城镇污水处理厂节能策略

　　截至 2017 年底，全国设市城市污水处理能力达 1.57亿 m3/d，全国累计处理污水量达 462.6 亿 m3。2017 年全国全社会用电量为 63077 亿 kW·h，污水处理电耗占比约 0.4%。同时，在污水处理环节，相对于美国污水厂平均电耗指标 0.2kW·h/m3、日本污水厂 0.26kW·h/m3，我国污水处理厂耗电量均值在 0.3kW·h/m3 左右，大幅度高于发达国家，节能空间较大。由此可见污水处理厂节能降耗的重要性与迫切性。

　　1 污水处理厂能源消耗特征

　　污水处理厂能源消耗类型包括电力、热力、蒸汽、天然气、柴油、汽油等及耗能工质，其中电耗约占污水处理综合能耗的 60% ～ 90%。用于描述污水处理厂的能效指标，除了常用的单位综合处理能耗、单位综合处理电耗、单位水处理电耗、单位污泥处理电耗，亦有部分污水处理厂采用了去除单位 BOD5 能耗、去除单位 COD 能耗、每年服务的单位人口当量能耗、每年设计的单位人口当量能耗等指标来描述能源消耗情况。污水处理厂能效指标与以下因素有关：(1)污水处理规模。在其他因素相同的情况下，在设计处理能力范围内，污水处理厂单位综合处理能耗与处理规模成反比;(2)进出水浓度。进水浓度越高，排放标准越高，单位综合处理能耗越大;(3)处理工艺。通常采用膜处理单元的污水处理厂，膜生物反应池 MLSS 浓度高需加大水动力和曝气强度，且泥水分离过程需保持膜驱动压力，单位综合处理能耗较大;(4)运行负荷。较低的运行负荷会增加单位综合处理能耗。

　　按照厂区各功能单元划分，污水处理厂能源消耗的统计范围：(1)生产系统，包括格栅、预处理系统、生化反应系统及回流系统等，需要注意的是，在进行污水厂能耗对标分析、横向比较的时候，需将生产系统能耗统计口径进行统一，部分污水处理厂的生产系统不包括深度处理，或处理后污泥含水率较高，会显示出较低的能耗指标;(2)辅助生产系统，包括供电系统、机修车间和库房等;(3)附属生产系统，包括办公室、食堂、司机班、车间浴室、休息室、更衣室等;(4)企业内贮存、转换、计量供应(包括外销)损耗。在整个污水处理的过程中(不含污泥处理单元)，生化处理单元运行能耗占整个污水处理厂的 55% ～ 60%，能耗占比最大;污水提升系统用电量占比约 25%。污泥脱水、消化和处理，处理车间除臭，亦是设施较完备的污水处理厂的重要用能环节。由于上述设施在我国现状污水处理厂尚未大规模普及，因此在环保要求日益严格的将来，污水处理厂的能源消耗总量和强度将会有显著的提升。以下着重分析预处理、生化处理、污泥处理三个环节的能源消耗特点。

　　1.1 预处理

　　污水提升与混合的泵机系统是预处理单元中的高耗能环节。泵的功率、电机、泵所采用的驱动系统、流量控制方式是泵机效率的主要影响因素。如果实际运行条件与泵的最佳效率点不能匹配，就是因泵机内部液体产生的湍流、摩擦和回流现象将导致泵机系统效率降低和水头损失。预处理单元的主要耗能设备包括污水提升泵、冲洗泵等。具体联系污水宝或参见http://www.dowater.com更多相关技术文档。

　　1.2 生化处理

　　生化处理中的曝气是该处理单元的关键性耗能环节，约占总能耗的 50%。曝气系统的能耗收到需氧菌种群、进水负荷、出水水质、处理工艺、处理规模和运行年限等因素的影响。生化处理单元主要耗能设备包括鼓风机、污泥回流泵、推进器、搅拌器等。华南某污水处理厂的曝气电耗如表 1 所示。

　　1.3 污泥处理

　　常用的污泥处理工艺包括污泥浓缩、消化、脱水、稳定化等环节，污泥处理系统能耗与进泥量、进泥泵选型和运行方式、出泥含水率等因素有关。华南某采用改良 AAO 工艺的污水处理厂，各处理环节的主要耗能设备：(1)预处理环节为污水提升泵、冲洗泵、事故排污泵、罗茨鼓风机;(2)生化处理环节为潜水推进器、好氧～缺氧回流泵、鼓风机;(3)消毒及尾水处理环节为尾水提升泵;(4)污泥处理环节为污泥干化机、进料泵、压榨水泵、水洗泵。广东某采用 AAO 微曝氧化沟工艺处理生活污水和工业废水混合污水的污水处理厂，针对预处理、生化处理、污泥处理单元的设备能耗进行了分析，结果显示，罗茨曝气风机、污泥提升泵、污泥回流泵、格栅除污机、带式压滤机、反冲洗泵的运行能耗占比分别为 42%、30%、7%、5%、3%、2%。

　　2 污水处理厂节能策略与措施

　　2.1 对于预处理环节的节能措施

　　预处理环节的能源消耗主要是来自污水的提升泵，其能源消耗占整个预处理环节的能源消耗的 95%。目前，多数污水处理厂在水泵选型的时候选择的设备扬程较高，导致了能源消耗高。在进行水泵扬程设计时，要将污水处理系统的总水位差利用水力学进行精确的计算。另外，还有一些城镇中的污水处理厂未对进厂水量进行调节以实现连续进水，从而导致水泵频繁启停，导致泵房的能源消耗非常高。在泵组选型的基础上，根据进水特点合理调整水泵运行编组，如变频泵与定速泵相结合，使其在安全运行的范围内实现高水位运行，亦有利于节能。此外，定期对水泵机组进行检修和维护，及时更换轴承和叶轮，通过减小表面粗糙度实现水泵的持续高效运行。

　　2.2 对于曝气系统采取的节能措施

　　目前，多数采用活性污泥法的污水厂普遍存在溶解氧浓度波动大、曝气过量等问题，影响污水处理效果的同时导致能源的低效利用。曝气系统可从下几方面来实现节能目标：(1)根据日高峰或者时高峰需要的溶解氧量合理设定曝气系统规模，曝气量的有效把控可以使活性污泥在溶解氧不充足的时段还能正常工作一个阶段，同时不影响出水水质;(2)选择曝气设备时综合考虑供氧能力和调节能力，以提高曝气系统的实际曝气效率;

　　(3)利用变频调速系统来进行风量调控;(4)设计的反应器结构要按照氧传递规律来设计。

　　北方某污水处理厂结合水质水量特点通过在线检测溶解氧浓度，将其控制在既满足出水水质要求时的最低浓度要求，并保证进入二沉池的处理水具有一定溶解氧浓度防止厌氧反应的发生，以合理降低鼓风机风量，达到节约曝气能耗的效果。此外，目前污水处理厂多采用微孔曝气，装置易产生堵塞从而增加电耗和维修保养成本，而射流曝气器在氧转移效率等方面有明显优势，单位用电量处理 BOD5、COD 的量比微孔曝气装置分别高 30%、110%，显示出更高的能源利用效率。某些污水处理厂采用了数学模型、模拟仿真、人工智能等手段来控制生化处理单元的曝气量，但目前这些手段的应用尚未大规模推广。

　　2.3 对于污泥处理环节的节能措施

　　污泥处理环节中污泥脱水是关键的能耗单元，可通过高效絮凝剂的投加提高污泥的沉降性能，达到降低能源消耗的目的。过热电联产系统对厌氧消化产生的沼气加以利用，可为污水处理厂的其他单元供应能源，实现能源收益。污泥立式高干度脱水、污泥囊式厌氧消化、污泥除砂式预处理、高效热解炉、四轴式大容量的浆叶干化等措施都能一定程度上可以实现节能，通过这些措施把污泥转换成了燃气，从而实现了资源化利用。此外，通过污泥热水解等预处理手段在减小污泥体积的同时，还可以提高污泥中易生物降解物质的占比，从而增加沼气的产量。现阶段，研究机构已经建造了核心的设备，可以使我国的市政污泥还有其他的废弃物达到充分利用，因此此设备已经被有效推广，为我国的能源转化环节，还有污泥处理能力做出了很大的贡献。充分利用厌氧消化过程中产生的沼气，作为污泥处理所需能量来源，亦能实现节能效益。对于具备一定规模的污水处理厂，可通过搭建运行厌氧消化—热电联产装置，来实现污水处理厂部分能耗的自给。

　　3 对于污水处理厂进行节能工作的发展

　　污水管网、污水泵站、污水处理厂共同形成城镇庞大的污水处理体系，而这个庞大体系如何达到污水处理的高效能、安全性、满负荷工作，从而达到各类污染物排放标准，实现设备的节能降耗，运营成本的降低，是相关运营者所面临的极具实际意义的课题。在我国政策的大力要求下，某地区已经研制出污水管网和污水处理厂联合工作，从而达到了高效能，安全性和满负荷的要求，这套技术主要利用了先进的信息技术和互联网技术，能够实时监测，从而对能源进行有效的调控。此技术不只利用了信息技术，还利用了 GPS 和 PCL 技术，它主要利用的是仪表和摄像功能，可以对工作环节进行有效的把控，从而实现了人工智能系统，每个设备还能把数据内容进行共享，从而使监控的力度和精确度都得到了提高，这一举措让污水处理厂的运营更加便捷和高效。此外，此系统应用了人工智能以保障系统的安全运作，此系统的开发填补了我国污水处理行业的空白，从而实现了利用新科技实现人工智能管控，也达到了国家政策要求的节能降耗要求，使城镇的污水处理工作能够快速开展，还节约了能源。

　　4 结束语

　　北京市于 2014 年印发了《城镇污水处理能耗消耗限额》(DB T1118-2014)，是全国首个关于污水处理能耗的地方性标准。污水处理厂的一些高能耗环节能通过有效的技术降低能耗，使污水处理的更加经济和高效。技术人员还要加大对污水处理各个环节的研究，研发出更好的技术服务于污水处理工作，保障我国经济更快更好的向前发展。(来源：广东省国际工程咨询有限公司)