污水处理厂是能源大户。电力研究所和水研究基金会2013年的一项研究报告称，它们每年消耗约300亿千瓦时的电力，约占美国总用电量的0.8%。

废水处理的高能量足迹是具有讽刺意味的，因为废水中的有机物所含的能量是处理厂使用的能量的五倍美国沼气委员会．通过提高能源效率和利用目前浪费的能源来减少处理厂的能源足迹，可以节省资金并减少温室气体排放。

尽管所有这些能源似乎都唾手可得，但减少处理厂对化石燃料的需求是具有挑战性的，需要各种方法。在世界各地，该行业都在试验新技术，评估这些技术不仅考虑能源效益，还考虑成本和意想不到的后果，比如需要管理的额外废物流。

大芝加哥大都会水再生区(MWRD)已经设定了到2023年实现能源中性的目标，效仿英国、丹麦的工厂和加利福尼亚州奥克兰的东湾市政公用事业区，后者已经超越了净零能源，实际上将能源卖回电网。这些创新者正在使用各种技术，通过提高能源效率和现场发电来减少他们使用的电力。

带上气泡

发达国家的废水处理通常包括四个主要步骤:初级处理，将固体从液体废物中分离出来;二级处理，其中细菌分解含有氨和其他污染物的溶解废物，剩余的固体从处理液体中分离出来;一种厌氧步骤，在无氧的密封罐中，来自第一和第二步骤的固体被微生物消化;最后是消毒阶段。

细菌通过消耗有机污染物和无机营养物(如氨)，在分解污水和工业废水方面发挥着关键作用。但让他们开心并不容易。它们需要特殊的条件才能茁壮成长:最佳的温度、食物和氧气。为细菌提供所需的氧气，占了污水处理厂所消耗能源的四分之一到一半以上。因此，工厂经营者在这一步骤中专注于减少能源使用，以提高能源效率。

传统的植物将空气注入细菌工作的容器中，将空气通过小孔扩散，形成细菌很容易接触到的小氧气气泡。这个过程浪费了大量的能量，因为大多数气泡在没有细菌利用的情况下上升到顶部并破裂。

几十年来，该行业一直在努力减少这种能源消耗。最有前途的方法之一是被称为膜曝气生物膜反应器(MABR)的东西。

操作人员不是强迫空气进入细菌槽，而是插入充满多孔膜管的大块立方体。鼓风机将低压空气送入管道。细菌聚集在管子的外面，吸收通过它们的氧气，并产生氧气浓度差，帮助更多的氧气扩散。

通用电气水处理技术公司的产品管理主管格伦·维切维奇说:“细菌实际上是在需要氧气，并造成梯度。”该公司生产了一种名为ZeeLung的技术，MWRD在伊利诺伊州斯科基市的O 'Brien水回收厂进行了测试。通用电气估计，根据现有工厂的设计和运行情况，ZeeLung的能源效率比传统的强制通风高出四倍。

来自沼气的推动

从废水中的废物中获取能量现在是大型工厂的标准做法，它们使用厌氧消化器或沼气池将有机固体从一级和二级步骤分解成甲烷气体和二氧化碳。细菌也在做同样的工作，但这次没有氧气。产生的甲烷可以被捕获并在沼气发动机中燃烧，以产生电力和热量，供工厂运行使用。或者可以将其升级为天然气质量并投入管道。

美国只有35%的工厂用沼气发电，部分原因是美国大多数废水处理设施相对较小。加州能源委员会能源效率研究办公室经理弗吉尼亚·卢说:“为了达到成本效益，你必须是一个相当大的设施，每天至少要处理500万加仑的废水。”

那些生产不出足够气体来发电的工厂通常会把它烧掉。卢说，增加电池存储可以让它们储存足够的能量，使使用变得值得。“我认为未来将更加强调尽可能多地利用沼气来抵消任何购买的电力，并减少他们的碳足迹。”

氨分解

MRWD减少能源消耗的另一种方法是使用一种叫做厌氧氨氧化杆菌的细菌。氨是废水中的一种污染物，在废水处理中一直难以中和。在二次处理的曝气过程中，它通常会被细菌分解，但处理它比处理其他污染物需要更多的能量。MWRD执行董事大卫·圣皮埃尔说:“氨是曝气过程中最高的空气需求。”

Krüger是威立雅水务解决方案技术公司的子公司，已将一种名为ANITA Mox的工艺注册为商标，以更好地处理氨。它出售的塑料载体看起来有点像蜂巢麦片，有无数个表面可以容纳厌氧氨氧化细菌。这两种细菌都需要去除大部分氨——大约80%到85%。MWRD正在使用ANITA Mox分解液体污泥中的氨，然后将其放入曝气步骤。

“如果你能在厌氧过程中分解氨，你对空气的需求就会显著减少，”圣皮埃尔说。“它有望将工厂的用电量减少60%。所以它是巨大的。”

圣皮埃尔说，MWRD的灵感来自丹麦的Marselisborg废水处理厂，由于ANITA Mox和其他效率措施以及沼气发电，2015年该厂能够产生其所用能源的153%。丹麦的另一家工厂也在使用ANITA Mox;瑞典有两个;在弗吉尼亚州的纽波特纽斯;以及北卡罗来纳州的达勒姆。

结合其他能源生产的努力，包括在一个工厂上安装太阳能电池板，MWRD预计很快就能产生它所使用的90%的能源。

圣皮埃尔说:“我们正试图从经营废物处理厂转变为资源回收设施。”

埃里卡·吉斯是一名独立记者。本文最初发表于该网站Ensia．