水与能源相互关联，密不可分。水处理需要能源，能源生产也离不开水。
水需要的能源
最低标准(或可接受水平)的水传输和水处理技术所需的能源为0.05至5千瓦时/立方米，数值的大小取决于水源种类(淡水、海水还是污水)和特定的地域参数，如气候、供水状况、用水量和人口密度。图2显示了城市水循环与处理过程中，各主要因素在不同地区的单位能耗。水和污水处理设施所消耗的能量大致在0.2千瓦时/立方米到1.4至1.5千瓦时/立方米的范围内波动，其具体值取决于取水扬程、水处理工艺流程和处理规模。输水设施所消耗的能量可达1.1千瓦时/立方米，并且在一些特殊情形下，如长距离运输，可能消耗更多的能量，“加州水资源项目”就是一个典型范例，耗能达2.5千瓦时/立方米。
采用先进的营养物去除法的污水处理和再利用需消耗更多能量。然而，相对于海水淡化和水资源长距离运输，污水再利用仍是更为节省成本和能源的方法之一。节省能源的高级水资源再利用工厂，如加州奥兰治县实施的“地下水补给系统”(GWRS)工程，用相对较低的能耗即0.53千瓦时/立方米来生产符合饮用水质标准的循环水。与以色列阿什克伦的一家同是节约能源的海水淡化厂相比，两家工厂的日处理能力类似(分别是265000立方米/天和330000立方米/天)，但先进的再生水厂耗能量比海水淡化厂低5.5倍，后者的耗能量为2.9千瓦时/立方米。
采用厌氧工艺去除营养物的能源优化型污水处理厂不仅可以将能量消耗降至0.35千瓦时/立方米，同时还可以发电，实现能源自给自足，例如拥有22万的人口当量的奥地利Strass污水处理厂。
海水淡化的能耗仍高于其他供水方式，但是高效反渗透膜和能源回收装置的使用已使大型海水淡化厂的单位能耗降至2.5至3.5千瓦时/立方米，并且降低了年度特定成本。
随着人们的建筑需求对气候变化更具适应性，加之人口增长，雨水收集技术在世界上日益流行。但需要强调的是，多数雨水收集系统都采用以高能耗为特征的抽水设备和雨水收集方案，耗能量通常在0.3至1.2千瓦时/立方米之间，并且伴随着明显的碳足迹。不过，大部分雨水收集系统规模较小，一般为个人或高层建筑使用，不宜与大型设施的能耗直接比较。新型重力驱动型雨水收集系统可以利用水流或太阳能来回收动能，这一创新可减少能源消耗，促进雨水收集技术的可持续性发展。
迈向正能量的污水处理
污水处理厂有望为未来生态城市提供能源。此处应强调地是，利用污水处理过程中回收的能源来满足污水处理设施的能源需求不应被当作一个目标，它应更多地被当作综合各地环境、社会和经济因素的全球水资源管理战略的一部分。改善污水水质应是首要目标，树立正确的目标后，要选择最实用的方法和技术来提高能源使用效率，优化污水利用方式以更好地生产和回收能源。创新能源回收技术必须更经济、可靠、易使用且对水质或环境无不良影响，这样才能更具吸引力。
对现行水资源管理方法的分析显示利用污水处理实来现能源自给是切实可行的。不过，对现有污水处理厂而言，欲实现这一目标还需要长期的优化过程，相对较高的投资，并且在更具能效的新设备上使用创新技术。
早在20世纪90年代初期，欧洲(奥地利、法国、德国、瑞士和瑞典)就已实行了能源优化的强大标准项目和指导方针，证明了能源优化利用的巨大潜力，当前这些国家的污水处理厂能源利用率可提升20%到50%。澳大利亚、美国和加拿大也启用了类似的能源节约项目。欧洲的一些污水处理厂还通过实施上述能源优化方案实现了高效利用能源和能源自给自足的目标。
如今，奥地利的两个市级污水处理厂实现了能源自给，即22万人口当量的Strass污水处理厂(见图4a)和人口当量为5万的Wolfgangsee-Ischl污水处理厂。两家能源自足的污水处理厂实行污水去除营养物处理和能源优化项目已有近20年的历史。他们能源优化的主要方式包括最佳曝气控制，从初沉池中回收更多的污泥，为厌氧消化提供更多的有机物质，优化中温条件下的厌氧污泥分解器的性能，提高热电联合节能量，以污泥脱水过滤设备为基质进行全程自养脱氮处理。
目前较少有文献介绍新型能源自给污水处理厂的设计和运营信息。在此，我们以约旦的AsSamra污水处理厂(见图4b)为例，做一个简单的介绍。自2008年试运行能源自足方案以来，AsSamra污水处理厂实现了90%以上的能源需求自给，成为污水处理厂能源自给的表率。这个人口当量达220万的污水厂每天为安曼及其周围居民处理267000立方米的污水，并为农业提供了优质再生水。
该厂应用活性污泥法脱氮，用氯杀菌消毒，对混合性污泥进行除味处理和厌氧消化，并且利用下一代技术，如：水轮机和沼气驱动的热电联产技术来满足其能源需求(需求的85%到95%)。这就意味着每人口当量的能源消耗为21.3kWh/pe.year(按110gCOD/pe.d计算)，稍高于奥地利Strass污水处理厂19.9kWh/pe.Year。但是AsSamra污水处理厂设有杀菌除味设施。
AsSamra工厂从污水中回收能量的作法旨在回收污水中的潜在能源。然而，这种方式获取的能源数量相对有限，并且取决于各地不同的情况，特别是当地的高差和水量大小。污水中有机物质所含的化学结合能量是最具回收潜力的能源方式。这里，能量平衡的状况取决于污水的有机物浓度、该国具体的人均用水量、下水道的类别、工业污水的比例及种类和其他地域特点。
图5通过两个范例阐述能量平衡现象。两个例子的共同点是均有相同的处理过程，包括初沉池、硝化作用/反硝化作用，污泥厌氧消化和沼气利用。得出的主要结论为：每人每年承载的化学需氧量(COD)分别为48公斤和42公斤，甲烷产出0.35LCH4/gCOD，潜在的沼气能含量为10千瓦时/立方米。在Strass例子中污水集中程度稍高，除此之外，二者的能量平衡状况非常相似：57%(96Wh/cap.year)的能量流入了污泥消化工艺，而只有26%(43kWh/cap.yr)的能量转化成了甲烷。同是32%的换能效率，只有8.9%的化学能以电能形式回收(15kWh/cap.yr)。
厌氧消化仍然是目前最具前景的从污水中回收化学能的技术。新兴的节省能源和生产能源的技术装置，如微生物燃料电池、微生物电解池和微生物脱盐电池有望在不远的将来变得切实可行。最大化每种潜在节能产能技术带来的产出，可使污水处理厂尤其是大型处理厂回收能源，并最终满足污水厂运行所需的全部能源，甚至有时会有能量盈余(所回收或生产的能量超出工厂运营所需的能量)。
结语
从当前城市水资源管理系统的结构中可以看出，人们消耗了大量的水和能源，大量的营养物质也没有得到有效利用。过去，水与能源被分开来管理，但是在“未来城市”，整个水循环系统应采用可持续性管理方式，限制能源消耗的同时最大程度地回收能源。
合理的城市规划是可持续水资源管理措施的基础，包括供水系统在两种地区的设计：一是整个城市水资源类型多样化，包括城区的雨水收集利用来最大程度地降低取水需求;二是在水资源稀缺地区实施分质供水，仅对少部分水进行可饮用标准的处理。
在水处理系统的末端环节，污水处理过程优化能源回收和水回用。污水不仅应被看作是一种实现水再利用的潜在的替代性水资源，还应被视为是一种富含营养物质和有机成分的潜在的能源来源。
也可以从“城市新陈代谢”这一概念入手来考虑优化水与资源关系的潜在方式。“城市新陈代谢”认为城市是一个有生命的系统，具有吸收和排泄功能。作为一个生命体，体内循环至关重要。有了循环功能，它才能从摄入的物质中(食物、能源、水和营养物质)最大化地获取能量，以排出体内的有毒残留物(传统污染物和新出现的污染物)。此外，引进双循环混合系统可以更好地进行源头分类、热量回收和沼气生产。
关于本文作者
ValentinaLazarova是苏伊士环境集团高级项目经理。Kwang-HoChoo是韩国庆北国立大学副教授。PeterCornel是德国达姆施塔特工业大学教授。
原标题：迈向正能量的污水处理厂
