概述：污水處理是能耗密集型行業(yè)，消耗的能源主要包括電、燃料及藥劑等，電耗占總能耗的60~90%。目前，全美大約有16000座污水處理設(shè)施，共消耗約1~4%的國家電能，地區(qū)間會有一定的不同，總的耗電量是4000萬兆瓦/年，美國的平均電價（2009年9月）是7.18美分/kWh，2009年用于污水處理方面的電費約28億美元。（WERF，2010）。
目前，中國的污水處理廠約3000多座，能耗約占全社會用電量的0.2%左右，隨著國家對耗能型大戶（鋼鐵、水泥行業(yè)）的控制發(fā)展，中國污水處理廠的能耗占全社會的用電量的比例也將逐步和美國的水平接近，污水處理系統(tǒng)能耗占全社會用電量的比例將會不斷提高。高能耗一方面導(dǎo)致污水處理成本升高，加劇了當(dāng)前的能源危機，另一方面致使一些中小型污水處理廠難以運行，污水處理廠的減排效益得不到正常的發(fā)揮。
目前，污水在世界范圍內(nèi)被廣泛認(rèn)為是一種可再生能源，污水中所蘊含的能量通常是其處理所需能量的2~4倍（Techobanoglous, 2009），在某些情況下可達(dá)到10倍左右，從污水中回收能源可以獲得可觀的收益。美國預(yù)計在2025年，全國電力消耗的25%將由可再生能源供給。
1、前沿生物處理技術(shù)
（1）厭氧氨氧化
厭氧氨氧化技術(shù)室上世紀(jì)90年代發(fā)展起來的一種新型高效生物脫氮技術(shù)。與傳統(tǒng)生物脫氮技術(shù)相比厭氧氨氧化技術(shù)有諸多的優(yōu)點：
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可以減少63%的供氧量；
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減少90%的碳源需求；
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污泥產(chǎn)量更低；
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可以減少90%的溫室氣體排放；
厭氧氨氧化技術(shù)在側(cè)流方面的應(yīng)用已經(jīng)非常成熟，在歐洲和北美已有數(shù)十座污水處理廠采用了這一技術(shù)。
目前，國際上由美國的DC Water、Hampton Roads SanitationDistrict (HRSD)以及奧地利的AIZ組成了一個國際性的合作研究團隊，該團隊主要對厭氧氨氧化技術(shù)在主流工藝上的應(yīng)用進(jìn)行研究。與側(cè)流不同，主流的水質(zhì)特點是溫度較低，且氮的濃度較低，這對于厭氧氨氧化技術(shù)的應(yīng)用帶來了巨大的挑戰(zhàn)。
（2） 好氧顆粒污泥技術(shù)
傳統(tǒng)活性污泥工藝至今已有100年的歷史，其占地面積大、能耗高、易污泥膨脹、脫氮除磷設(shè)計復(fù)雜都是固有的缺陷。好氧顆粒污泥技術(shù)的污泥沉降性能好、污泥濃度高、脫氮除磷效果好、能耗低、建設(shè)和運行成本都很低。
2、厭氧消化
厭氧消化是一項古老的技術(shù)，最早可追溯至1850年。在美國和歐洲的大型污水廠，污泥厭氧消化是常見的污泥處理工藝。在美國16000多座污水處理廠中，大約有25%的污水處理廠采用了厭氧消化技術(shù)。厭氧消化的主要目的是為了對有機物實現(xiàn)穩(wěn)定化、回收能源，并同時實現(xiàn)對臭味、病原菌的一定去除。
污泥厭氧消化典型的能源回收量可以占到污水處理廠所需能量的20~40%，具體的水平取決于處理技術(shù)和處理水平。美國的數(shù)據(jù)表明，厭氧消化產(chǎn)生約0.075m3沼氣/m3污水，沼氣的含量一般為40~75%，通常是60%，熱值可以達(dá)到22000kJ/m3。
（1）熱電聯(lián)產(chǎn)
通過熱電聯(lián)產(chǎn)的方式回收沼氣中的能源是常見的方式，下表反映的是沼氣利用的熱能與電能的轉(zhuǎn)化效率，這些技術(shù)通常的電能效率是30%左右。在處理規(guī)模在8萬m3/d的污水處理廠，能量回收的性價比通常是合適的。
通過厭氧消化的方式還可以降低污水處理廠的碳足跡，采用沼氣回收發(fā)電可以降低污水處理廠碳足跡的20~40%。
（2）厭氧消化預(yù)處理
厭氧消化的預(yù)處理技術(shù)也是提高節(jié)能的重要舉措，如熱水解、聚焦脈沖、超聲波等技術(shù)。美國DC Water運行著華盛頓的Blue Plain污水處理廠，該廠的處理規(guī)模是151萬m3/d，是全世界最大的污水深度處理廠。該廠通過污泥熱水解、污泥厭氧消化以及熱電聯(lián)產(chǎn)技術(shù)將污泥的產(chǎn)量降低了50%，產(chǎn)生了14兆瓦的電能，污泥達(dá)到了美國環(huán)保局要求的A類污泥標(biāo)準(zhǔn)。
（3）協(xié)同消化
在污泥厭氧消化領(lǐng)域，一個明顯的趨勢是協(xié)同消化，協(xié)同消化是將餐廚垃圾、油脂等高濃度廢物投入?yún)捬跸兀岣哒託猱a(chǎn)量。這種技術(shù)方式在歐美發(fā)達(dá)國家已經(jīng)成為一種成熟的技術(shù)，美國加州的EBMUD污水處理廠、艾奧瓦州的Des Moines污水處理廠、紐約州的Gloversville-Johnstown污水處理廠、加州的Inland Empire污水處理廠、威斯康辛州的Sheboygan 污水處理廠都采用了這種技術(shù)方式。
3、曝氣節(jié)能技術(shù)
曝氣能耗是污水處理廠的主要能耗，通常占污水處理廠總能耗的35~60%，由于曝氣能耗所占的比例最高，因此也是節(jié)能的關(guān)注熱點。無論是設(shè)計還是運行，曝氣供氧量盡可能地接近于實際需氧量是無疑是節(jié)能的主要目標(biāo)，由于污水處理廠的進(jìn)水負(fù)荷以及生物處理工藝的固有特征，曝氣的實時控制顯得尤為重要，其對節(jié)能的影響也是不言而喻的。
曝氣節(jié)能技術(shù)主要包括自動DO控制技術(shù)、呼吸速率控制、臨界氧濃度控制、尾氣分析法等。曝氣節(jié)能的案例在歐美國家已經(jīng)非常多，例如美國達(dá)拉維爾Kent縣污水處理廠的處理規(guī)模是6.2萬m3/d，通過對曝氣系統(tǒng)的自動控制，曝氣的能耗降低了50%。
鼓風(fēng)機是主要的曝氣設(shè)備，不同類型的鼓風(fēng)機效率差別較大，下表是各種類型鼓風(fēng)機的效率。
在曝氣器方面，上世紀(jì)70年代出現(xiàn)的微孔曝氣技術(shù)推動了曝氣節(jié)能技術(shù)的發(fā)展，微孔曝氣技術(shù)已經(jīng)成為污水處理的主流曝氣技術(shù)。隨著材料技術(shù)的發(fā)展，目前國際上又出現(xiàn)了“超微孔”的曝氣技術(shù)，這種技術(shù)產(chǎn)生的氣泡直徑約為0.2~1.0mm，主要目的是為了提高氧轉(zhuǎn)移率（OTE），國際上目前Parkson公司和Aerostrip公司生產(chǎn)這種曝氣器。
4、太陽能
太陽能是可再生能源，太陽能的運用降低了對化石能源的需求，而且太陽能的碳足跡較低（50g/kWh，煤：950g/kWh），在運行過程中對環(huán)境無害。利用1MW的太陽能就意味著減少913噸CO2的排放；太陽能工程可實現(xiàn)模塊化，相比火電廠和核電廠，建設(shè)速度要快很多。太陽能的利用對現(xiàn)有污水廠的運行影響較小，太陽能的利用容易獲得國家相關(guān)政策的支持。
但太陽能也有很多缺點，太陽能所需的占地面積較大且僅在陽光充足的地區(qū)適合利用，在夜間或氣候條件不佳時難以利用，需要臨時的儲能設(shè)備；太陽能發(fā)電產(chǎn)生的直流電需要轉(zhuǎn)換為交流電，這一過程會損失能量4~12%左右。
5、水力勢能
水力發(fā)電技術(shù)在世界各地的都有廣泛的應(yīng)用，但在污水處理行業(yè)卻只有有限的應(yīng)用，美國馬薩諸塞州的鹿島污水處理廠運用了水力發(fā)電，該廠在其排放的入海口安裝了大型水輪機，通過這種方式滿足了該廠10%的電能需求。
水力發(fā)電需要有足夠的水頭（20米以上）才能產(chǎn)生一定的電能，而且污水中的鹽分等會對水輪機葉輪產(chǎn)生腐蝕，日常運行維護的成本也比較高，這些因素都是制約其不能廣泛應(yīng)用的原因。
6、新型節(jié)能技術(shù)
污水處理廠的節(jié)能環(huán)節(jié)涉及到方方面面，在各個單元都有節(jié)能的余地和空間，比如雙曲面攪拌器是一種良好的節(jié)能攪拌技術(shù)，還有脈沖大氣泡攪拌技術(shù)，用于厭氧消化的線性攪拌器，在污泥熱干化、污泥焚燒領(lǐng)域也有一些節(jié)能技術(shù)，等等。
