水與能源相互關聯(lián)，密不可分。水處理需要能源，能源生產(chǎn)也離不開水。

水需要的能源

最低標準（或可接受水平）的水傳輸和水處理技術所需的能源為0.05至5千瓦時/立方米，數(shù)值的大小取決于水源種類（淡水、海水還是污水）和特定的地域參數(shù)，如氣候、供水狀況、用水量和人口密度。圖2顯示了城市水循環(huán)與處理過程中，各主要因素在不同地區(qū)的單位能耗。水和污水處理設施所消耗的能量大致在0.2千瓦時/立方米到1.4至1.5千瓦時/立方米的范圍內波動，其具體值取決于取水揚程、水處理工藝流程和處理規(guī)模。輸水設施所消耗的能量可達1.1千瓦時/立方米，并且在一些特殊情形下，如長距離運輸，可能消耗更多的能量，“加州水資源項目”就是一個典型范例，耗能達2.5千瓦時/立方米。

采用先進的營養(yǎng)物去除法的污水處理和再利用需消耗更多能量。然而，相對于海水淡化和水資源長距離運輸，污水再利用仍是更為節(jié)省成本和能源的方法之一。節(jié)省能源的高級水資源再利用工廠，如加州奧蘭治縣實施的“地下水補給系統(tǒng)”（GWRS）工程，用相對較低的能耗即0.53千瓦時/立方米來生產(chǎn)符合飲用水質標準的循環(huán)水。與以色列阿什克倫的一家同是節(jié)約能源的海水淡化廠相比，兩家工廠的日處理能力類似（分別是265000立方米/天和330000立方米/天），但先進的再生水廠耗能量比海水淡化廠低5.5倍，后者的耗能量為2.9千瓦時/立方米。

采用厭氧工藝去除營養(yǎng)物的能源優(yōu)化型污水處理廠不僅可以將能量消耗降至0.35千瓦時/立方米，同時還可以發(fā)電，實現(xiàn)能源自給自足，例如擁有22萬的人口當量的奧地利Strass污水處理廠。

海水淡化的能耗仍高于其他供水方式，但是高效反滲透膜和能源回收裝置的使用已使大型海水淡化廠的單位能耗降至2.5至3.5千瓦時/立方米，并且降低了年度特定成本。

隨著人們的建筑需求對氣候變化更具適應性，加之人口增長，雨水收集技術在世界上日益流行。但需要強調的是，多數(shù)雨水收集系統(tǒng)都采用以高能耗為特征的抽水設備和雨水收集方案，耗能量通常在0.3至1.2千瓦時/立方米之間，并且伴隨著明顯的碳足跡。不過，大部分雨水收集系統(tǒng)規(guī)模較小，一般為個人或高層建筑使用，不宜與大型設施的能耗直接比較。新型重力驅動型雨水收集系統(tǒng)可以利用水流或太陽能來回收動能，這一創(chuàng)新可減少能源消耗，促進雨水收集技術的可持續(xù)性發(fā)展。

邁向正能量的污水處理

污水處理廠有望為未來生態(tài)城市提供能源。此處應強調地是，利用污水處理過程中回收的能源來滿足污水處理設施的能源需求不應被當作一個目標，它應更多地被當作綜合各地環(huán)境、社會和經(jīng)濟因素的全球水資源管理戰(zhàn)略的一部分。改善污水水質應是首要目標，樹立正確的目標后，要選擇最實用的方法和技術來提高能源使用效率，優(yōu)化污水利用方式以更好地生產(chǎn)和回收能源。創(chuàng)新能源回收技術必須更經(jīng)濟、可靠、易使用且對水質或環(huán)境無不良影響，這樣才能更具吸引力。

對現(xiàn)行水資源管理方法的分析顯示利用污水處理實來現(xiàn)能源自給是切實可行的。不過，對現(xiàn)有污水處理廠而言，欲實現(xiàn)這一目標還需要長期的優(yōu)化過程，相對較高的投資，并且在更具能效的新設備上使用創(chuàng)新技術。

早在2 0 世紀9 0 年代初期，歐洲（奧地利、法國、德國、瑞士和瑞典）就已實行了能源優(yōu)化的強大標準項目和指導方針，證明了能源優(yōu)化利用的巨大潛力，當前這些國家的污水處理廠能源利用率可提升20%到50%。澳大利亞、美國和加拿大也啟用了類似的能源節(jié)約項目。歐洲的一些污水處理廠還通過實施上述能源優(yōu)化方案實現(xiàn)了高效利用能源和能源自給自足的目標。

如今，奧地利的兩個市級污水處理廠實現(xiàn)了能源自給，即22萬人口當量的Strass污水處理廠（見圖4a）和人口當量為5萬的Wolfgangsee-Ischl污水處理廠。兩家能源自足的污水處理廠實行污水去除營養(yǎng)物處理和能源優(yōu)化項目已有近20年的歷史。他們能源優(yōu)化的主要方式包括最佳曝氣控制，從初沉池中回收更多的污泥，為厭氧消化提供更多的有機物質，優(yōu)化中溫條件下的厭氧污泥分解器的性能，提高熱電聯(lián)合節(jié)能量，以污泥脫水過濾設備為基質進行全程自養(yǎng)脫氮處理。

目前較少有文獻介紹新型能源自給污水處理廠的設計和運營信息。在此，我們以約旦的AsSamra污水處理廠（見圖4b）為例，做一個簡單的介紹。自2008年試運行能源自足方案以來，AsSamra污水處理廠實現(xiàn)了90%以上的能源需求自給，成為污水處理廠能源自給的表率。這個人口當量達220萬的污水廠每天為安曼及其周圍居民處理267000立方米的污水，并為農(nóng)業(yè)提供了優(yōu)質再生水。

該廠應用活性污泥法脫氮，用氯殺菌消毒，對混合性污泥進行除味處理和厭氧消化，并且利用下一代技術，如：水輪機和沼氣驅動的熱電聯(lián)產(chǎn)技術來滿足其能源需求（需求的85%到95%）。這就意味著每人口當量的能源消耗為21.3kWh/pe. year（按110gCOD/pe . d計算），稍高于奧地利Strass污水處理廠19.9kWh/pe.Year。但是AsSamra污水處理廠設有殺菌除味設施。

AsSamra工廠從污水中回收能量的作法旨在回收污水中的潛在能源。然而，這種方式獲取的能源數(shù)量相對有限，并且取決于各地不同的情況，特別是當?shù)氐母卟詈退�量大小。污水中有機物質所含的化學結合能量是最具回收潛力的能源方式。這里，能量平衡的狀況取決于污水的有機物濃度、該國具體的人均用水量、下水道的類別、工業(yè)污水的比例及種類和其他地域特點。

圖5通過兩個范例闡述能量平衡現(xiàn)象。兩個例子的共同點是均有相同的處理過程，包括初沉池、硝化作用/反硝化作用，污泥厭氧消化和沼氣利用。得出的主要結論為：每人每年承載的化學需氧量（COD）分別為48公斤和42公斤，甲烷產(chǎn)出0.35LCH4/gCOD，潛在的沼氣能含量為10千瓦時/ 立方米。在Strass例子中污水集中程度稍高，除此之外，二者的能量平衡狀況非常相似：57%（96Wh/cap.year）的能量流入了污泥消化工藝，而只有26%（43kWh/cap.yr）的能量轉化成了甲烷。同是32%的換能效率，只有8.9%的化學能以電能形式回收（15 k W h /cap.yr）。

厭氧消化仍然是目前最具前景的從污水中回收化學能的技術。新興的節(jié)省能源和生產(chǎn)能源的技術裝置，如微生物燃料電池、微生物電解池和微生物脫鹽電池有望在不遠的將來變得切實可行。最大化每種潛在節(jié)能產(chǎn)能技術帶來的產(chǎn)出，可使污水處理廠尤其是大型處理廠回收能源，并最終滿足污水廠運行所需的全部能源，甚至有時會有能量盈余（所回收或生產(chǎn)的能量超出工廠運營所需的能量）。

結語

從當前城市水資源管理系統(tǒng)的結構中可以看出，人們消耗了大量的水和能源，大量的營養(yǎng)物質也沒有得到有效利用。過去，水與能源被分開來管理，但是在“未來城市”，整個水循環(huán)系統(tǒng)應采用可持續(xù)性管理方式，限制能源消耗的同時最大程度地回收能源。

合理的城市規(guī)劃是可持續(xù)水資源管理措施的基礎，包括供水系統(tǒng)在兩種地區(qū)的設計：一是整個城市水資源類型多樣化，包括城區(qū)的雨水收集利用來最大程度地降低取水需求；二是在水資源稀缺地區(qū)實施分質供水，僅對少部分水進行可飲用標準的處理。

在水處理系統(tǒng)的末端環(huán)節(jié)，污水處理過程優(yōu)化能源回收和水回用。污水不僅應被看作是一種實現(xiàn)水再利用的潛在的替代性水資源，還應被視為是一種富含營養(yǎng)物質和有機成分的潛在的能源來源。

也可以從“城市新陳代謝”這一概念入手來考慮優(yōu)化水與資源關系的潛在方式。“城市新陳代謝”認為城市是一個有生命的系統(tǒng)，具有吸收和排泄功能。作為一個生命體，體內循環(huán)至關重要。有了循環(huán)功能，它才能從攝入的物質中（食物、能源、水和營養(yǎng)物質）最大化地獲取能量，以排出體內的有毒殘留物（傳統(tǒng)污染物和新出現(xiàn)的污染物）。此外，引進雙循環(huán)混合系統(tǒng)可以更好地進行源頭分類、熱量回收和沼氣生產(chǎn)。

關于本文作者

Valentina Lazarova是蘇伊士環(huán)境集團高級項目經(jīng)理。Kwang-HoChoo是韓國慶北國立大學副教授。PeterCornel是德國達姆施塔特工業(yè)大學教授。

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