【前沿技术】美国污水处理厂能量自给运行实例介绍

美国大芝加哥废水管理局（MWRD）成立于1889年，其职能就是保护当地的河流湖泊。目前下辖7座水再生处理厂（WRPs）和22座提升泵站，每年的电耗约6亿kWh，其制定的2023年目标就是通过一系列的节能行动并增加可再生能源开发利用，达到完全能量自给。

1节能计划

1.1建筑能源审计

MWRD专门雇了一家能源合同管理服务商，对所有的建筑能耗源进行分析审计，提出相应的节能措施或者采用新的节能产品更换老旧设备材料，比如采用升级的LED内饰照明及自控技术、蒸汽保温隔热材料或者更换锅炉设备等。根据估算，每年可以节约80万美元。

1.2能源削减

MWRD下辖的污水厂和泵站用电对当地电网造成非常重要的影响。当电网经历高峰用电时，MWRD主动通过关停部分设施、将污水调蓄在截流管内来削减用电量，帮助当地电力公司应对用电负荷高峰，电力公司作为交换每年补偿约190万美元。

1.3污泥干化替代

MWRD每年产生16.5万吨干污泥，并采用多种污泥管理，包括污泥林地回用、干化污泥用于公园或高尔夫球场或污泥造粒制造商业肥料。MWRD目前正在安装一套污泥堆肥设施（堆肥设施的能耗明显低于污泥干化），采用树皮或树木碎渣作为添加剂，通过高温堆肥制作A级污泥产品，预计2016年产生1万吨堆肥产品。

1.4新技术新工艺

氨氮排放会导致水体水质恶化，传统通过充氧去除氨氮的工艺需要大量能耗。新的氨氮去除工艺比如“厌氧氨氧化”或“短程硝化”在去除氨氮的同时，耗氧量减少导致能耗降低。MWRD目前正在其下辖的Egan污水厂建设一套用于离心脱水上清液处理的ANITATMMox厌氧氨氧化工艺。该工艺是一种基于MBBR技术的单级脱氮工艺，适用于高氨氮浓度的污水处理，其氨氮去除率大于90%，总氮去除率达到75%~85%，同时无需外加碳源，与传统硝化反硝化脱氮工艺相比能耗较低。

Egan污水厂利用原有溶气气浮池改建为ANITATMMox工艺池，该污水厂处理Egan污水厂（规模为50MGD）和Kirie污水厂（规模为72MGD）两个厂的污泥。由于工艺限制，污泥离心脱水上清液需要排入污水管道输送至15英里外的O’Brien污水厂，这加剧了管网的臭气和腐蚀问题。采用ANITATMMox工艺就地处理上清液，可以节约输送的能耗。

MWRD还在研究将厌氧氨氧化技术用于污水处理主流程，如果研究成功，将完全改变污水脱氮进程，节约曝气能耗40%以上，约1.2亿kWh/年，相当于4500户家庭的年用电量。

另外，MWRD还与GE公司合作，研究该公司一项国际领先的创新技术——膜曝气生物膜反应器（MABR），又称ZeeLungTM。该技术采用一种特殊的膜产品，将氧气通过这种膜供给附着在膜表面的生物膜微生物，能有效提高原有曝气池的处理能力，无需增设反应池，同时该技术还能改善TSS、氨氮的去除效果（尤其是低温条件和高峰流量期间）。据估计，该技术可节约供氧能耗40%左右。

该试验装置目前用在O’Brien污水厂的侧流处理工程中，用于确定MABR技术相应的硝化速率、氧转移速率和充氧效率等技术参数，一旦通过长期试验证明效果后，该技术将可用于整个污水处理处理流程（250MGD规模，雨季流量450MGD），每年能够节约电量达到1500万kWh。

1.5绿色屋顶安装

2014年，RacineAvenue泵站安装了一套33000平方英尺的屋顶系统，其中29300平方英尺是太阳光反射装置（反射指数为86），通过减少屋顶吸热而降低空调负荷；另外的3700平方英尺为绿色植物系统（包括8种不同植物种类），起到隔热、减少雨水径流、去除雨水污染负荷等效果。

2可再生能源开发

2.1水电开发

1907年，MWRD在芝加哥排水和航运渠道与DESPlaines河流交汇处新建了一座Lockport水电站，利用渠道排入河流近38英尺的水头落差进行水力发电，目前的装机容量为2台6MW发电机，每年发电量为4000万kWh，全部出售给当地电力公司。

2.2联合消化和甲烷利用

MWRD下辖污水厂采用厌氧消化处理污泥，7座污水厂的污泥集中到4座污水厂处理，厌氧消化池共计46个。厌氧消化产生的沼气含60%以上的甲烷，可以用来通过沼气锅炉产生蒸汽或热水用于消化池或其他工艺加热。

为了扩大沼气产量，MWRD接纳工业或商业有机废弃物作为消化池进料进行联合消化。有机废弃物包括固态或液态的来自食品加工、酿酒、奶制品、生物柴油厂的高浓度有机废料，以及来自餐馆和炼油厂的废油脂。MWRD在Calumet污水厂建了一座有机废弃物接收站，接纳储罐运来的有机废液。该厂的12座厌氧消化池通过联合消化，沼气产量增加了75%。MWRD还计划建设一座沼气处理站，将沼气进行提纯并压缩产生压缩天然气（CNG）供给车辆使用，从而减少汽油用量和温室气体排放。CNG销售收入和废弃有机物收集的处置费都可以补偿污水厂的运行费用。

MWRD目前还正在Stickney污水厂建设一套类似的联合消化系统。该厂的24个厌氧消化池将每天接纳100万加仑的来自当地餐馆和杂货店的食品废弃物，这类源头分类收集的有机物能将厌氧消化的沼气产量提高一倍，可以产生相当于每年2000万加仑汽油的CNG。

3热能利用

2012年，MWRD开始在Egan污水厂尝试安装太阳能光伏屋顶的太阳能热水系统，用于预热锅炉补充水，污泥处理热水及其他需要热水的场合。同时在Kirie污水厂尝试了污水源热泵，将处理后出水的余热用于厂内综合楼的空调，能够节约综合楼空调用电的50%左右。

4结论

MWRD一直致力于向能量自给的目标前进，为减少温室气体排放、推动周边社区和环境更清洁、更可持续发展做出贡献。

原标题：【前沿技术】美国污水厂能量自给运行实例介绍