污水的內(nèi)含能及污水處理過程的耗能與節(jié)能

韋朝海 周紅桃 黃晶 韋聰 楊興舟 韋景悅 李澤敏 胡蕓 任源

摘 要：污水處理是一個高能耗、低能效的復雜過程。改變傳統(tǒng)認知，將污染物當作能量物質(zhì)加以資源化，回用于水處理過程或者產(chǎn)品化，可改變污水處理的能耗。以城市污水與焦化廢水為例，分析了水質(zhì)中污染物具有的內(nèi)含能形式，并探討了兩種計算方法，指出內(nèi)含能利用的兩類可能途徑和最大限度?；跓崃W基本定律與污水水質(zhì)特征，輔以適當?shù)漠斄考僭O(shè)，分析了污水處理過程中的不同形式能量消耗及其原因，運用能流圖表達了兩個具體案例的能量轉(zhuǎn)化與分布規(guī)律。比較了污水處理兩類節(jié)能評價方法的優(yōu)異性，提出了未來水處理可能的節(jié)能新途徑。在加深污水內(nèi)含能認識的基礎(chǔ)上，結(jié)合相關(guān)產(chǎn)業(yè)與工藝技術(shù)，分離回收有價值成分，如營養(yǎng)物（氮、磷）、重金屬等，并獲得水資源的再利用，以間接補償處理過程的能耗，從而實現(xiàn)節(jié)能目標。

關(guān)鍵詞：污水;內(nèi)含能;能耗;節(jié)能;物質(zhì)流;能量流

中圖分類號：X703.1;X131.2 ? 文獻標志碼：A ? 文章編號：2096-6717（2019）05-0151-13

Abstract：Wastewater treatment is a complex process with high energy consumption and low efficiency. Different from the traditional concept of wastewater treatment， the pollutants contained of wastewater can be regarded as energy materials or as the raw materials of other products to be havested to reduce the energy consumption. The forms of the pollutants embodied energy in wastewater were examined by employing two calculation methods and taking sewage and coking wastewater as examples. Moreover， two possible path ways for the utilization and maximization of the recovery of embodied energy during the wastewater treatment were discussed. The different forms of energy consumption and their causes in wastewater treatment process were analyzed based on thermodynamic laws and quality characteristics of the wastewater， with reasonable assumptions. The laws of energy transfer and distribution of two specific cases are expressed by the energy flow diagram. Some possible energy-saving approaches and wastewater treatment methods in the future are predicted by comparing different energy saving technologies. Based on in-depth understanding of the embodied energy in wastewaters， valuable elements such as nutrients （nitrogen， phosphorus） and heavy metals can be separated and recovered， and water resources can be reused by combining with related industries and technologies. Therefore， the goal of energy saving can be achieved by the indirect compensation of energy consumption in the wastewater treatment process.

Keywords：wastewater; embodied energy; energy consumption; energy saving; mass flow; energy flow

中國城鎮(zhèn)化和工業(yè)化的發(fā)展以及人民生活水平的提高，增加了污水和工業(yè)廢水的排放量，加劇了水環(huán)境污染的負荷程度。為了解決舊有污水處理廠現(xiàn)狀與標準不斷提高的工程技術(shù)需求的結(jié)構(gòu)性矛盾，污/廢水（文中用污水表達污/廢水）處理廠的大規(guī)模建設(shè)不僅消耗一次資源，持續(xù)運行的高能耗也成了新的挑戰(zhàn)。美國早在1978年就建成15 000多座污水處理廠，目前已經(jīng)超過20 000座，二級和二級以上生物處理系統(tǒng)占建廠總數(shù)的97%[1]。2008年，美國建成了迄今世界上最先進的污水處理廠，造價4.9億美元，占地8萬m2，能將約31.8萬m3/d污水轉(zhuǎn)化為飲用水[2]。最近幾年，美國加速了污水處理廠的升級改造，包括污泥、廢氣、能耗、風險等的綜合管理升級，在碳減排、深度處理及營養(yǎng)物質(zhì)循環(huán)利用等方面進行集成系統(tǒng)創(chuàng)新[3-4]。中國城市污水處理在20世紀80年代中后期才正式起步，1984年，采用改良傳統(tǒng)活性污泥法處理量達26萬m3/d的天津紀莊子污水處理廠的投產(chǎn)，標志著中國的污水處理進入一個新的階段[5]?！笆濉逼陂g，全國城鎮(zhèn)污水處理投資4 300億元，新增污水處理規(guī)模4 569萬m3/d，升級改造污水處理規(guī)模2 611萬m3/d，年COD削減量280萬t[6]。迄今，中國已經(jīng)建成污水處理廠5 800多個，形成了全國的基本覆蓋面，可以認為，中國的污水處理由污染防治階段進入了追求生態(tài)和諧的技術(shù)創(chuàng)新時代。由于污徑比的約束，中國大部分地區(qū)的地表水已經(jīng)沒有納污的環(huán)境容量，目前的解決途徑之一是推進地表Ⅳ類水的污水排放標準，但這將帶來水處理能耗的劇增。因此，評估污水的內(nèi)含能及其開發(fā)途徑已經(jīng)成為非常緊迫的任務(wù)。

如果所有的參數(shù)可以獲知，可按照式（2）～式（5）精準地計算污水的內(nèi)含能，但在現(xiàn)有的數(shù)據(jù)庫與儀器條件下無法完成。對此，可以嘗試通過假設(shè)估算其化學內(nèi)含能與分子動能的途徑來評估總內(nèi)含能的值。因此，發(fā)展更為先進的測量方法對計算方法的結(jié)果加以驗證，是未來水質(zhì)學與能量學結(jié)合研究的重點，目前的基礎(chǔ)研究與數(shù)據(jù)積累還比較薄弱。

1.1.2 水質(zhì)指標表征 污水內(nèi)含能的水質(zhì)指標表征是將污水內(nèi)含能與其處理評價指標相關(guān)聯(lián)，常用單位質(zhì)量COD的能量當量來表達。這種方法相對于前面的化學計算法，在一定程度上解決了污水水質(zhì)組成不能準確表達所帶來的缺陷。

表1列出了內(nèi)含能測定方法的發(fā)展。由簡單的熱量守恒到綜合利用彈式熱量計與冷凍干燥的結(jié)合，由此建立了與水質(zhì)指標COD的當量關(guān)系。在樣品的處理過程中，其揮發(fā)分損失高達26%，使得最后的測定值偏小，對此，需要對方法進行校正。水質(zhì)指標的表征相比于化學計算的準確性較低，但具有現(xiàn)實可操作性。兩種污水內(nèi)含能的計算方法各有缺陷，隨著計算機水平的發(fā)展與化學檢測手段的提高，兩種方法相結(jié)合可以獲得更為準確的污水內(nèi)含能計算值。

烘干和冷凍干燥法干燥樣品，彈式熱力計測樣品熱值，COD關(guān)聯(lián)污水內(nèi)含能 獲得某種污水內(nèi)含能為17.7～28.7 kJ/g COD;樣品測定揮發(fā)分損失18%～26%，建立了有機物與COD的當量值

1.2 污水內(nèi)含能的可能利用方式

根據(jù)式（2）～式（5）估算，COD=5 000 mg/L的1 m3焦化廢水的內(nèi)含能約為390 MJ，當量熱值換算成標準煤為13.32 kg。實際處理費用按10元/m3計，根據(jù)煤的市場價換算成標準煤消耗約5 kg/m3，是所含內(nèi)含能的37.5%左右。上述數(shù)據(jù)表明，只要開發(fā)約40%內(nèi)含能就可以滿足廢水處理費用的需求。

針對內(nèi)含能的開發(fā)利用，實際工藝處理過程中有兩種途徑：

第1種是利用微生物去除廢水中有機污染物，將易生物降解的有機物轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定礦化的物質(zhì)，過程中釋放的能量以ATP的形式儲存在微生物體內(nèi)。微生物獲得維持自身增殖所需的能量，其余部分以熱能的方式散失。通過分析可知，廢水中的污染物，特別是有機污染物，含有可被特定微生物菌群利用的內(nèi)含能[23]。

第2種是通過生化過程或者物理過程對內(nèi)含能加以開發(fā)回用。利用污水產(chǎn)生甲烷、氫氣或其他還原性氣體獲得高熱值能源供給工業(yè)與生活應(yīng)用，既厭氧降解了污染物，又減少了一次能源的消耗。通過可燃吸附劑（如活性炭）將有機污染物富集，獲得高密度能量共同體加以回收，也是污水能量轉(zhuǎn)化的一種有效途徑[24]。其他污水內(nèi)含能的可能利用方式需要進一步探討。內(nèi)含能的準確分析評價對于能量開發(fā)途徑的選擇至關(guān)重要。

2 能耗分析

污水處理的能量消耗與污水的自身水質(zhì)、進水流量/處理規(guī)模、選擇的處理技術(shù)與方法、出水水質(zhì)要求等因素有關(guān)。據(jù)統(tǒng)計，污水處理的能耗不是均勻單元工藝分布，大部分消耗在少數(shù)主要污染物的去除與轉(zhuǎn)化上，最關(guān)鍵的是有機物的降解與穩(wěn)定[25]。一般可以將污水處理的能耗劃分為直接能耗和間接利用能耗[26]。直接能耗為處理過程現(xiàn)場直接消耗的能源與資源，如電能與化學藥劑;間接利用能耗是維護工藝運行的能源資源的消耗，用當量能耗表示，如人工、設(shè)備折損等消耗。間接利用能耗難以準確表達，由于過程統(tǒng)計數(shù)據(jù)不完整，常用能量附加因子進行估算。

2.1 能耗分析的熱力學

2.1.1 能耗的熱力學分析基礎(chǔ) 熱力學第一定律表明，在一個特定的研究系統(tǒng)中，進入系統(tǒng)的能量分為被系統(tǒng)利用部分與排出部分，其總值不變。熱力學第二定律表明，在能量的轉(zhuǎn)化過程中具有一定的方向與不可逆特性。針對一個生物處理系統(tǒng)，進入系統(tǒng)的污水、營養(yǎng)元素、藥劑與空氣所攜帶的能量等于生物系統(tǒng)的污水、過程反應(yīng)產(chǎn)生的氣體與污泥帶走的能量，這由熱力學第一定律所決定。而對于曝氣風機，按照熱力學第二定律，其所耗電能肯定大于其轉(zhuǎn)化的機械能或者風能。

2.1.2 能耗的基本原理 在熱力學基礎(chǔ)上，得到能耗的基本原理是：輸入能量=有效利用的能量+損失能量，可以用能量流動表示?！艵=∑Ws+∑Q+∑E1+∑E2

（6） ?系統(tǒng)進入能量∑E與離開的各種形式能量和（∑Ws、∑E1和∑Q）加上內(nèi)部貯存能量∑E2相等。式（6）中：∑Ws為系統(tǒng)對外或外界對系統(tǒng)所作的軸功;∑Q為系統(tǒng)向周圍環(huán)境散發(fā)或由外界供給的熱量;∑E1為介質(zhì)（如出水、污泥）離開系統(tǒng)時帶走的部分能量，以能量損失的方式排出系統(tǒng)。定義進入研究系統(tǒng)或者系統(tǒng)對外做功/供熱的能量為正值，反之為負值。

圖1所示為自主研發(fā)的焦化廢水處理OHO工藝。進入系統(tǒng)的物質(zhì)有廢水、空氣/氮氣、藥劑，排出系統(tǒng)的有污泥、廢氣、油渣和出水，系統(tǒng)變化的是廢水的組成、氣體組成、微生物的增長/衰亡、設(shè)備的折損等當量能量，文獻[27]分析了OHO工藝每一個子單元的能耗因子，并建立了總能耗模型，本文不再贅述。結(jié)合圖1與式（6）可知，∑Ws包括污水提升與回流的水泵所做軸功、曝氣機提供空氣所做功、污泥輸送與脫水系統(tǒng)所做功以及混凝攪拌加藥系統(tǒng)設(shè)備所做功，可以歸一化表達為系統(tǒng)電耗;∑Q則主要包括各種反應(yīng)設(shè)備散發(fā)的熱量。其中，局部能量可以通過二次開發(fā)加以回收;∑E1包括外排水帶走的能量、污泥排出帶走的能量與好氧反應(yīng)系統(tǒng)尾風帶走的能量;∑E2主要指系統(tǒng)內(nèi)部微生物生長繁殖所積累的能量。

2.2 能耗分析的當量假設(shè)

在進行能耗分析時，由于反應(yīng)系統(tǒng)的龐大與污水水質(zhì)結(jié)構(gòu)的復雜，不能對每種污染物的反應(yīng)均一一進行能耗分析?？茖W的假設(shè)在系統(tǒng)能耗分析中顯得十分必要。

2.2.1 污染物的能量 污水中污染物的種類繁多，不可能列舉所有的污染物反應(yīng)進行能耗計算，而是把污染物看作一個整體，根據(jù)統(tǒng)計數(shù)據(jù)換算成單位質(zhì)量COD的當量能量。污水中污染物的能量采用COD換算，Owen[28]提出了污水中有機物由碳氫氧氮元素構(gòu)成，視為C10H18O3N，利用燃燒熱焓與COD的數(shù)值當量可得13.94 kJ/g（COD）。同樣，污泥中微生物細胞可以寫成通式C5H7NO2，且有機干物質(zhì)（ODS）燃燒產(chǎn)生的熱值在區(qū)間18～26 kJ/g（ODS）中變化[29]。

2.2.2 二次能源的當量熱值 在進行能耗分析時，二次能源及間接消耗的介質(zhì)通過熱量當量換算成一次能源。在污水處理系統(tǒng)中，電能是最主要的一次能源。目前，中國熱電聯(lián)產(chǎn)熱轉(zhuǎn)化效率約為45%，按1 kg標準煤的低位發(fā)熱量29.27 MJ計，生產(chǎn)1 kWh電能需消耗0.273 kg標準煤。若按照中國工業(yè)用電平均價格0.8元/kWh計，則1元人民幣的水處理費用相當于標準煤熱值9.99 MJ。因此，污水處理系統(tǒng)中的部分二次能源當量熱值可通過表2中的公式來計算。

2.2.3 能流圖 能流圖是表示能量（如熱能、電能等）流動狀況的圖示表達，可以針對整個系統(tǒng)性的工藝，也可以針對某個單元工藝或單獨設(shè)備的能量流動表征。根據(jù)能流圖，可以分析能源利用效率與余熱回收情況，進一步提高能源利用效率的可能性以及提出加強能源管理、提高效率、減少污染等方面的措施、辦法和計算方案。以典型的AAO工藝為例，其能流圖如圖2所示。能流圖的繪制規(guī)則是進入系統(tǒng)的能量值用長方形表達，其寬度一致，面積代表能值大小占比，輸出能量寬度代表能值大小占比。圖中，E其他能量為除電耗、藥劑消耗外的其他能耗，包括人力與設(shè)備折舊等，常用能量附加因子進行估算;E曝氣為曝氣系統(tǒng)能耗;E其他用電設(shè)備為除曝氣系統(tǒng)用電外的其他耗電設(shè)備能耗;E藥劑為在處理過程中所添加藥劑帶來的能耗，包括營養(yǎng)物料、混凝劑、絮凝劑以及堿等;E進水為進入該系統(tǒng)的污水所帶入的能量;E回用為回收廢水處理過程中有用的能量物質(zhì)，如沼氣;E散失為因機械設(shè)備能量耗散與曝氣池尾氣或者揮發(fā)氣體帶走的部分未被系統(tǒng)利用的能量;E出水為系統(tǒng)出水所帶出的能量;E剩余污泥為污泥排出所帶走的能量。

2.3 案例分析

以山東某污水處理廠與河北某廢水處理廠為案例，進行水質(zhì)指標與工藝流程分析，加上能量當量計算，最終結(jié)果以能流圖形式進行表征。兩個處理廠的水質(zhì)指標參數(shù)如表3所示。

山東某污水處理廠采用AB工藝，因為設(shè)計較高的COD進水，為達到脫磷除氮要求，B段實際采用了A2/O流程，即工藝組合為A+A2/O。曝氣池DO由PLC自動控制，一般維持在1.5～3.0 mg/L。剩余污泥由中間沉淀池和最終沉淀池排出，經(jīng)濃縮后壓濾脫水外運集中處理。工藝流程如圖3所示。

河北涉縣某企業(yè)焦化廢水處理廠采用O1/H/O2流化床生物處理組合工藝。該工藝由3個內(nèi)循環(huán)生物流化床組成;O1是第一好氧反應(yīng)器，通過曝氣去除大量有機污染物和毒性污染物，構(gòu)造適合于厭氧氨氧化的水質(zhì)條件;殘余少量大分子難降解污染物進入下一級的水解池H，在水解酸化作用下提高其可生物降解性能，與此同時，在H反應(yīng)池內(nèi)實現(xiàn)了脫氮反應(yīng)，是厭氧氨氧化與自養(yǎng)反硝化反應(yīng)的結(jié)合;二級好氧池O2的功能是徹底硝化低價含氮物質(zhì)與礦化所有的有機物。該工藝主要優(yōu)點為：3個反應(yīng)器的配合使用與回流結(jié)合，可實現(xiàn)多種廢水處理運行模式;與常用的A2O工藝相比，其占地面積小，約節(jié)能30%[27]。O1/H/O2系統(tǒng)的水與泥的物質(zhì)流表達如圖4所示。

山東某污水處理廠的日均水質(zhì)和能量指標來源于一個月的平均值，如表4所示。

河北某工業(yè)廢水處理廠的日均水質(zhì)和能量指標來源于一個月平均值，列于表5中。

在計算基礎(chǔ)上，根據(jù)能量圖繪制規(guī)則，將物質(zhì)傳遞伴隨的能量流動繪制成圖5所示的能量圖。

2.4 電耗與藥耗

直接能耗中有60%～90%為電能消耗，且與工藝選擇和管理水平有關(guān)。據(jù)統(tǒng)計[30]，中國在生活污水處理方面的電耗區(qū)間為0.14～0.28 kWh/m3。加之污泥處置能耗，該值增加到0.19～0.36 kWh/m3。而日本、美國的能耗均值分別為0.295 kWh/m3、0.200 kWh/m3[31]。從表面上看，中國與美國、日本幾乎無差別。分析處理工藝的不同可以發(fā)現(xiàn)，在日本，沉砂池不僅有洗砂還有通風與脫臭等配套技術(shù)，該反應(yīng)器可多耗電約0.01 kWh/m3;相比中國，美國、日本等出水要求更高，需要消毒處理而增加電耗為0.002 kWh/m3;另外，歐美把污水處理過程中產(chǎn)生的污泥都進行厭氧硝化、脫水處理，約增加電耗0.1 kWh/m3，卻沒有計算回收能量的抵消[32-33]。在自動控制儀表及其他輔助設(shè)備（如空調(diào)）等方面，美國、日本等耗電約多出0.003 kWh/m3。實質(zhì)上，中國污水處理廠能耗均值為0.275 kWh/m3，約為美國（0.085 kWh/m3）的3.25倍，是日本平均處理能耗（0.18 kWh/m3）的1.53倍。因此，有必要分析污水處理過程中的耗能原理，以直接能耗中占比最大的曝氣系統(tǒng)與間接能耗中的藥劑消耗為例進行分析。

2.4.1 生物曝氣系統(tǒng)的能耗 曝氣系統(tǒng)的能耗主要是曝氣風機的電耗，由風機工作功率決定。依據(jù)風量和功率進行風機選型，可以確定曝氣系統(tǒng)的電耗。因此，曝氣系統(tǒng)的電耗由系統(tǒng)生物反應(yīng)所需要的理論需氧量決定。選擇提供最逼近理論需氧量的風機是曝氣系統(tǒng)能耗最低的前提。

以O(shè)1/H/O2工藝的曝氣系統(tǒng)為例，設(shè)定生物出水中無亞硝酸根，在好氧池內(nèi)降解有機污染物并轉(zhuǎn)化氨氮為硝態(tài)氮。主要表現(xiàn)形式有3種，計算過程見式（7）～式（9）。[34]

式中：Kd為反硝化率，Kd=（1-TNe/TNi）×100%;OS為計算需氧量，kg/h;Q為進水流量，m3/d;CCOD為COD濃度，mg/L;CN、CCN、CSCN分別為氨氮、總氰化物、硫氰化物的量，mg/L;DO為溶解氧濃度，mg/L;TNi、TNe分別為進、出水總氮濃度，mg/L;a、b、c為3個過程的耗氧系數(shù)，取值分別為1.2～1.5、3.43、4.57;Kc為COD去除率;Rs、Rd為污泥與硝化液回流比[32]。

2.4.2 藥劑消耗 污水處理工程中添加的各種藥劑的主要功能分為3部分：第1部分是預處理中添加的混凝劑，去除污水中的雜質(zhì)與懸浮物，使得進入生物系統(tǒng)的污水具有較高的B/C值;第2部分是生物處理系統(tǒng)中加入的堿液與磷鹽，供給生物代謝生長的營養(yǎng)物質(zhì)，同時緩沖生物系統(tǒng)因有機物降解導致的pH值下降，維持生物系統(tǒng)的穩(wěn)定性與污染物的降解效率;第3部分是深度處理中投加的活性炭，吸附難以生物降解的污染物，使出水滿足達到排放的要求。因此，藥劑投加量的精準計算是藥耗的決定因素，投加量過低不能滿足微生物生長繁殖與進出水水質(zhì)的要求，使得系統(tǒng)無法正常運行;反之，投加量過高則增加了藥劑本身的能耗占比，且加大了污泥產(chǎn)生量與處理費用，同時增加了以水回用為目標的脫鹽能耗。以磷鹽（NaH2PO4）投加量進行計算，若以富氮缺磷為特征的焦化廢水為例，進水COD為3 500 mg/L、日處理量為1 000 m3、B/C為0.3，按照生物生長營養(yǎng)配比C∶N∶P=100∶5∶1計算，每天需要投加的NaH2PO4為40.64 kg。

3 節(jié)能評價與節(jié)能途徑

3.1 節(jié)能評價

污水內(nèi)含能的開發(fā)與污水處理過程的耗能，構(gòu)成了矛盾的兩個方面。通過評價一個污水處理過程的能量效率，可以判斷工藝的先進性及工程管理的水平，并作為節(jié)能的依據(jù)。常用方法有模型分析與指標評估，兩者均是基于熱力學基本定律。前者通過一系列污水處理廠的能量轉(zhuǎn)化統(tǒng)計數(shù)據(jù)，建立模糊或量化的模型;后者利用單位質(zhì)量污染物的去除或者單位經(jīng)濟水平增長所消耗的能量進行評估。

3.1.1 模型分析 模型分析是對過程系統(tǒng)節(jié)能評價的常用分析方法，主要包括能量衡算黑箱模型、火用平衡灰箱模型、改進的經(jīng)濟數(shù)學模型。

能量衡算分析是基于熱力學第一定律的一種方法，針對反應(yīng)器、處理過程或者一個完整工藝的能量轉(zhuǎn)移、轉(zhuǎn)化與利用以及過程中部分能量的損失加以分析[32]。最常見的是能量進出平衡的黑箱模型，用式（10）表達。E工質(zhì)+E消耗=E產(chǎn)出+E廢棄

（10）式中：E工質(zhì)為廢水內(nèi)含能（工質(zhì)污染物）;E消耗為處理耗能（電能、化學藥劑、氧氣帶入）;E產(chǎn)出為系統(tǒng)產(chǎn)能（有效利用）;E廢棄為廢棄能（CO2帶走、未利用的熱功）。

能量衡算黑箱模型只能求出能量的排出損失，但無法清楚解釋過程不可逆引起的能量損耗（功損失、火用 損失），不足以說明處理工藝過程和裝置在能量利用上的完善程度與分配關(guān)系。因此，無法通過單一的能量衡算分析為節(jié)能決策提供可靠依據(jù)，需要更進一步的研究。

火用 平衡分析法以熱力學第一、第二定律為基礎(chǔ)，通過火用 平衡分析，以能量品位與火用 利用度來表達反應(yīng)器裝置或者工藝過程能量利用率的一種方法[35-36]，結(jié)合反應(yīng)的特殊性和火用 的轉(zhuǎn)換方式而建立灰箱模型。以污水處理常見的生物反應(yīng)單元為例進行火用 平衡分析，其火用 平衡方程如式（11）所示?；鹩?平衡分析模型具體解析了生物處理過程的火用 變，其實質(zhì)是結(jié)合單元工藝的污水本身內(nèi)含能、微生物利用有機污染物產(chǎn)能和風機供氧的電力耗能來分析該單元工藝系統(tǒng)的過程節(jié)能和能量轉(zhuǎn)化。將污水所帶入的火用 值表達為內(nèi)含能，把微生物對污染物的生物氧化轉(zhuǎn)變成有用的產(chǎn)物/副產(chǎn)物或為微生物自身增殖的火用 值均表達為產(chǎn)能，而氧氣的輸入與污水的流動是通過風機與水泵消耗電能來實現(xiàn)，故過程系統(tǒng)的節(jié)能與內(nèi)含能及耗能保持一致性，是對兩種能量形式轉(zhuǎn)化的綜合表達。

式中：∑E-x為火用 總和;Ex，工質(zhì)為工質(zhì)（污水）火用 ;Ex，O2為空氣或氧氣火用 ;Ex，產(chǎn)物為產(chǎn)物輸出火用 ;Ex，濺溢為底物氧化后產(chǎn)能耗散火用 （熱耗散）;Ex，維持為細胞生命維持火用 ;Ex，增殖為生物增殖耗能火用 ;Ex，副產(chǎn)物為參與細胞合成的副產(chǎn)物火用 ;Ex，Q為輸出熱量火用 ;Ex，D為散失氧氣火用 ?；鹩?的單位均為kJ/d。

上述兩種模型分析方法都是通過能量的進入與輸出進行衡算，得到能量損失從而判斷節(jié)能。IOA（進出能量分析）分析方法是1970年首次提出用于解決經(jīng)濟學難題的經(jīng)濟學模型[37-38]。針對過程系統(tǒng)的特殊性，發(fā)展成為兩種典型的改進模型MR-IOA和LCI-IOA。IOA分析可以對系統(tǒng)進入工質(zhì)的數(shù)據(jù)準確性及對周邊環(huán)境的影響進行評估，已有學者研究發(fā)現(xiàn)，國家的統(tǒng)計平均數(shù)據(jù)并不能作為特殊地域污水處理工藝過程影響的評價依據(jù)，應(yīng)該根據(jù)當?shù)鼐唧w的氣象和水文數(shù)據(jù)來進行科學合理的評估，從而保證節(jié)能分析數(shù)據(jù)的可信度[39-40]。MCDA（多標準決策分析）方法是一種數(shù)學模型分析方法，直到1990年改進后應(yīng)用于污水處理領(lǐng)域[41]，通常是使用兩種不同的MCDA方法的綜合可以更好地解決過程影響控制的問題。有學者對美國加州Palo Alto地區(qū)的污水處理廠在集中式處理和分布式處理不同情況下資源的回收（水和能源）進行了對比分析，提出了除基本投資、生產(chǎn)工藝的主要影響因素之外，地理位置成為了最終單位污水處理費用的一個不可或缺的因素[42]。因此，在污水節(jié)能的研究中，MCDA方法相比IOA法，研究邊界更加寬廣且研究結(jié)果更加準確。

3.1.2 指標評估 指標評估是過程系統(tǒng)節(jié)能的另一個研究內(nèi)容，常用比能耗、單位GDP能耗、能量利用率等作為歸一化指標。比能耗是最直接的一個指標，去除單位質(zhì)量COD（或TOC）所需的能量消耗，常用表達方式為kJ/kg COD、kWh/kg COD或者 kJ/kg TOC、kWh/kg TOC，這與前面內(nèi)含能的表征具有一致性[43]。比能耗適合于相同工藝、類似水質(zhì)的評價。但其他情況基本無法比較，進水污染物濃度的顯著差異對比能耗的數(shù)值影響較大，可能得出相反的結(jié)果。例如，表4所示山東某污水廠進水濃度COD為104 mg/L，日進水量為46 588 m3，生物出水COD為26 mg/L，可得消耗當量總電能為26 827.9 kWh。同樣，表5中河北某工業(yè)廢水廠進水濃度COD為3 080 mg/L，出水COD為196 mg/L，日進水量4 580 m3，消耗當量總能為19 734 kWh。計算兩者比能耗，分別為26.58 MJ/kg COD、5.38 MJ/kg COD。河北某工業(yè)廢水的進水濃度是山東某污水廠的進水濃度約30倍，但河北某工業(yè)廢水的處理比能耗約僅為山東某污水廠處理比能耗的五分之一。

單位GDP能耗是從經(jīng)濟學的角度評價工業(yè)能源消耗的情況，是一種特殊的比能耗表示，常用每萬元經(jīng)濟增長標準煤消耗量表示。雖然可以從中得知不同行業(yè)經(jīng)濟效益與能耗的關(guān)系，但無法確定具體環(huán)節(jié)進行節(jié)能改進[44]。單位GDP能耗是通過年GDP總值與年污水總耗能的統(tǒng)計分析，得到經(jīng)濟發(fā)展與污水處理的對應(yīng)數(shù)值關(guān)系，但無法明確GDP與污水處理的內(nèi)在關(guān)系。

能量利用率指標以能量平衡原理為基礎(chǔ)，表達污水中污染物與外界環(huán)境作用的能量流占比?？捎檬剑?2）表示。η=∑E∑H×100%=E工質(zhì)+E輸出+E回收H工質(zhì)+H外供+H回收×100%

（12）式中：E為不同物質(zhì)或過程的有效能值（火用 值），kJ;H為裝置或系統(tǒng)處理過程的輸入能量（焓值），kJ。

上述指標可以評價節(jié)能效率，但對過程系統(tǒng)的節(jié)能與內(nèi)含能及耗能的相互影響關(guān)系沒有得到準確表征，污水處理節(jié)能不單是簡單的降耗的傳統(tǒng)認知，而是在處理成本與二次污染一定的前提下最大化地開發(fā)內(nèi)含能降低耗能的新方式，建立進一步歸一化的節(jié)能評價體系是未來重要的研究方向。

3.2 可能的節(jié)能途徑

節(jié)能途徑必須基于污水處理的能耗調(diào)查，依靠處理工藝能量分析予以驗證。對污水處理過程進行相應(yīng)的能量衡算可為后續(xù)提高能效奠定基礎(chǔ)。污水處理的主要能耗發(fā)生在生物處理工藝單元，尤其是曝氣與污泥處置兩個系統(tǒng)。對此，污水生物處理基于氧的調(diào)控實現(xiàn)節(jié)能存在多種策略[45-46]。充分研究污水的水質(zhì)結(jié)構(gòu)特征，基于新材料與單元反應(yīng)器的功能改進，開發(fā)新的污染物去除原理與優(yōu)化的工藝成為重要研究方向。新材料和高效反應(yīng)器的開發(fā)能降低工藝參數(shù)控制條件、顯著提高節(jié)能效率，但成本高是其不足（如膜材料[47]）。新工藝與能量轉(zhuǎn)化原理可以從根本上改變能量的轉(zhuǎn)換方式和轉(zhuǎn)變途徑，但其發(fā)明需要時間過長（如從一級O到二級O歷時近一個世紀[48]），最近的厭氧氨氧化與自養(yǎng)反硝化的協(xié)同實現(xiàn)總氮濃度趨零成為可能被證明為節(jié)能工藝[49]，對污泥加以管理也是重要節(jié)能途徑[50-51]，但針對實際污水的處理費用有待更多案例與長時間數(shù)據(jù)的評估。資源回收利用間接地增加產(chǎn)能并降低環(huán)境污染，如重金屬回收[52]，但回收成本可能過高或者回收方式較難?？茖W設(shè)計與合理管理可以減少不必要的浪費，精確控制從而達到節(jié)能的目的，但現(xiàn)實條件并不樂觀（如廠址位置[53]），需要挑戰(zhàn)許多實際問題。通過污水中有價值成分的分離回收，可作為化工產(chǎn)品加以循環(huán)利用[54];通過污水的深度處理，可獲得水資源的再利用;通過與其他產(chǎn)業(yè)的結(jié)合，如養(yǎng)殖、藻類培養(yǎng)、農(nóng)業(yè)灌溉等，可實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)間的資源互補;多途徑的不同組合，可實現(xiàn)不同層次的節(jié)能目標。節(jié)能途徑評價的科學性與集成技術(shù)的先進性緊密地結(jié)合在一起，需要人們加強原理理論、方法技術(shù)、工程案例、推廣應(yīng)用之間相互作用的認識。

4 討論

污水處理量大、能耗高已經(jīng)開始成為中國城市化發(fā)展的制約因素，從污水本身蘊含的內(nèi)含能、處理過程的耗能分析與工藝節(jié)能新途徑探索可能成為瓶頸突破的發(fā)展方向。對內(nèi)含能的認識是基礎(chǔ)，需要深入到物質(zhì)和分子水平的熱能、位能與化學能的3個組成部分，尋求內(nèi)含能開發(fā)的多種途徑和潛力。復雜組分污水及其變化過程的熱力學理論分析與當量假設(shè)的結(jié)合可以從不同層次上闡明能量轉(zhuǎn)化的方式與方向，能源當量假設(shè)有利于能量衡算與節(jié)能評價的分析，提供歸一化的可度量指標。通過對兩個污水性質(zhì)不同處理工藝過程的案例分析，指出了過程的電耗與藥耗是耗能的核心單元?；谠u價目標的不同，耗能分析已拓寬到一次能源以及人力資源等方面，但其科學性有待發(fā)展。對污水處理工藝節(jié)能的常用模型分析與指標評估兩種評價方法進行了比較，需要考慮污水水質(zhì)、處理工藝與當?shù)刭Y源/能源狀況等實際的結(jié)合。耗能與內(nèi)含能研究的最終落腳點是實現(xiàn)污水處理的最大節(jié)能與環(huán)境污染最小化，對此，可發(fā)展的研究方向包括物理、化學、生物領(lǐng)域新原理的發(fā)明，高效節(jié)能新型反應(yīng)器與優(yōu)化組合工藝的研制與開發(fā)，工藝控制的自動化與人力資源的合理調(diào)配等，需要通過加強過程預測與設(shè)計，明確系統(tǒng)工程的邊界等方面的結(jié)合。新原理與新方法的發(fā)現(xiàn)與建立應(yīng)從反應(yīng)的熱力學和動力學的本質(zhì)出發(fā)，追求原創(chuàng)性;新工藝與新反應(yīng)器的應(yīng)用改變處理過程中物質(zhì)傳遞條件與能量流動方式或途徑，從而改變能量轉(zhuǎn)化效率;科學合理的工藝設(shè)計與人員管理從側(cè)面減少運行能耗。歸納起來，準確認識污水的內(nèi)含能，將內(nèi)含能有效轉(zhuǎn)化為可利用的能量形式，同時，盡量減少過程耗能與二次污染，就是實質(zhì)性的節(jié)能。

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（編輯 胡英奎）