(上海市政工程設計研究總院(集團)有限公司,上海 200092)

摘 要：通過對污水處理廠節(jié)能必要性、設計和運行過程中的節(jié)能措施分析、國外污水廠節(jié)能實施實例的介紹，對我國污水處理廠的設計運行提供借鑒。

關鍵詞：污水處理廠；節(jié)能；改造

1 污水處理廠節(jié)能必要性

根據(jù)住房和城鄉(xiāng)建設部統(tǒng)計，截至2010年底，全國設市城市、縣城及部分重點建制鎮(zhèn)（以下簡稱“城鎮(zhèn)”）累計建成城鎮(zhèn)污水處理廠2631座，污水處理能力達到1.25億m3/d，運行負荷率為76.46%，正在建設的城鎮(zhèn)污水處理項目達1849個，總設計能力約3760萬m3/d。

同時，根據(jù)國務院辦公廳2012年4月頒布的《“十二五”全國城鎮(zhèn)污水處理及再生利用設施建設規(guī)劃》，“十二五”期間各項建設任務目標為：新建污水管網(wǎng)15.9萬公里，新增污水處理規(guī)模4569萬m3/d，升級改造污水處理規(guī)模2611萬m3/d，新建污泥處理處置規(guī)模518萬噸（干泥）/年，新建污水再生利用設施規(guī)模2675萬m3/d。到2015年，污水處理率進一步提高，城市污水處理率達到85%（直轄市、省會城市和計劃單列市城區(qū)實現(xiàn)污水全部收集和處理，地級市85%，縣級市70%），縣城污水處理率平均達到70%，建制鎮(zhèn)污水處理率平均達到30%。直轄市、省會城市和計劃單列市的污泥無害化處理處置率達到80%，其他設市城市達到70%，縣城及重點鎮(zhèn)達到30%。同時規(guī)定，到2015年，城鎮(zhèn)污水處理廠投入運行一年以上的，實際處理負荷不低于設計能力的60%，三年以上的不低于75%。

通常污水處理廠運行的電耗為0.2~0.4kwh/噸水，并且隨著國家和地方的排放標準日益提高，對污水處理中氮磷去除的要求以及污泥處理處置會增加污水廠的電耗。如果按0.3kwh/噸水的處理電耗計算，2015年全國污水廠每年的電耗將達到227.8億度，按0.5元/kwh核算，花在污水處理用電的費用達到114億元多，污水處理廠如果采取節(jié)能措施提高用電效率5%，每年至少可以節(jié)約5.7億元�？梢娢鬯�處理廠節(jié)能的潛力和效益非�？捎^。

國外對污水處理廠的節(jié)能研究非常深入，美國水環(huán)境聯(lián)盟（WEF）有專門的技術手冊指導污水處理廠節(jié)能管理和改造，美國國家環(huán)保署（EPA）專門成立研究小組對美國污水處理廠的節(jié)能現(xiàn)狀、節(jié)能技術進行評估并提出了節(jié)能改造的技術方法；荷蘭應用水研究基金會（STOWA）下設的研究機構認為，從技術上來說，污水處理設施通過改造完成可以達到能源自給甚至能夠提供給外部能源。研究報告推薦采用通過投加化學藥劑提高初沉效率，然后從初沉污泥中回收能源的技術使污水廠達到能源自給，目前荷蘭已經開始在烏德勒支市進行這方面的嘗試，同時其他地方也在考察采用集中污泥處理的方法來回收污泥中的能源。他們還提出了一個NEWater（Nutrient Energy Water）水廠的概念，將回收污水處理過程產生的能源、營養(yǎng)物（主要是磷）和出水（主要回用于冷卻水或農業(yè)灌溉）的功能同時提出。

荷蘭的水務管理部門提出了至2030年水行業(yè)每年能耗降低2%的計劃，使得污水廠趨向于開發(fā)節(jié)能以及產能的技術。英國的相關水行業(yè)也對此表示關注和興趣。

2 污水廠節(jié)能方法和技術

2.1 節(jié)能措施實施方法

首先，要設立專門的能耗管理專業(yè)團隊，設立能耗管理工程師負責整個污水廠的節(jié)能工作，團隊成員需包括污水廠的具體運行、維護和管理人員。

其次，要收集污水廠內所有耗能設備的詳細數(shù)據(jù)，建立長期的數(shù)據(jù)庫資料，既可以用來了解、分析和對比所用設備的能耗情況，也可以作為將來節(jié)能效果的參照。然后在分析對比的基礎上，得出不同工藝和設備的節(jié)能潛力，明確可以進行節(jié)能改造的對象和達到的節(jié)能目標。

然后，針對需要進行節(jié)能改造的對象，提出可供選擇的節(jié)能改造方案，包括投資及回收期的分析，進行多方面比較后確定節(jié)能實施方案及具體步驟。并且還應該對不同的節(jié)能改造對象進行排序，根據(jù)改造措施的實施難易程度以及投資回報情況確定改造對象的先后順序。在具體實施過程中，應該明確責任和期限，讓污水廠的運行、維護和管理人員直接參與改造過程，了解改造內容以及改變的運行方式，改造完成后應對實施效果進行跟蹤評估，及時分析節(jié)能效果以便確保收到實效。

另外，通常一個運行了20~30年的污水廠需要進行改造，改造時應該考慮施節(jié)能措施。

美國國家環(huán)保署（EPA）和能源部（DOE）專門推出了一個能源之星（ENERGY STAR）計劃來推動全社會各行業(yè)（包括個人家庭、公共建筑、政府部門等）的節(jié)能減排。其中針對污水廠的節(jié)能，EPA在能源之星的網(wǎng)站上提供了一個免費的軟件（Portfolio Manager），該軟件是在收集了美國國家環(huán)保署局監(jiān)控的許多污水廠能耗數(shù)據(jù)的基礎上進行開發(fā)的，污水廠的管理人員只要在網(wǎng)站上登錄后輸入污水廠的實際運行水量、水質、運行參數(shù)和能耗數(shù)據(jù)后，該軟件會計算得出該污水廠的能耗在統(tǒng)計的全國污水廠能耗中的排名得分，分值越高，代表污水廠能耗越低，通過該得分污水廠的運行管理人員就可以了解到自己運行管理的污水廠的節(jié)能潛力。同時，該網(wǎng)站還提供了很多在線的培訓知識為污水廠管理人員提供節(jié)能改造的指導。同時，美國能源部還專門開發(fā)了免費的軟件提供水泵系統(tǒng)的能效評價，另外網(wǎng)上還有專業(yè)的免費軟件工具提供電機選擇和管理，包括有14個電機廠商的17000種電機的目錄。美國國家環(huán)保署、能源部和各州政府及各類基金均有對節(jié)能項目的資助項目提供給希望進行節(jié)能改造的單位進行申請利用。美國水環(huán)境研究基金會（WERF）還專門對歐洲的污水廠運行情況進行分析并總結他們的節(jié)能措施介紹給美國的污水廠借鑒。

2.2 污水處理廠節(jié)能技術措施

針對污水廠的運行，可以通過以下方法減少能耗：

（1）照明、污水廠建筑物或構筑物的供熱、通風、空調等采用節(jié)能設備；

（2）通過節(jié)水措施、改造管道收集系統(tǒng)以及設置調蓄池等方式減小污水廠的負荷；

（3）采用數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)（SCADA）軟件對處理工藝進行監(jiān)控優(yōu)化等。

（4）回收利用污水廠厭氧消化產生的甲烷氣進行發(fā)電以及余熱回收。

而具體到污水處理各個環(huán)節(jié)，具體的節(jié)能措施分析如下。

2.2.1 水泵節(jié)能

污水廠中的污水提升、污水污泥回流、污水污泥排放等均需要水泵，因此，通常水泵的能耗僅次于曝氣設施。水泵系統(tǒng)的效率包括水泵自身效率、電機效率以及流量控制效率三個部分的綜合效率。如果水泵系統(tǒng)出現(xiàn)以下情況，通常被視為效率較低：

（1）頻繁或大范圍使用節(jié)流閥；

（2）采用旁通流量控制；

（3）頻繁進行水泵啟閉操作；

（4）水泵系統(tǒng)中出現(xiàn)空化噪聲；

（5）運行電機發(fā)熱；

（6）水泵系統(tǒng)未設任何水量、水壓或耗能計量；

（7）水泵無法滿足最大流量需求。

通常，污水廠的水泵應該每2~3年進行系統(tǒng)測試，以對水泵效率、電機效率和流量控制效率進行分析改進，確保水泵的高效運行。

水泵的峰值流量發(fā)生的概率很小，有時甚至在設計年限內無法達到，而且峰值流量遠遠大于最小流量。因此，應該根據(jù)污水廠的進水規(guī)模合理進行污水廠水泵的配置，采用大小泵搭配，平時小泵連續(xù)運行在最佳工況點附近，大泵則根據(jù)需要間歇運行。

采用變頻電機是提高水泵效率的一個方法，根據(jù)統(tǒng)計，如果選擇合適的變頻電機，其投資回收期僅為0.5~5年。當然，是否采用變頻電機需要根據(jù)流量的變化范圍、水泵數(shù)量、運行時間以及實施空間等因素綜合考慮，通常對水泵系統(tǒng)中的部分水泵進行變頻電機更換。

2.2.2 曝氣系統(tǒng)節(jié)能

通常，曝氣系統(tǒng)的能耗占整個污水處理廠能耗的25%~60%，污水處理系統(tǒng)的曝氣主要采用擴散曝氣或機械曝氣方式。對于擴散曝氣系統(tǒng)，選擇合適的鼓風機以及合理布置曝氣器可以有效節(jié)能。一般，鼓風系統(tǒng)的調節(jié)比應該大于5:1，即系統(tǒng)可以在最大供氧量的1/5容量下運行，否則會造成低需氧量時的能耗浪費。因此，鼓風機的選擇也可以考慮大小搭配，或者根據(jù)實際需氧量進行更換。曝氣器的布置應該滿足不同溶解氧的需要，并且減少短流�？梢愿鶕�(jù)池型進行布置，在進水端多布置曝氣器，沿池長方向漸減布置。最新的方法是根據(jù)在線監(jiān)測的曝氣池DO濃度以及混合液的混合程度進行間歇曝氣。對于機械曝氣系統(tǒng)，通常采用電機驅動的可調堰來調節(jié)水位改變葉輪的浸沒深度，在滿足供氧要求的同時達到節(jié)能效果；也可以通過關閉部分曝氣機來達到節(jié)能。另外，采用各類新型鼓風機（如磁浮鼓風機、高速無齒輪鼓風機和帶進口導葉片和可調出口葉片的單級離心風機等）、曝氣器（如超細孔膜式曝氣盤、長條式熱塑膜曝氣器）以及多葉輪機械曝氣機（如Eimco公司的雙葉輪曝氣機，比常規(guī)的葉輪曝氣機多了一個池底葉輪以滿足防止池底沉淀的要求），均能不同程度提高曝氣效率，從而節(jié)約曝氣能耗。

目前曝氣系統(tǒng)節(jié)能采用最為普遍的是實施DO自動控制系統(tǒng)，根據(jù)節(jié)能要求在相應的曝氣池內設置一個或多個溶解氧探頭，根據(jù)實際測得的溶解氧值通過SCADA系統(tǒng)收集并反饋到曝氣設備以及相應的管路閥門控制系統(tǒng)，通過調節(jié)曝氣風量及管路的閥門改變充氧量。因此，溶解氧探頭的精確度非常重要。應用最廣的薄膜電極探頭需要定期頻繁的校正或更換薄膜，不僅耗時，而且費力。相比之下，采用電鍍電極的DO探頭減少了維護工作量，能夠保證較長時間的精確度，相對比較節(jié)能。最新的技術是采用光學探頭，其精確度和可維護性更高。另外，對曝氣器堵塞情況的監(jiān)測可以及時發(fā)現(xiàn)曝氣器的工作狀態(tài)并實施曝氣器的清洗，防止由于曝氣器堵塞導致曝氣系統(tǒng)能耗浪費。

2.2.3 其他處理技術節(jié)能

（1）紫外線消毒

由于氯消毒的衛(wèi)生、安全操作和出水毒性等原因，紫外線消毒技術在污水處理廠消毒中的應用日益廣泛，紫外線消毒的能耗與污水的SS、消毒出水中病菌要求、消毒燈管的布置方式和水流通過的方式以及紫外燈管的清洗間隔等因素有關，合理的設計、運行和清洗程序有助于紫外線消毒系統(tǒng)節(jié)能。

（2）膜生物反應器（MBRs）

隨著對出水水質要求的提高以及污水廠占地的限制，越來越堵的污水處理廠采用膜生物反應器處理污水。其能夠通常與采用的膜的形式、膜生物反應器的運行參數(shù)、膜清洗方式以及進水的預處理方式等相關。有報道顯示，采用在非高峰流量時間歇曝氣清洗方式（即每曝氣10秒后停止曝氣30秒，反復運行）可以最高將能耗降低50%。

（3）厭氧區(qū)和缺氧區(qū)攪拌

對于需要脫氮除磷的污水處理廠，厭氧區(qū)和缺氧區(qū)需要進行攪拌以保證污泥的充分混合�？梢圆捎玫墓�(jié)能方式有采用雙曲面攪拌機以及脈沖大氣泡混合方式。據(jù)美國Bowery Bay污水廠的運行結果顯示，采用雙曲面水下攪拌機比常規(guī)的潛水攪拌器節(jié)能2/3；而美國佐治亞州的研究結果表明，達到同樣混合效果，脈沖混合的能耗僅為常規(guī)潛水攪拌設備能耗的一半。

2.2.4 污泥處理節(jié)能

污泥厭氧消化產生的沼氣可用于發(fā)電以補償污水處處理廠耗電。隨著溫室氣體對環(huán)境影響日益受到重視，同時發(fā)電機組效率的提高以及電價的逐年提升，污泥作為生物燃料的趨勢也逐步顯現(xiàn)。原來只使用在大型污水廠的污泥消化氣發(fā)電，已受到中型污水廠甚至小型污水廠的關注同時，發(fā)電過程的余熱還可以回收用于污泥干化、建筑供熱等。

而且，越來越多的污水廠正在嘗試接納污水廠外的高濃度有機廢物來提高消化污泥氣的產量。例如，美國德州的Waco污水廠通過接納外部的高濃度廢物后，消化污泥氣的產量提高了30%，通過污泥氣發(fā)電可以提供廠內30%的用電需求，同時為污泥干化提供燃料。美國衣阿華州的Des Moines污水廠通過接收外來的高濃度有機廢物，不僅可以收取有機廢物接納費，還可以將產生的污泥氣出售給附近的工業(yè)企業(yè)，消化池中揮發(fā)性固體負荷的40%來自外來有機廢物。隨著污泥脫水和焚燒技術的發(fā)展，污泥的熱值可以滿足污泥焚燒無需外來能源，焚燒產生的余熱可以回收產生蒸汽進行利用。

3 國外污水廠節(jié)能改造案例

3.1 奧地利Strass污水處理廠

該廠于1999年投入運行，服務人口為夏季60,000人，冬季（旅游季節(jié)）達250,000人，設計最大規(guī)模為3.785×104m3/d（10mgd），采用AB法工藝（包括生物脫氮和化學除磷）以滿足出水的氮磷要求，其中A段去除55-65%的有機負荷，污泥泥齡采用0.5 d，而B段的泥齡為10 d，在出水氨氮濃度達到最大值5 mg/l時，脫氮效率約80%，B段的生物反應池分為缺氧區(qū)和好氧區(qū)，均設置曝氣設施，在需要時整個反應池均可以好氧曝氣，充氧過程由在線的氨氮測定濃度來控制。剩余污泥采用濃縮、厭氧消化和脫水處理，經過10年左右不斷的改進和升級，至2005年，通過沼氣發(fā)電產生的電能達 8,500 kWh/d ，而污水廠運行的實際電耗為 7,869 kWh/d，多余的電能可為周圍的社區(qū)供電。該廠的經驗是：運行管理人員的教育程度、經驗都很高，污水廠的自動化程度很高，采用高級的工藝分析工具，管理運行人員對采用的各類新工藝和新技術有很透徹的了解，并且有很強的動力進行污水廠的節(jié)能改造。

3.2 美國威斯康辛州DePere污水處理廠

該廠始建于1930年代，最初的處理工藝是一級處理，1964年升級改造為二級處理和出水氯消毒。1970年代末，污水廠再次升級改造，采用能生物除磷的二段活性污泥法，重力砂濾深度處理，污泥脫水后焚燒，出水液氯消毒，設計處理水量5.4×104m3/d，平均日處理量為3.0×104m3/d。1997年，由液氯消毒改為紫外線消毒，1998年將進水粗格柵改造為細格柵，2000年將重力砂濾改為單介質多級反沖洗濾池，2002年將污泥氣浮濃縮改造為重力帶式濃縮和帶式壓濾。污水廠最近的一次改造是2004年，由于原有的第一段生物處理供氧的5臺多級離心鼓風機（單機功率為330kW）已經達到使用年限，污水廠管理人員從保證供氧效率、減少維修費用等多方面考慮，確定用6臺高速磁浮軸承渦輪鼓風機（單機功率為240kW）替代，改造投資為850,000美元（包括將原有的2400V中壓供電系統(tǒng)改造為380V低壓供電系統(tǒng)），改造后鼓風機的電耗為106,250美元/年，比改造前減少63,758美元/年（減少約38%），同時鼓風機的噪聲也由原來的100dBA降為75dBA，而渦輪鼓風機的循環(huán)冷卻排風的余熱也通過循環(huán)到廠內建筑的供熱系統(tǒng)加以利用，該廠是美國第一家采用磁浮軸承渦輪鼓風機的污水廠。

3.3 美國Oxnard污水處理廠

該廠始建于1970年代，采用一級強化處理工藝，1977年升級改造增加生物濾池，1989年再次增加活性污泥系統(tǒng)，該廠設計規(guī)模為12×104m3/d。2003年~2005年，污水廠進行了一系列的節(jié)能改造。首先，污水廠在污泥混合液回流槽和回流污泥井分別增設了TSS計量儀，其次將原有的超過使用年限的DO測定儀替換為帶光纖傳感的DO測定儀，隨后采用SRTmaster軟件對污水廠的污泥停留時間（SRT）進行實時控制，通過廠內的SCADA系統(tǒng)，軟件能夠及時發(fā)現(xiàn)污水廠實際運行中的在線測定設備的故障、污水廠處理負荷的變化以及生物反應池污泥流失等問題，從而有效控制污水廠的剩余污泥排泥量，改善污泥濃縮池的濃縮效率；同時將原來的鼓風機風壓控制系統(tǒng)改為采用DOmaster軟件進行DO優(yōu)化控制，使得生物反應池的DO得到非常精細的控制。另外，采用OPTImaster軟件對每個生物反應池模擬確定運行的最佳SRT和DO值。上述改造總投資為135,000美元(包括軟件費、儀表設備費及安裝費等)，改造后污水廠的出水水質得到了改善，鼓風機的能耗每年降低了306,000kWh（約20%），折算為26,980美元/年，同時由于污泥沉降性能的改善，每年節(jié)約的污泥處理藥劑費為7,500美元；另外，由于采用在線監(jiān)測和自動化控制，可以節(jié)約的人工費折算約18,250美元/年，上述3項合計為52,730美元/年。

3.4 美國Western Branch污水處理廠

該廠建于1966年，為滿足服務人口的增加以及排放標準的提高，污水廠經歷了多次升級改造。目前，污水廠處理規(guī)模為11.4×104m3/d，污水處理采用外加碳源的脫氮工藝，污泥采用多爐膛焚燒爐（MHFs）焚燒處理（建于1974年），處理能力為26 噸干泥/天。2001年，隨著煙氣排放標準的提高，MHFs的處理能力降低為12噸干泥/天，尾氣需要采用天然氣進行二次燃燒處理后排放。2009年~2010年，污水處理廠對2臺多爐膛焚燒爐進行節(jié)能改造，改造內容包括：增加煙氣循環(huán)系統(tǒng)改善焚燒效率，增設氣體熱交換器回收焚燒氣體余熱，在焚燒爐進氣口前增設圓槽型射流裝置以改善焚燒氣體和燃料的混合度，另外，對燃燒飛灰采用空氣冷卻。改造總投資為4,500,000美元，改造后污泥焚燒的能源消耗（主要是天然氣的費用）由525,000美元/年降低至125,000美元/年(降低了76%)，同時MHFs的處理能力提高為17~19噸干泥/天，緩解了污泥處理設施的擴建壓力。

4 結語

隨著全球能源危機的加劇，作為節(jié)能減排的重要內容的污水處理設施，在污水處理廠的設計、運行和升級改造過程中，應該因地制宜的考慮節(jié)能措施的應用，充分發(fā)揮污水處理廠的經濟效益和環(huán)境效益，促進社會經濟的可持續(xù)發(fā)展。