苏伊士在法国30座大型污水厂的统计分析：运行成本、能效和污泥处置
在2018年7月的新加坡水周以及9月的IWA世界水大会上，水务巨头苏伊士公司的技术代表为出席者准备了题为《Benchmarking the 30 largest WWTP operated by Suez on the French Market: emphasizing OPEX, energy efficiency and sludge disposal》的综述报告，分享了其在法国境内运营的污水厂的技术概况、数据统计和基准设定，尤其是30座大型污水厂的数据。今天的IWA微信公众号将带大家回顾报告中的精彩内容。
法国35,000多个城镇行政区分布着20,000多个水委会，拥有超过21,000座污水处理厂，处理能力达1亿人口当量（PE），处理覆盖率约为80%。其中处理能力超过2,000PE的有3,683座。苏伊士在法国境内运营的污水厂有1,600多座，而当中的30座规模最大的污水厂（PE>100000）占了总处理能力、总能耗和总污泥产量的50%。对此他们表示，要想改善运行成本，大型污水处理厂是关键。
图1. 法国污水处理关键数字概览
法国根据污水厂的规模将处理要求分为三类：
人口当量>2000PE：一般地区-除碳（BOD, COD, TSS）
人口当量>2000PE：敏感地区-去除营养物（氮磷）
人口当量>2000PE： 除碳（BOD,COD, TSS）
表1. PE>2000的污水厂的处理标准
尽管在这份报告里仅分享了苏伊士在过去20年运行法国大型污水厂的基准情况和各种经验教训，但是苏伊士的技术代表表示，尽管大型污水厂的处理能力和能耗占有率都很高，是优化升级的首要目标，但这不等于可以忽略小型污水厂的运行表现，因为这些污水厂对未来分散式系统的管理业十分重要。他们希望技术和经济的关键指标将为污水厂进一步创新和发展方向提供新的思考角度。
统计结果显示，这30座污水厂里有约一半的规模在100,000-200,000 PE范围内。能耗、污泥处置和化学药剂是除了人工之外最大的成本组成，其中能耗又是三者中最大的一个，而曝气则占了总能耗的40-60%。这些污水厂产生的污泥里，45%用于堆肥，18%送至焚烧厂，33%作土地利用。
表2. 苏伊士在法运营的30个大型污水厂的规模分布
图3. 法国污水厂的运行成本解析
对于能耗的优化，他们总结了三个方面的措施，第一是通过控制MLSS浓度对F/M进行有效管理，其次是高级曝气控制（SMART系统），第三是配置新的浓缩单元和工艺升级。
这30座污水厂的处理工艺和技术概况如下表所示：
表3. 30座大型污水厂的技术概况
结果显示，CAS依然是最主要的处理工艺。在上世纪90年代的十年里很多新建的污水厂采用了BAF工艺，而在2005年之后，MBR的业绩开始增长。厌氧消化工艺的覆盖率只有约50%。其中热电联产的电能只能覆盖这些污水厂2%的电耗。作者表示要进一步推进CHP和沼气加工设备的普及。
设计阶段对进水数据进行评估是十分重要的。法国污水厂的平均有机负荷率为50%，而苏伊士全球范围的有机负荷率在89%；而在水力负荷方面，法国污水厂的负荷率（66%）则远高于苏伊士大型污水厂的44%。这说明在法国地区，水力负荷是更重要的一个设计变量，而有机负荷则是运行成本的关键绩效因子。对于法国污水厂有机负荷率偏低的现象，报告作者给出了四个主要原因：
人口分布的演变与预期相比有所下降
住房/工业区与污水管网连接的时间间隔较长
与经济活动相关的季节性变化（例如旅游业）
工艺单元设计冗余过大（预处理等）
在过去15-20年的运营中，苏伊士都得到了什么经验教训呢？报告中他们主要分享了能耗和污泥产量两大方面的内容。
首先他们谈到能耗的情况。苏伊士将其运营的法国污水厂的统计结果做成了下面这个有机负荷率和能耗的函数曲线（图4），并定了两个关键代表点A和B，前者表示的是投标单位使用的满负荷情况的理想能耗值，而B点是一般污水厂实际平均负荷下的能耗情况（50%）。
图4. 苏伊士在法国运行的污水厂的能耗表现
对于未来新型污水厂的能耗评估，我们应该采用哪个点作为参考基准呢？苏伊士的技术人员认为B点是实际的能耗情况，但目前污水厂的设计又全都是按A点来计算，这也就是假设运行成本与实际运行成本（OPEX）之间差值的来源。
根据法国污水厂的运营经验，他们认为投标或设计单位在对污水厂的全生命周期成本（WLCC）进行核算的时候，应该要将A、B两点的情况作综合考虑，目的是使污水厂在低负荷运行时的成本最小化，这样也能更好地选择合适的工艺技术，因为大部分的新建污水厂在很长一段时间内都是在非满负荷或者低负荷情况下运行的。而且这样反过来也能降低投资成本（CAPEX）。
另外他们对30个大型污水厂的能耗做了单独分析。结果显示大型污水厂的投资更大，但大部分的能效都优于平均值。这些污水厂一般也配有厌氧消化或者深度的污泥处理设备。
图5 30座法国大型污水厂的平均能耗表现
我们平时总会听到各家公司标榜自己的污水处理工艺比传统的活性污泥能耗少，但实际情况如何呢？苏伊士的统计结果也许有很好的参考价值。他们发现，在满负荷运行的情况下，所有技术的能效其实基本是相同的。但是在低负荷（50%）的情况下就有明显差异了。如下图所示，SBR、CAS和BAF工艺在低负荷的情况下能效最低，而MBR的能耗明显高于其他工艺。但是作者也表示，MBR出众的出水质量似乎又让高出的电费物有所值，并且觉得MBR其实“就像一种三级处理”。
图6.不同工艺的能效对比
图7.MBBR和IFAS的能耗情况
除此以外，他们还分享了两种新兴工艺的能耗情况，包括了MBBR和IFAS。前者在法国有两个案例，IFAS只有在外国的项目。数据显示，IFAS的能效与传统活性污泥接近，而MBBR的能耗比MBR还要高，但出水水质要比MBR的逊色。在MBBR里，用于搅拌混合塑料填料的能耗可能比生化作用所需供氧的能耗要高（包括DAF单元）。所有调查工艺的平均能耗情况见下表：
表4 苏伊士在法运行的污水厂的各种工艺的能耗对比
然后他们考察了各工艺在污泥产量上的表现。如果从碳转移和产能的角度来评估，生物过滤是最优工艺选择，因为：
其单位污泥产量最高，
有机含量最高，经传统脱水后，其最终含固率最高（CEPT+BAF工艺出后的含固率超过23%）
用于回收甲烷和沼气的低热值最优
脱氮除磷所需能耗低
建筑占地面积也较低
表5 不同工艺的单位污泥产量对比
表6 不同工艺的污泥特性对比
在最后，作者分享了他们在法国污水厂运营实践中看到的未来发展趋势。他们认为厌氧氨氧化、沼气提纯、协同消化等技术是污水厂实现能耗平衡的必要元素。另外他们也注意到，在法国除了改善污水厂的终端处理之外，对整个污水管网的优化也是未来水务管理的趋势之一，例如雨污分流、新兴微量污染物的处理等。
对于未来水资源回收工厂的愿景，他们总结了5大方向：
能效的优化：具体措施包括处理工艺的选择、通过先进的曝气控制技术降低运行成本、碳捕获的优化等。
营养物回收： 通过生产有附加值的肥料来创收
污泥减量与回用：生产高护眼顾虑的生物炭降低运行成本和运输成本。
沼气回用：沼气提纯以丰富用途
新生物质的生产： 各种新兴生物技术的应用
图8 SUEZ对未来污水愿景的展望
近年来，全球污水处理正在从1R模式（Remove）向4R模式演变（Reuse、Recover、Reduce和Remove）。我们都在努力地建设能量平衡甚至是能量盈余的污水厂。但要真正实现从“污水处理厂”向“水资源回收工厂”的转变，需要在实际项目的设计阶段就做出一些改变。苏伊士通过分享其过去15-20年间在法国的污水处理运营经验，让我们看到了如何因地制宜地在能耗和污泥处理方面作出改善。
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