美國(guó)如何提高污水處理中的能源利用？
導(dǎo)讀： 美國(guó)正朝著提高廢水處理能源利用率的目標(biāo)大踏步邁進(jìn)，為實(shí)現(xiàn)該目標(biāo)，美國(guó)各州都采取了不同的方案。對(duì)此，Jim Force總結(jié)了以下報(bào)告。
OFweek節(jié)能環(huán)保網(wǎng)訊 美國(guó)正朝著提高廢水處理能源利用率的目標(biāo)大踏步邁進(jìn)，為實(shí)現(xiàn)該目標(biāo)，美國(guó)各州都采取了不同的方案。對(duì)此，Jim Force總結(jié)了以下報(bào)告。
能源利用的悄然變革
曾幾何時(shí)，人們還會(huì)對(duì)污水處理廠提到沼氣利用、太陽能電池板以及風(fēng)力發(fā)電感到新鮮不已。在一些專業(yè)學(xué)術(shù)大會(huì)中開設(shè)的能源回收研討會(huì)大多也是自彈自唱，而現(xiàn)如今這種現(xiàn)象早已不復(fù)存在。
驅(qū)于電力成本的日漸上漲和人們對(duì)溫室氣體排放的日益關(guān)注，美國(guó)污水處理行業(yè)開始認(rèn)真對(duì)待能源問題。
來自勞倫斯伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家Richard Brown在2008年2月份向美國(guó)國(guó)會(huì)發(fā)聲，他認(rèn)為如果污水廠愿意使用那些已經(jīng)經(jīng)過驗(yàn)證的新型技術(shù)，將能夠使污水廠能耗降低10~30%，但是在使用這類新技術(shù)之前，更重要的是污水處理廠運(yùn)營(yíng)人員首先要能充分重視并執(zhí)行綜合能源管理計(jì)劃。
位于佛吉尼亞州的WERF（thewater environment research foundation）在致力于提高能源利用率領(lǐng)域一直是佼佼者。
“我們的目標(biāo)是在2030年實(shí)現(xiàn)能耗和碳中和，” Lauren Fillmore說，他在WERF負(fù)責(zé)管理能源項(xiàng)目。在美國(guó)的加利福尼亞州、威斯康星州和紐約還有一些類似的兄弟機(jī)構(gòu)，他們的工作是關(guān)注能源問題，編譯數(shù)據(jù)，組建基金，支持試點(diǎn)工程，實(shí)現(xiàn)能源可持續(xù)性高效利用。
在美國(guó)有16583座污水處理廠，這些污水廠的耗電量占了全社會(huì)總耗電量的1%。能耗主要消耗在水泵、曝氣、污泥處理方面，這些電力成本可以占到水廠運(yùn)營(yíng)成本的30%，僅次于人員勞務(wù)支出。美國(guó)所有污水廠的全年總電耗將近支出四十億美元，同時(shí)還會(huì)向大氣中排放大約4500萬噸的溫室氣體。
盡管如此，節(jié)能問題在過去并沒有引起廣泛關(guān)注，這種現(xiàn)象直到最近才有所改善。在設(shè)計(jì)有厭氧消化工藝的污水處理廠中，只有19~20%的污水處理廠真正做到了利用厭氧消化工藝的產(chǎn)能。
“從傳統(tǒng)角度講，污水處理一般都更加關(guān)注是否排水達(dá)到排放水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，”Fillmore說，“在面對(duì)一些新事物時(shí)，管理者往往采用一些相對(duì)保守的做法，再加上成本問題，就更難推進(jìn)了。”
WERF有一項(xiàng)致力于改變這個(gè)現(xiàn)狀的計(jì)劃，該計(jì)劃涵蓋研發(fā)、指導(dǎo)、管理等各層面。“我們正與全球水研究聯(lián)盟攜手，籌劃一個(gè)最佳能源利用方法匯編。這個(gè)匯編會(huì)提到目前全球范圍內(nèi)哪些新技術(shù)可以幫助污水處理廠降低能耗需求，提高能源回收率。”Fillmore說。
在污水處理能耗問題方面，WERF一直堅(jiān)持不斷地向美國(guó)國(guó)會(huì)提出專業(yè)性建議。通過調(diào)研和團(tuán)隊(duì)研究，WEFR正在做一些實(shí)際的技術(shù)開發(fā)，比如污水處理單元產(chǎn)生的溫室氣體——甲烷，如何確定化糞池系統(tǒng)中甲烷的排放量，如何提高污泥消化系統(tǒng)中沼氣的產(chǎn)量，以及其他創(chuàng)新性技術(shù)等。
其中一個(gè)重要的項(xiàng)目是，基于能源可持續(xù)性標(biāo)準(zhǔn)和具體實(shí)踐情況開發(fā)一個(gè)新的數(shù)據(jù)庫。這些實(shí)踐情況主要來自于歐洲一些已經(jīng)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)能大于耗能的污水處理廠，比如奧地利Strass污水廠。WERF將這些研發(fā)結(jié)果第一時(shí)間推送到用戶手里，并最終擴(kuò)大到整個(gè)行業(yè)。
各個(gè)污水廠付出的努力
這些研究和導(dǎo)則在實(shí)際應(yīng)用中將轉(zhuǎn)化為可量化的結(jié)果，通過應(yīng)用這些研發(fā)成果，可以有效幫助污水廠提高能效。
在威斯康星州，有一個(gè)項(xiàng)目叫“Focus on Energy（關(guān)注能源）”，這個(gè)項(xiàng)目于十年前啟動(dòng)，旨在使這座美國(guó)中西部的洲成為能源利用領(lǐng)域的領(lǐng)頭羊。Joe Cantwell是這個(gè)項(xiàng)目的負(fù)責(zé)人之一，“這個(gè)項(xiàng)目啟動(dòng)的時(shí)候，”他說，“我基本每次都需要跑到各個(gè)污水廠里進(jìn)行推銷，問人家是否對(duì)我們的項(xiàng)目感興趣。但是現(xiàn)在不會(huì)這樣了，都是他們來主動(dòng)找我。”Focus on Energy項(xiàng)目不止會(huì)幫助污水處理廠發(fā)現(xiàn)可以改進(jìn)的工藝之處，還將有助于招募資金。“我們會(huì)對(duì)項(xiàng)目給予資金支持，”Joe說，“我們對(duì)水廠的要求就是必須把這些錢花在工藝改進(jìn)方面。”
Cantwell認(rèn)為用于能耗提效的資金大多可用于曝氣系統(tǒng)改造和消化池產(chǎn)沼氣，曝氣系統(tǒng)改造包括更換曝氣系統(tǒng)、減少曝氣頭數(shù)量、優(yōu)化溶解氧控制。
在威斯康星州的Darlington（地名），公共工程主管BobSalmi說，通過使用變頻設(shè)備，可以有效降低污水處理和飲用水處理的能耗成本。“實(shí)際上，我們正在逐步降低水泵能耗，這方面的資金投入已經(jīng)從每年36000美元降低至12000美元。”Salmi說。他自己曾經(jīng)在威斯康星洲的Ephraim（地名）工作，當(dāng)時(shí)從事的領(lǐng)域也是如何提高設(shè)備能效，通過使用變頻驅(qū)動(dòng)器，小型電機(jī)和風(fēng)機(jī)，微型擴(kuò)散器等可以降低一半以上的功耗和電耗。
“什么是對(duì)Focus On Energy項(xiàng)目有幫助的事情？”Salmi說，“其實(shí)是那些幫助資金申請(qǐng)的文案。”這些補(bǔ)助資金非常有利于贏得地方政治領(lǐng)導(dǎo)人和公用事業(yè)董事會(huì)成員對(duì)于投資回收的信心和信念。
位于威斯康星洲的Sheboygan污水處理廠的管理人員DaleDoerr說FocusOn Energy項(xiàng)目帶動(dòng)了很多能源改造項(xiàng)目。Sheboygan污水處理廠通過使用高效曝氣器，每年可以節(jié)省33000美元，尤其是在夏季高峰流量時(shí)優(yōu)勢(shì)更為明顯。
提高污泥沼氣利用率更有助于節(jié)約天然氣成本，采用甲烷驅(qū)動(dòng)的微型渦輪機(jī)的發(fā)電量基本可以達(dá)到本廠總電量的三分之一�；厥盏臒崃靠梢苑颠^來給消化罐和大樓供熱，消化罐的熱水循環(huán)系統(tǒng)也并入了大樓的供熱系統(tǒng)。
Doerr說，“我們向FocusOn Energy項(xiàng)目提供我們的一些基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，他們會(huì)決定給予我們多少資金的支持。”總體來說，Doerr認(rèn)為Sheboygan污水處理廠的電耗已經(jīng)從一千瓦電量可以處理600加侖水提高到800加侖水——漲幅接近33%。
“FocusOn Energy是一個(gè)成功的項(xiàng)目，”Cantwell說。“我們正在提高節(jié)能意識(shí)，我們一方面幫助水廠降低成本，另一方面幫助他們?cè)诋?dāng)?shù)刳A得更高的環(huán)保聲譽(yù)。”
加州的進(jìn)步
在加利福尼亞州，Shahid Chaudhry認(rèn)為能源和水密不可分。他是加利福尼亞州能量委員會(huì)的一位項(xiàng)目經(jīng)理。他的項(xiàng)目是要在2020年之前，幫助區(qū)域?qū)崿F(xiàn)人均用水量減少20%、再生能源產(chǎn)率提高33%，溫室氣體排放降低30%的設(shè)定目標(biāo)。
“雖然加利福尼亞州在能耗領(lǐng)域一直做得不錯(cuò)，但是我們?nèi)匀豢吹搅四芎膬?yōu)化所帶來的巨大機(jī)會(huì)，我們已經(jīng)做好了實(shí)現(xiàn)該目標(biāo)的準(zhǔn)備。”Chaudhry說。
他提出了Loadmanagement（負(fù)荷管理）的方法，是指在高峰值需求時(shí)間段里盡可能使用更少的能源，而在低峰值需求時(shí)間段里使用相對(duì)充裕的能源，因?yàn)樵诘托枨髸r(shí)能源本身的成本會(huì)相對(duì)低一些。“污水廠可以提高水泵系統(tǒng)效率、優(yōu)化曝氣系統(tǒng)、盡可能使用更多的可再生能源，比如風(fēng)能、太陽能、水力發(fā)電系統(tǒng)、消化池產(chǎn)沼氣、渦輪機(jī)、燃料電池。”
Chaudhry說加州污水處理廠中四分之三的能源都來自于可再生資源，包括風(fēng)能、太陽能、沼氣，而這個(gè)數(shù)值在未來很有可能還會(huì)翻番。“我們之所以持續(xù)關(guān)注能耗管理和再生能源，是因?yàn)槲覀兌贾肋@個(gè)領(lǐng)域還有至少10~30%的潛在能源待挖掘。”
加州在能耗改革領(lǐng)域一直是領(lǐng)導(dǎo)者，位于加利福尼亞北部ButteCounty（地名）的奧羅維爾區(qū)污水管理委員會(huì)是全國(guó)第一個(gè)使用太陽能供電的污水處理企業(yè)，2002年啟用時(shí)就可運(yùn)營(yíng)520千瓦的太陽能系統(tǒng)。
現(xiàn)在，它每天依然在高效運(yùn)作。環(huán)境管理部門經(jīng)理BillLampkin說，“目前，我們的電能需求量已經(jīng)減少了51%，我們希望可以采用更先進(jìn)的技術(shù)革新和管理創(chuàng)新。”
NYSERDA也支持研究和開發(fā)新技術(shù)。近日，該機(jī)構(gòu)開始監(jiān)控用于污水處理工程的國(guó)家循環(huán)貸款基金計(jì)劃的落實(shí)情況。“人們對(duì)能效的關(guān)注正在與日俱增，并且現(xiàn)在已經(jīng)有很多成熟技術(shù)可以幫助污水廠運(yùn)營(yíng)人員實(shí)現(xiàn)這樣的目標(biāo)。”
碳足跡
努力提高能源利用效率必然有助于控制排放和減少污水處理廠的“碳足跡”。加州的一項(xiàng)新法律規(guī)定要求污水處理廠計(jì)算出自己的碳排放量和排放限值。除加州之外，至少還有其他兩個(gè)州也制定了類似的法律。
在碳排放領(lǐng)域，WERF一直以來都是行業(yè)先驅(qū)。Fillmore說她的任務(wù)就是給污水處理廠制定關(guān)于甲烷和氮氧化物排放量的新數(shù)據(jù)。
“大部分IPCC（政府氣候變化應(yīng)對(duì)小組）的碳足跡計(jì)算是基于假設(shè)的數(shù)據(jù)，”她說，“我們需要給我們的用戶更好的數(shù)據(jù)和指引，以取代這些假設(shè)”。
WERF的研究項(xiàng)目旨在更好地預(yù)測(cè)和了解如何進(jìn)行工藝改進(jìn)來減少排放，以及結(jié)果如何。
Fillmore解釋說，WERF開發(fā)了一種特殊的工具，將使污水處理廠的管理人員更有效地回收能源，減少碳足跡。也就是所謂的能源回收生命周期評(píng)估管理，或簡(jiǎn)稱為L(zhǎng)CAMER。
該管理工具可用于優(yōu)化處理工藝，通過觀測(cè)整個(gè)污水處理過程的碳平衡和熱平衡，最大限度地提高能源回收率并充分利用“嵌入式能源”。
“我們明年的一個(gè)重點(diǎn)研發(fā)方向是如何充分發(fā)揮碳、熱量和能源評(píng)估工具，將其作為一項(xiàng)用戶友好的產(chǎn)品，并將它和LCAMER一起廣泛推廣。”Fillmore說。
所有研究人員和政策制定者都贊成提高能源效率和減少美國(guó)污水處理廠的碳排放量需要采取幾個(gè)突破性的措施。簡(jiǎn)單地增加沼氣產(chǎn)量是不夠的，也不能僅限于節(jié)約能源或利用可再生能源。
Chasudhry提倡采用“整體方案”，其中能量被看作是水循環(huán)中每一步的重要組成部分，包括泵送、傳輸、處理、分布、收集和污水處理。在此方式下，節(jié)約用水和提高水的利用率才會(huì)在節(jié)約能源方面以一種更高效的方式產(chǎn)生平衡的、甚至帶來利潤(rùn)的回報(bào)。
紐約的O’Connor以另一種方式解釋了這個(gè)問題的嚴(yán)重性， “氣候變化和碳排放正在逐漸發(fā)展為威脅到公眾健康平衡的一部分，所以行動(dòng)已經(jīng)迫在眉睫。”
