磨刀不误砍柴工 | 法国巴黎地区污水处理节能降耗优化案例分享
在上世纪90年代，欧盟的城市污水处理指令(UWWTD1991)和水框架指令(Water Framework Directive，2000)对欧洲各国提高污水处理厂的出水标准提出了更严格的要求。响应欧盟政策，法国也制定了自己的2012-2018污水处理全国行动计划。许多法国大城市继而对污水厂进行改造升级，并采用各种能满足新要求的技术，如高密度沉淀池, MBR工艺、污泥热处理等。这些技术虽然满足了出水要求，但却增加了污水厂的运行能耗。
法国政府于2015年8月通过了《绿色增长能源转型法Energy Transition Act for Green Growth》，目标要在2030年温室气体减排40%，能耗减少20%，到2050年化石燃料使用减少30%，并推广可再生能源，使其占法国能源结构比重提高到32%。
▲ 位于法国巴黎的Seine Aval污水厂是欧洲处理量最大的污水厂(170万 m³/d)
在这样的背景之下，污水厂的运营者如何制定科学合理的能源优化方案呢？负责巴黎市850万人口、污水日处理量达250万立方米的Syndicat Interdépartemental d’ Assainissement de l’Agglom Parisienne (SIAAP, 巴黎大区污水处理局)，早在2005年就开始对这问题进行探索。他们对过往几年所属污水厂的能耗数据进行整理分析，理清其能源结构，为其能源优化方案制定了方针指南。
为了制定能耗优化方案，SIAAP设计了一个“两步走”计划。
第一步，绘制不同规模级别的能耗地图，分析能耗点分布，并定义首要节能减耗对象。在这个阶段，他们发现：
电耗是SIAPP六座污水厂消耗最大的能源类型。
Seine Aval(SAV)污水厂则是耗能最高的污水厂。
污水的生物处理工艺是最耗能的工艺，占总电耗的11%-31%。
曝气是处理工艺中主要的耗电大户。
第二步，从运行成本和能耗两个方面综合比较，引入仪表监测系统和建立合理的参照基准，对不同级别的优化方案方法论例进行描述。
指南大纲都应先针对高能耗工艺，然后再对其他环节进行处理。但是，他们从中发现要对整个处理工艺作综合考虑是十分关键的，而不是仅仅根据能耗效率这一单一因素对污水厂制定优化方案。
下面是从宏观层面、污水厂层面、工艺层面对污水厂能耗结构的解析。
SIAAP的污水日处理量约250万立方米，地理分布情况如下：
▲ SIAAP旗下六大污水厂(蓝点)的地理分布
电能、天然气和燃油是SIAAP污水厂的外来能源类型。下图是这三种能源在2010-2014年之间的消耗量以及费用情况。 为了更好地进行比较，天然气和燃油的消耗量都换算成以高位发热量(Higher Heating Value)计算的瓦时值(watt-hours)。天然气的转化因子是11.4542 kWh HHV/Nm³，而燃油的转化因子则是其低位发热量LHV系数9.92 kWh LHV/L 转化得到 (kWh HHV = 1.1 kWh LHH)。
▲ SIAAP污水厂在2010-2014年间三种能源的消耗量和费用
在2010-2014年间，总电耗在416-465GWh之间。前期优化工作曾使2011年电耗比2010年稍有减少，但随后几年的改造工程（如2012年SAV厂的脱氮工艺、2013年SEG厂的扩建、和2013年SEM厂的MBR）使总电耗有所增加。但在过去两年电耗水平基本维持不变，每年费用约2,600万欧元。
天然气年用量在61-85 GWh HHV之间，2012年SAM厂和2013年SEG厂的新增污泥处理增加了天然气用量。而这两个污水厂运行次数减少使2014年的数值回落。值得一提的是，天然气价格受市场价格影响较大，虽然2014年和2010年的费用一样，但实际上2010年的用量比2014年少15%。
燃油主要用于柴油发电机和SAV、SEC和SAM厂的污泥焚烧设备。2011-2014年的连续下降主要是因为SAV和SAM的消耗减少。
但总的来说，数据清晰显示在宏观层面来说，节能降耗的重点在电耗上，因为它的用量远高于后天然气和燃油。
在宏观分析基础上，SIAAP对2014年6个污水厂的能耗情况进行了进一步分析(生物沼气也计算在内)。结果显示SAV是电耗最大的污水厂，高达230GWh。值得注意的是，虽然SAV和SAM是电耗总量最大的污水厂，但它们的电耗占总能耗比是最低的：SAV为33%，SAM为48%。这是因为两个厂能回收大量的生物沼气，SAV的沼气满足了全厂65%的能耗，另一方面这也反映其他厂在可再生能源和热能管理上仍有许多工作需要优化。
因为SAV是能耗最大的污水厂，所以在污水厂层面的能耗分析，SIAAP把重点放到它身上。
▲ SAV污水厂外观优美的硝化池
SAV污水厂的总氮和总磷的年去除率标准为70%和80%。污水处理工艺主要由四大单元组成：预处理、传统生物处理、化学除磷和硝化反硝化脱氮。污泥经浓缩后送入消化器产沼气。消化器出来的污泥经再次浓缩、热处理和脱水后可作农用，而脱水浓缩液经MBRs处理回流到污水处理主线。
下面是SAV污水厂的能耗结构解析图：
超过70%的电耗用于污水处理工艺(预处理、生物处理、絮凝沉降和硝化反硝化)。值得注意的是，处理污泥消化液的电耗占了11%，若把这部分也算在内，污水处理的电耗超过80%，而污泥处理只占14%，而且其中一半用于消化罐的运行(搅拌压缩机)。总的来说，三个生物处理工艺是主要的耗电大户：活性污泥、硝化反硝化以及消化滤出液的MBR工艺（占总电耗的72%）。
在知道单个污水厂的能耗结构之后，下一步就是细分到处理工艺的能耗结构分析上来了。结果显示，曝气电耗分别占了在两个最大的电耗大户，活性污泥和硝化反硝化两个工艺的电耗的56%和45%。这个数字跟SIAAP其他污水厂以及其他地方的污水厂的数据吻合。
SIAAP的能源优化方案再次强调要从不同层面制定计划的重要性。首先要对污水厂处理链作整体考虑，因为污水厂的整体运营不仅仅关于节能降耗。而工艺和设备是往下两个需要考虑的层面。
处理链层面
SIAAP对不同处理工艺的总成本进行过比较。例如在SEC污水厂，他们对比了脱氮的两种运行模式。从下图可以看出，后置式的反硝化在能耗方面要优于前置后置结合。如果单纯考虑能耗的话，似乎应该选择后置式。但是后置式因为碳源不足，却大大增加甲醇的投加量。所以总体考虑反而是前置后置式会更好的选择。这个例子充分说明管理者应该将所有输入因素考虑在内，包括各种反应剂、天然气和电气的使用。
工艺层面
SEG污水厂尝试降低用于硝化工艺的曝气量。他们对曝气控制系统进行了修改，测量的是浸入生物滤池的空气流速。最初设定的最低值为8Nm/h，后来逐渐减少6、5r，然后是4Nm/h。结果证明这个参数的调整并没有影响反应表现，反而是曝气量减少了40%。这只是其中一个例子，说明有很多我们过去认为的经验参数是可以调整的。
设备层面
曝气是最主要的能耗单元，空气压缩机的选购也是节能降耗的一个突破点。SIAAP的团队在SAM污水厂对两台不同的空压机进行比较。在对相同工艺提供等量空气的情况下，第二台曝气机节省的电量约9-18MWh，这意味着一年3-6GWh的电耗差。使用仪表对空压机的通量进行检测，能帮助污水厂找到合适的设备。
SIAAP的能耗优化计划展示了污水厂的管理者应该根据自身情况选择合理的一个能耗评估标准。大部分的能耗调查都把焦点放到电耗上，但是如果污水厂的能耗类型不止电能的话，这个标准就不适用了。以SIAAP管理的6个污水厂为例，各个厂的能量来源都不同，所以他们选择了处理单位体积污水的总能量作为评估基准单位。
计算结果显示，除了新建的采用MBR工艺的SEM污水厂之外，其他5个厂的单位能耗在同一个数量级，而且都低于美国加州污水厂的平均能耗(1.69kWh/m³)，但是就高于一些在印度新德里的小型污水厂的单位能耗(1.07kWh/m³)。报告也提到如何对比不同工艺的能耗表现。只有出水水质近似的情况下，才有可能对MBR和传统活性污泥工艺作对比。
法国巴黎大区污水处理局SIAAP的能源优化案例告诉我们，污水厂的能耗优化是一个动态的过程，需要管理者坚持不懈和与时俱进的探索。要实现污水厂的能量平衡需要分析具体污水厂的能耗结构，积累充分的细节信息，然后因地制宜地制定合作的方案，最后真正地落实，才能一步一步地朝目标迈进。
参考资料
S. Azimi and V. Rocher, Energy consumption reduction in a waste water treatment plant, Water Practice & Technology, Vol 12, No 1, 104-116, DOI: 10.2166/wpt.2017.006