1 介绍
1.1水和污水处理的能源使用
供水和污水处理系统是显著的能源消费者，美国电力消耗的3%~4%用于水和污水的移动和处理。能源使用的确切成本在不同的处理厂差别很大，约占到总运营成本的2%~60%。能源代表了一笔可观的费用，对于污水处理厂，它发生在处理过程中的每个阶段，包括从污水收集到处理后的排放。由于水和污水处理厂的设计和运行目的不是以能源效率为主，当使用能源改善项目资金时，这些系统常被忽视。然而，大量的能源和成本节约在通过对水和污水处理企业运营调整和资本改善中被发现。
运营商、水和污水处理厂管理人员有很多的优先事项，能耗只是其中之一。他们的主要职责包括：
· 达到法规规定以符合客户、公共健康和生态要求；
· 在可接受的费率前提下，提供可靠的服务；
· 平衡维修更换和长期负债、设备条件、持续运行和维护成本、收入的关系；
· 优化运行和维护，降低成本，保护资产寿命。
分配时间进行能源审计，并进行必要的物理和操作上的改变可产生可观的效益。能源审计，可以帮助确定最大的能源消费设备，发现机会，改善运营，并监测老旧和表现不佳的设备问题。审计的结果有助于提高能源效率，为市政污水厂降低运营成本，有益于环境和周围社区。
1.2 EPA第8地区的合作
美国环保署（EPA）8区办公室为美国西部山区提供服务，包括科罗拉多、蒙大拿、北达科塔、南达科塔、犹他、怀俄明州。2010年10月EPA在第8地区发起针对公共污水和供水的能源管理合作行动，重点帮助城市供水和污水处理企业降低能耗，提高可靠性和运营性能，并最大限度地减少对环境的影响。这个项目联合10~15个供水和污水处理厂一起完成以下目标：
· 在EPA管理工具中清晰目前和将来的能源消耗；
· 进行工艺能源审计；
· 利用EPA的污水厂和供水厂能源管理指导手册确保可持续发展，开发一个能源管理计划；
· 在EPA第8地区共同实施能源有效利用，共享成果。
为了提高该方案的广度，对没有参加进来的市政设施，EPA第8地区计划创建一组案例研究，与其他水和污水厂共享，介绍参与项目的厂和工艺流程，以及在优化能源性能过程中的受益和挑战。
2 案例研究：克雷斯特德比特市
2.1背景
作为对项目的支持，克雷斯特德比特市被要求对污水厂进行能源审计。能源审计主要关注已经存在的、可以通过工艺改变和提高可操作性来实现的节能机会；考虑优化已有的工艺，提升控制水平、监控水平和污水厂排水质量；同时也帮助该市开始跟踪和基准化能源使用。
能源部的国家再生能源实验室(NREL，由可持续能源联合公司运营)和克雷斯特德比特市合作，ARCADIS公司水部门的Malcolm Pirnie、资源有效利用办公室、Gunnison郡电力协会(GCEA)（作为评估小组）共同进行审计工作。这种合作让这些组织可以支持本地发展机会，共同教育社区、水和污水厂如何分析和达到能源有效节省目标。
2.2克雷斯特德比特市污水厂
克雷斯特德比特市是科罗拉多西坡的小镇，是美国最大的滑雪旅游城市之一。污水厂建立于1997年，服务1500常驻人口。污水厂处理生活污水和商务污水，无主要工业污水。污水厂还从克雷斯特德比特水厂接收污泥。
污水厂采用氧化沟工艺，每月平均日流量最大为0.6MGD (2270m3/d)，污水厂有格栅、进水泵、曝气、澄清、紫外消毒和污泥处理设施，出水排入斯雷特河，污泥经浓缩脱水后外运填埋。具体工艺流程见图2。
2.3能源审计
作为参与EPA项目的一部分，需要对处理工艺进行能源审计。不包含在此次研究的内容是建筑能源审计，包括评估照明、加热、制冷和通风系统，建筑也有节省资金和能源的潜力。
美国采暖、制冷与空调工程师学会(ASHRAE)定义能源审计有3个级别。审计级别的区别是复杂程度和提供信息的详细程度。
对于克雷斯特德比特市，执行了级别1的审计，包括污水厂现场考察，着重处理工艺流程的能源使用。
级别1审计：
· 通过现场调查，评估能源消耗和效率，以确定维护和（或）运营需求，以及装备的不足；
· 利用能耗信息，了解使用模式和建立能源基准；
· 重点采取低成本或无成本的措施，来估计可以节省的能源和成本。
2.4搜集信息
工艺流程的能源审计始于整理图纸、运营记录、账单和设备库存，来理解污水厂的能源使用模式。评估小组检查图纸，寻找污水厂物理上的设计引起的运行或能源问题。例如，图纸显示目前的溶解氧（DO）计量装置位于氧化沟的缺氧位置，这个设置对控制氧量或氧化沟运行不会有正确的反馈，典型的更有效位置是让测量装置位于有氧的位置，如靠近沟的排水处。
运行记录和参数，如BOD和TSS用来辨别进水和污水厂运行质量。根据进水水质的明显不同，污水厂的运行数据被用来建立三个“工作季”，反映了临时人口和入渗引起的收集系统全年的变化。三个季的条件总结如下：
· 季节1（10月—3月）：低流量，低负荷[BOD、TSS每天基于1磅(0.45kg)]，低污水温度；
· 季节2（4月—6月）：低流量，平均负载，较低污水温度；
· 季节3（7月—9月）：平均流量，高负荷，高污水温度。
评估小组审查设备，以确定设备的年龄和功率，并在厂内确定主要的能源消耗者。主要的能源消耗设备，包括它们的典型运行和控制信息，简要总结在表1。这些信息用来着重审计主要的能源消耗工艺，最大化能源节省机会。
2.5现有的工艺性能
评估小组和工厂运营人员对每个工艺都进行了详细的讨论，了解性能趋势和关注点。对污水处理厂的工艺性能和运营策略的一般性意见如下。
（1）进水泵送/前端处理
进水系统包括3台泵：泵1，功率为3.5kW；泵2和3（一用一备），功率均为13kW。泵2根据监测污水井的液位连续运行。所有的泵都带变频器。
（2）曝气/氧化沟
污水厂的氧化沟采用好氧法去除BOD和氨，沟内存在厌氧区提供反硝化、恢复碱性和降低需氧量。氧化沟使用55kW马力曝气机，带变频器，根据每天的溶解氧浓度手动调节运行。按道理，变频器应该通过取得系统信息自动调节来节省能源，而不是通过手工调整。在氧化沟的厌氧区有两个自动运行的搅拌器。目前的DO测量仪位于厌氧位置，没有运行。
（3）澄清
污水厂有两个澄清池，一个连续运行，另一个在高流量时辅助运行。
（4）紫外消毒
紫外消毒的设计流量为1.3MGD（4900m3/d）(是污水厂最大流量的两倍)。系统目前两组同时运行。污水厂操作人员每年更换一次紫外线灯，做预防性维护。
自从2008年以来，排水中的粪大肠杆菌平均浓度为8.3个/100mL，7d平均值为214.3个/100mL。规定允许排放的菌群浓度为1372个/100 mL(30d平均值)和2744个/100 mL(7d平均值)。从目前的运行结果来看，大肠杆菌水平远远低于允许值。
（5）污泥处理
污水厂有一套自热式高温好氧消化（ATAD）系统，由于臭气原因没有运行。所以，目前污泥在污泥罐浓缩后，送到浓缩污泥存储罐暂存。由于目前污水厂在更改管道，污泥必须泵送到ATAD存储罐，然后进入离心机脱水。尽管这样可以提供更多的存储量，减少去填埋的次数，但却要求ATAD存储罐的鼓风机（功率为11 kW）一直运行。另外，离心机的功率为30 kW，变频控制，但是主要以一个速度运行。离心机每周装满一个20立方码（15m3）的垃圾箱。离心机出水经过管路送到氧化沟，可能会影响氧化沟工艺性能。
