水和能源是不可分割的，应该作为一个整体的考虑，关于生产水需消耗的能源，李涛博士给出了这样一则数字：美国水系统能耗占全社会总能耗4%~5%, 英国3%，以色列10%，中国为1%。 美国加州因为有北水南调的项目，约20%的电耗与水有关。水处理过程中10%~35%的成本与能耗有关。在水务公司中，能源成本居运行成本第二位。

随着水质标准的提高，水处理系统的能耗将进一步增加。而目前，世界范围内缺乏对水末端处理利用能耗的标准或法规，这一领域的研究还在不断发展进行中。

图1 水和能源的流向示意图

水系统中与能源有关的热点问题

供水和排水系统中如何节能

节水技术;

供水管网的压力管理与漏损控制;

自动化控制技术(如：变频，新型传感器) ;

污水处理新技术的应用(如：厌氧氨氧化Annamox) ;

非传统水资源的利用(雨水、污水回用等) 。

能源回收

以家庭为单位的热能回收(如洗浴水) ;

污水系统中热能回收(水源热泵) ;

污水中有机质产能(Biogas) 。

能源自给的污水处理厂

节能技术;

新能源应用;

产能。

节能主流技术

供水管网管理

计量分区管理，有效减低系统压力，降低管网物理漏失;压力控制，降低爆管几率，延长管网使用寿命。水十条对规定了中国各大自来水公司要求达到12%以下的漏损指标，建设部委正在申报新的官网漏控标准，供水官网的压力管理与漏损控制是未来3~5年中国供水行业关注的焦点。

精确曝气复合控制技术

一般活性污泥法中，曝气约占系统总能耗的50%~70%。利用溶解氧、氨氮传感器的组合，可有效降低10%~30%实际运行中的曝气量，技术路线图见图2。

厌氧氨氧化

厌氧氨氧化技术适合C/N低的情况(如食品、发酵行业)。因为降低了曝气量，几乎无碳源(无需外加甲醇)消耗，故曝气量降低60%，污泥量降低80%，加碱量降低50%，GHG排放降低90%。目前厌氧氨氧化在中国还没有大量的应用，但中国概念污水处理厂的研发团队也在尝试运用这个技术。理论上，主流厌氧氨氧化+厌氧消化能让污水厂实现能耗自给。

好氧颗粒污泥

好氧颗粒污泥优异的沉降性能有益于保持更多的微生物量、更高的微生物浓度、更合理的微生物群落结构、更强的抗冲击负荷的能力、显著降低占地面积。好氧颗粒污泥系统比传统活性污泥系统的能耗降低了50%~60%。

正渗透“低能耗”海水淡化

正渗透技术是近几年世界范围内开始关注并投入应用的一种新的水处理工艺，相比反渗透技术而言，正渗透由于在水处理过程中不需要反渗透那样的加压过程，因此，可以实现工业污水的零排放和海水淡化的低成本运行，从而达到高效、节能和环保。

新型脱盐膜材料

水通道蛋白膜具有高选择性，透水性100倍于RO膜;拥有0.28 nm孔径，几乎是单个水分子的尺寸。AqpZ蛋白可在4℃下储存数月，但在持续使用中很难保持稳定性。

碳纳米管通道孔径为0.47 nm，几乎可100%脱盐;理论通量是RO的10倍。

石墨烯膜具有快速输水性能和良好的机械性能，透水性比RO高两个数量级。

产能主流技术

微生物燃料电池

微生物燃料电池(Microbial fuel cell, MFC)是一种以产电微生物为阳极催化剂将有机物中的化学能直接转化为电能的装置，在废水处理和新能源开发领域具有广阔的应用前景。微生物燃料电池(MFCs)提供了从可生物降解的、还原的化合物中维持能量产生的新机会。在缺乏电力基础设施的局部地区，MFCs具有广泛应用的潜力，同时也满足了能源需求的燃料的多样性。

厌氧膜生物反应器

厌氧膜生物反应器(AnMBR)技术结合了膜生物反应器和厌氧生物处理技术的优点，具有污泥浓度高、耐冲击负荷能力强、泥龄长、污泥停留时间(SRT) 和水力停留时间(HRT)可完全分离、产泥率低、占地面积小、工艺设备集中等特点。在处理高浓度废水、低能耗运行方面具有好氧膜生物反应器无法替代的优势，已成为国外相关研究机构的研究重点之一，近年来在国内也开始了相关方面的技术开发应用。

厌氧消化

污水有机质蕴含能量值13~15 kJ/kg COD，按每人每天排110 g COD计算，每人每年排入污水中的能量约为150 kWh，相当于18 W/人(而处理污水的能耗约5~7 W/人)。

生物沼气中一般含有55%~75% 的CH4，1 m3生物沼气的能量相当于8kWh电能，约为1.1 L汽油、1.3 kg木炭或0.94 m3的天然气。生物沼气后续通过热电联产(CHP)转化效率约为35%~40%，即1 m3生物沼气能产生3 kWh电。

污泥预处理技术

目前对污泥处理多采用厌氧消化的方法，污泥预处理技术(THP)可破碎污泥絮体和污泥细胞膜(壁)，使营养物质得以释放，加快整个厌氧消化过程。

THP 增加污泥的可降解性，降低后续厌氧停留时间，提高后续厌氧处理的生物沼气产量。

THP 显著降低污泥量，提高污泥的脱水性能;杀灭病原菌。

THP 提高后续厌氧消化系统出水的总氮含量，有利用厌氧氨氧化工艺的应用。

非传统水资源利用优秀案例

节能与水资源利用关系着社会环境的可持续发展，多渠道开发并综合利用水资源，如雨水收集、污水回用及海水利用等，充分提高水资源的综合利用率。

美国加州地下水回灌项目

美国加州的污水处理厂是第一个应用反渗透技术的水厂(1976年)，2008年开始运行地下水补给系统(Groundwater Replenishment System，GWRS)，是现在世界上最大的回用水间接用于饮用水的污水净化系统。 2015年地下水补给系统的总产水量达到37.9万m3/ d。

纳米比亚污水回用直饮

温得和克是纳米比亚的首府，位于纳米比亚中心高地，离此最近的常年河流在750 km外，为了解决旱季严重缺水的问题，1968年温得和克建造了一座产量为4 800 m3/d的再生水厂，成为世界第一个市政污水回用做直接饮用水项目，处理后的城市污水经过一系列复杂的处理达到饮用的程度。

从1968年以来，回用水占温得和克总供水量的4%。但是在旱季严重缺水的季节，回用水所占的比例可以达到31%。回用水配水之前同Goreangab水处理厂的处理后的水相混合，旱季时最大的混合比为1:1，1968年以来平均的混合比为1:3.5。从Goreangab水处理厂来的混合水再同来自几个其他水源水库的水相混合，所以通常情况下，回用水在任何时期和任何区域所占的最大比例是25%。

运行30年中，水厂一直稳定地生产出可接受的饮用水水质的回用水。经过几次的扩建，水厂的现行的产水量已经达到21 000 m3/d。

新加坡的新生水

新加坡的新生水于2002年面市，自2003年以来，新生水就直接作为非饮用水主要供应给工商业用户用于晶片制造、电子业、冷气冷却等用途，对新生水的需求从2003年的400万加仑/d(约18 200 m3/d)激增至2011年的6 000万加仑/d(约273 000 m3/ d)，提高了15倍。目前新生水能满足新加坡30%的工业用水需求。饮用水的替代方面，新加坡是将新生水注入蓄水池，和天然水混合后输往自来水厂,经进一步处理后成为饮用水，这部分大约占饮用水的1%。预计至2060年，新加坡未来供水需求的一半将由新生水提供。

香港海水冲厕

目前香港海水供应网络已覆盖大约八成香港人口，每年节省2.7亿m3饮用水。海水冲厕不但可以节省珍贵的淡水资源，同时也会减低电能的消耗。目前供应饮用水的用电量为每立方米0.57度，而海水只是每立方米0.39度，所以海水冲厕也是一项节能的环保措施。2015年3月，香港新界西北区海水供水系统正式启用。供水范围覆盖屯门东、元朗及天水围，约70万名居民可用海水冲厕，每年可进一步节省约2 000万m3食用水。

由于海水冲厕技术在香港的大规模应用，产生含一定量硫酸盐的高盐城市污水，使得其有机物(COD)与硫酸盐(SO42-)的比例为1.3~2.4，提供了通过硫酸盐还原过程实现快速厌氧去除有机物的可能性。受此启发，香港科技大学陈光浩教授提出了基于异养硫酸盐还原、自养反硝化、硝化反应一体化的高盐城市污水处理的新工艺——SANI工艺，目前已进入产业化示范项目阶段。SANI工艺通过巧妙地利用含硫化合物作为电子载体，引入了硫循环把碳循环、氮循环结合起来，完成对去碳、氮和磷的去除，SANI工艺的污泥产率仅为0.64 kg/d，实现了污泥减量90%。与传统活性污泥法工艺-污泥消化处理联用相比，SANI工艺可以节省能耗35%，减少温室气体排放36%。

青岛半集中式综合处理项目

2014年，由同济大学、青岛理工大学和德国达姆施塔特工业大学联合开发的“中德合作分质水处理及资源化示范项目”在青岛市园艺博览会世园村区域建成，项目是全球第一个基于“半集中式综合处理”理念建设的示范工程项目。在同一个处理站内集成实现生活污水源分离、污水分质处理与再生利用、污泥与生物垃圾联合能源化和资源化等功能，体现废物和废水资源化利用、节能和减碳等目的。所谓“半集中式综合处理”是指通过源头分离+分质处理的模式，针对传统集中式供排水处理模式的局限性，在一定区域内将生活污水源分离，分类收集处理和再生利用，污水处理产生的污泥与厨余生物垃圾协同厌氧消化产生物质能源，利用余热发电;厌氧消化稳定后的固体不含有毒有害成分，可直接农用、园林绿化等。

污水厂迈向能耗自给

近几年，行业内都在未来污水厂的发展趋势，很多国家都计划实现污水厂能耗的100%自给，无需外部电网的供给，甚至可以将污水厂变为产能厂。

可能的路径

李涛博士认为，污水厂迈向能耗自给可能的路径有：

节能10%~20%，曝气过程中良好的气泡控制，能源节约型发动机和机泵。

可再生能源提供5%~10%的能源，广泛应用风能、太阳能、地热能等。

污水流提供2%~10%的能源，如来自水利涡轮机、蒸汽泵、污水管内热交换器等设备。

通过厌氧污泥分解工艺，预处理污泥以提高分解性能，使其提供60%~80%的能源。

成功案例

As Samra污水处理厂是约旦最大的污水处理厂，约旦全国70%的污水都在此进行处理。As Samra污水处理厂生产高品质的回用水，符合各项国际出水标准。被用于农业灌溉的回用水占到了约旦全国用水量的10%，大大缓解了约旦的淡水短缺压力。

As Samra处理厂对资源和能源进行了回收和利用，成为了世界上最早实现能源高效回收的污水处理厂之一：通过生产水电和生物沼气，处理厂每天可以生产约23万kW/h的绿色能源，能源回收率高达80%，仅20%的工厂用电需从国家电网中获取;生产可再生能源每年还可以可以减少30万t的碳排放。

具体采取的措施是污水处理厂在进出口处安装了水轮机，将水流的能量转化成为电能。10个1 000 kW热电联产单元将生物沼气转化成电能和热能。

奥地利STRASS污水厂也是一个实现能源自给的典型案例。污水中蕴含的能量远高于处理污水所需的能耗。STRASS污水厂采用两段生物系统的AB工艺，A阶段可以去除55%~65%的有机物负荷，固体污泥停留时间少于半天。B阶段的固体污泥停留时间约为10天，这样可以去除80%的氮。从2004年开始，污水厂在侧流中利用在厌氧氨氧化DEMON®工艺去除氨氮。通过污泥厌氧消化生产生物沼气。在热电联产(CHP)单元中采用全新发动机可以提高使用效率和电机效率，这也是是实现产能的重要因素，新机组可以达到40%的天然气—电能转化率。

结语

李涛博士在演讲中提到，随着水处理工艺技术的不断更新换代，人们逐渐改变对污水处理厂这个“能耗大户”的看法，通过应用一系列新的理念和技术，以水质永续、能量自给、资源回收及环境友好为目标，满足水环境变化和水资源可持续循环利用的需要、大幅提高污水处理厂能源自给率、减少对外部化学品的依赖与消耗，这是污水处理厂未来发展的方向。