的一個主要產品是市政污泥或稱生物污泥。直到二三十年前，第8區的污水廠對污泥的標準處理都是填埋或焚燒。今天，許多污水廠將污泥進行有益利用，在第8區中85%的污泥目前都被循環利用了，最常見的是用于土壤添加劑和肥料，施放到農田，或修復土壤。

克雷斯特德比特市污水廠可以研究處置污泥所需要的能耗，把原先的污泥填埋轉變為制成農業肥料。處置污泥到A級或B級需要更多的能耗，但可以減少使用卡車外運污泥至填埋場，減少溫室氣體排放，避免填埋處置的長期環保負擔。

（5）減少進水流量

精確定位收集系統的入流和入滲問題位置，可以幫助污水廠集中維修和更換工作。地下水的入滲可能是最大的進水來源。經常清潔、檢查、修復收集系統管道內壁可以最大限度地減少入滲和降低污水處理量。

（6）社區支持

活躍的社區范圍對話是另一個很重要的減少污水廠進水量的方法。和社區互動，推廣環保理念，采取行動如安裝節水裝置，可以顯著減少進水流量并節省能源。

節能建議和估計可節省的成本見表2。這些建議分為短期機會（包括低成本和馬上可以實施的）和長期機會（可能需要更好的計劃和資金支持）。表2顯示，曝氣工藝可以為該市提供最大的節能和省錢機會。

表2節能建議

2.8下一步

該市將更深入量化能源節省，實施建議和開始能源管理計劃。

能源管理計劃將建立目的和目標，來測量節能的進度和改善資金使用，提高污水廠運行維護水平。更進一步的信息，即如何使用這些信息可以在EPA的指導手冊中找到。

該市的污水廠和EPA的投資經理一起用能耗信息作為基準，和其他污水廠進行比較。投資經理可以幫助該市確認將來的節能機會，改進性能，優化投資。

3、考慮的策略

該市的研究是一個絕佳的案例，執行能源審計可以提高一個污水廠或社區能源經理對水廠和污水廠能源節省的理解。下文為一個簡短的針對幾個主要能源節省策略的概述。污水廠和社區能源經理愿意考慮如何將這些策略（表3）實施到他們的廠。愿意制定和實施全面能源管理計劃的業者，感興趣的讀者可以從閱讀EPA的“確保可持續發展的未來”：《污水廠和水廠的能源管理指導手冊》開始。

3.1工藝能源

當進行能源審計時，請專注于廠內最大的能源消耗者。這個可以根據查閱圖紙、標牌或測量設備能耗來確定。曝氣工藝對于大部分污水廠來說是最大的能源消耗者，典型的污水廠能耗形式如下圖所示。

圖7典型污水廠的能源消耗者

3.2運行控制

運行一個污水處理廠不可能“一個規格所有人適用”。定期評估進水和出水趨勢可以幫助污水廠量身定制相應的運行策略。這些參數可能隨季節、時間的不同而不同，和/或有其他獨特的參數。系統控制使用中控（SCADA）反饋和變頻控制可以優化出水質量和能源消耗。這種平衡是連續的過程，污水廠經理必須注意，更高的排放質量通常意味著更高的能源消耗。達到質量和能量之間的完美平衡是終極目標。

圖8質量vs能量

3.3維修和更換

作為資金計劃的一部分，最佳的方法是污水廠定期評估狀態、性能和工藝設備的使用壽命。年久的設備性能更差，可能維修起來更為昂貴，通常比新設備能耗高。當進行能源審計時，設備年齡和運行效率是主要考慮因素。評估預防性維護操作可以確保設備受到適當的維護，達到使用要求。

3.4生物污泥

在提供更高質量的生物污泥和隨后的能耗之間，有著顯著的環保和財務權衡。當評估污泥處置和丟棄選項時，下面的因素是污水廠需要重點考慮的：

˙運輸：污水廠和填埋場的距離，運送污泥的成本；

˙附加成本：處理費和可能產生的填埋附加處置費；

˙收入：污水廠可能從作為土壤添加劑的污泥得到的收入；

˙碳排放：填埋污泥比土壤利用會造成更高的碳排放；

˙可持續發展：使用生物污泥減少填埋需求和合成肥料需求，可以幫助棕地復墾和恢復植被。

3.5入滲、入流和泄漏

污水收集系統是污水廠的另一個節能機會。相當數量的能源浪費在處理經損壞管道入滲的地下水。同樣，收集系統的裂縫和泄漏增加了污水泵的能耗。努力查找入滲和入流區域，破裂和泄漏，讓污水廠能直接進行修理和更換，會極大地幫助節省能源和資金。

3.6實地再生能源

最好的實踐是尋找機會在污水廠進行現場再生能源制造。除了提高能源效率，再生能源是另一個節省能耗和資金的有效途徑。所有的再生資源都可以在社區找到，風、太陽能、水、當地的廢棄物，也許可以被看作是潛在的能量來源。選擇和安裝可再生系統，最大化能源生產。污水廠采用厭氧消化提供了一個獨特的現場制造熱能和電能的機會，通過收集沼氣作為燃料產生能源。

3.7保護

有效的社區溝通可以大幅度減少水的使用和污水的產生。可以激勵社區成員、商家和企業減少其用水量。通過打折收費提供低流量裝置，進行用水審計，和/或使用倒擋費率結構，這樣可以大大減少待處理的污水量，并顯著降低能源使用。通過公共教育計劃促進人們改變行為是促進保護的另一個重要措施。只要地方水權允許，最大限度地利用“適合用途”或重復使用水可視為另一種保護策略。

表3總結了可能用于市政污水廠來提高能源效率的策略。

表3市政污水廠的能源效率策略

4、資源

NREL提供數百個有用的工具條目，作為開放能源信息倡議（OpenEI）。OpenEI是允許用戶為了在可再生能源和能源有效性方面共享資源，輸入信息到數據庫里的百科全書。

NREL通過美國聯邦計劃提供有限的技術協助。在這些計劃中，公司可以申請接受NREL的技術支持，理解并有效利用能源，利用再生能源技術：5結語

美國克雷斯特德比特市的研究表明了能源審計的重要性，讓社區能源管理人員可以認識和利用污水廠里的節能機會。努力提高能源模式和效率，是所有社區可采取的最佳做法。通過跟蹤能源的使用，定立基準，并改善運營，所有社區都可以開始努力減少能源的使用，實現成本節約。

編輯：李丹