十个希腊污水厂能耗与温室气体排放的案例分析

在众多欧洲国家，污水处理厂的传统工艺及管理方式由于高能耗，高碳足迹而不可持续。在美国，平均的污水处理厂能耗约为每年每人29kWh/PE,  处于在16到71 kWh的范围。在欧洲，对应的能耗范围为20-120kWh/PE。Jonasson等人的调查表明，英国、瑞典和奥地利污水处理厂的平均能耗分别为38、42、35 kWh/PE。也有研究指出五个北欧的污水处理厂能耗为31-47.2kWh/PE，南澳大利亚的污水厂能耗为30-120kWh/PE （平均为60kWh/PE）。德国的指南设定最优污水能耗范围为20-30kWh/PE，随着工艺的不同，能耗也会有所差异。

污水处理厂已经被公认为是水工业界温室气体排放的主要来源。Gustavsson和 Tumlin的研究表明当使用有脱氮功能的传统活性污泥法时，处理每立方污水的温室气体排放量约为0.9-2.2kgCO2，他们同时也认为污水处理过程中最主要的温室气体贡献来自于N2O。如何在不影响处理水质的情况下，经济可行地降低温室气体排放，已经成为众多污水处理厂面临的一大挑战。

D. Mamais等人以十个希腊的污水处理厂为研究对象。这些污水厂的服务人口范围从1万到4百万，工艺也多种多样，如传统活性污泥法加污泥厌氧消化、延时曝气脱氮等。生物处理系统占整个污水厂能耗超过55%，而生物处理系统中的曝气是主要能耗单元。其次，预处理系统和污泥处理系统分别约占整个污水厂能耗的11%和8%。

研究表明十个污水厂的平均能耗在夏季要高于冬季(如Figure 1)，夏季平均为42.3 kWh/PE，冬季为34.5kWh/PE。规模较小的五个污水厂（1.5万-10万人口当量，WWTP 1-5，无初沉池，采用延时曝气工艺），平均能耗为44kWh/PE，而规模相对较大的五个污水厂（10万-400万人口当量，WWTP 5-10，均有污泥厌氧消化加沼气产热系统），平均能耗为32kWh/PE。

污水处理厂的温室气体排放可分为直接排放和间接排放。直接排放主要来源于生物处理、污泥处理、生物沼气燃烧（用于产热或产电）；而间接排放主要和能源消耗及污泥处置有关。在该研究中规模较小的五个污水厂，由于采用延时曝气工艺，温室气体平均排放量为110 kgCO2/PE，普遍高于五个规模较大并采用传统活动污泥工艺的污水厂的平均排放量80kgCO2/PE。直接排放占比平均为45%。此外，随着污水厂规模的提高，直接排放温室气体占比下降而间接排放占比增加。

研究人员同时对希腊雅典市最大的污水厂Psyttalia（处理水量为4百万人口当量）做了更为细致的能耗解析。Psyttalia污水厂在2004年8月完成全部建设，在旱季的平均处理水量达到每日1百万吨，确保排放水BOD小于25mg/L, 总氮小于10mg/L。

处理工艺中有12个生物反应池，总容积为298,140立方米，后续接64个矩形二沉池，总表面积为52,150平方米。该污水厂已经采取了一系列的能耗优化措施，如通过厌氧消化产沼气发电，应用高效曝气系统（变频鼓风机、超细气泡分散、溶解氧监测与控制等）。研究分析指出，通过降低溶解氧浓度，可以节约6-10.1%的能耗（相当于每年1400-2900 MWh）；降低污泥龄可节能6.2%；通过上述优化措施，该厂每年可节能4500 MWh。

摘译自 Wastewater treatment process impact on energy savings and greenhouse gas emissions。原文发表于国际水协会学术刊物 Water Science & Technology

D. Mamais, C. Noutsopoulos, A. Dimopoulou, A. Stasinakis，and T. D. Lekkas; Wastewater treatment process impact on energy savings and greenhouse gas emissions; Water Science & Technology, 71(2):305-308, 2015