污水處理是能耗密集型技術(shù)，為了能對污水處理過程進行合理的能耗評估和降低污水處理能耗，各國研究學者在此方面都做了大量的研究工作。文章從污水處理廠能耗現(xiàn)狀入手，對能耗評估指標、能耗基準線的劃定方法、能源效率提高辦法、能源監(jiān)管等幾個方面進行了綜述。通過分析發(fā)現(xiàn)，污水處理廠的能源效率通過評估和管理是可以大幅度提升的，將來還有很多值得研究的空間。

污水處理廠承擔水環(huán)境改善的重要任務(wù)，但也是能耗密集型企業(yè)。其能耗范圍較廣，污水處理廠電耗一般占總能耗的70%~90%，因此污水處理廠的能耗一般多指電耗。據(jù)統(tǒng)計，我國2014年污水處理廠電耗占全國總電耗的0.26%，算上工業(yè)廢水處理和污泥處理，所占比例將超過2%。如何合理評估污水處理能耗和降低能源消耗是目前污水處理領(lǐng)域關(guān)注的熱點。

1  污水處理電耗評估指標

目前以處理水量和污染物的去除量為電耗評估指標。

1以處理水量為電耗評估指標

我國基本是以處理水量為電耗評估指標的，且污水處理收費也是按水量為單位進行收費。據(jù)報道，我國目前城市污水處理電耗平均水平為0.29~0.40 kW·h/m3。以處理水量為電耗評估指標有比較大的缺陷，這一評估指標使用的前提是污水處理廠的進水水量、水質(zhì)(COD、氨氮、SS、總氮和總磷等)波動比較小，各污水處理廠進水水質(zhì)水量情況比較接近，差別不大。另外，我國污水管網(wǎng)采用雨污分流，但實際上有時雨水、污水也會混合一起進入污水處理廠，導致進水污染物被一定程度稀釋，計算出的電耗偏低。

2以污染物的去除量為電耗評估指標

污染物的去除量為電耗評估指標又可細分為：以年服務(wù)人口當量為電耗評估指標、以COD去除量為電耗評估指標、以總懸浮固體去除量為電耗評估指標、以總氮去除量為電耗評估指標。

德國、澳大利亞等國家采用的是以年服務(wù)人口當量為電耗評估指標。每1人口當量可以按COD或者BOD進行折算，一般是每天1人口當量60 g BOD或者120 g COD。北美地方的污水廠一般每天1人口當量80 g BOD或160 g COD，或每天1人口當量產(chǎn)生400 L污水來進行折算。

幾種常用電耗評價指標的適用性對比見表 1。

表1 幾種主要評價指標的適用性對比

由表1可知，以污染物的去除量為電耗評估指標更準確一些，但是依然存在不足。首先，污水中污染物評價指標比較多，包括SS、COD、BOD、TN、TP、NH3-N等。選取單一種類的污染物去除量為電耗評價指標不全面。其次，每個污水廠進出水水質(zhì)不一樣，處理標準也不一樣。隨著對水環(huán)境質(zhì)量改善要求的提高，污水處理廠的處理排放標準逐漸提高，要求越來越嚴，所以需要考慮采用全面覆蓋所有污染物去除效果的一個綜合指標來進行電耗評估。

3  能量流分析

能量流分析是將進出污水處理系統(tǒng)的各種污染物按照能量的方式統(tǒng)一計量，將污水處理廠的運行效果從物質(zhì)角度的多指標評價轉(zhuǎn)化成從能量角度的單一指標評價。能量流的定義如式(1)所示。

應(yīng)用能量流評估方法需要計算污水中的能量，這里用化學潛能來代表。化學潛能指的是廢水中的有機物完全氧化成CO2和H2O時釋放出的熱能。污水中常見的有機物與化學潛能的對應(yīng)關(guān)系：每1 g COD相當于14 kJ化學潛能，每1 g VSS相當于22.15 kJ化學潛能。

林濤等應(yīng)用比能耗和能量流兩種評價指標分析A2/O污水處理工藝的能耗情況，發(fā)現(xiàn)能量流評價指標相當于多個比能耗組成的分析系統(tǒng)，是一個更綜合、更全面的評價方法。就整體而言，能量流評價是一個新方法，應(yīng)用很少，目前還不太完善，今后需要考慮納入反硝化過程和除磷反應(yīng)。

2  能耗基準

由于污水處理能耗較高，對污水處理劃定能耗基準有助于幫助污水處理廠建立合適的能耗評價體系，進一步降低能源消耗。確定能耗基準的方法比較多，大致可以分為歸一化方法、統(tǒng)計學方法、編程技術(shù)三類。

1 歸一化方法

使用歸一化方法劃定能耗基準應(yīng)用特別多，主要是因為該方法比較簡單，結(jié)果通俗易懂，但其依賴于大量污水處理廠的樣本分析。為了在不同的污水處理廠劃定能耗基準，需要一定的評價指標，比如以服務(wù)人口量為標準、以處理單位水量為指標或以污染物的去除量為指標等。但是單一的評價指標過于簡單，并且應(yīng)用的前提是假設(shè)所有的污水處理廠在污水處理類型、規(guī)模、地理位置都是一個度量標準。單一的評價指標只適合于污水處理廠不同功能的單個處理環(huán)節(jié)。

L. B. Yang等在2006年對中國599個污水處理廠運行和能耗數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，最后采用7個三水平的能耗指標建立了能耗基準線。將建立的這一能耗基準線對3個污水廠的能耗進行評估，結(jié)果發(fā)現(xiàn)適應(yīng)性比較好，能達到節(jié)省能耗、提高能源效率的目的。通過能耗基準的劃定，3個污水廠在曝氣方面節(jié)省能源效果顯著。

C. Belloir等對英國2座具有初級處理、二級出水和深度處理的污水處理廠建立了能耗基準。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，找到能耗最高的設(shè)施能有效提高能耗基準劃定的效率。建立能耗基準需要對污水廠有全面的認識，需要知道污水廠出水水質(zhì)參數(shù)、現(xiàn)場操作情況和污水廠工程布局。

利用單一或多個評價指標進行歸一化能耗基準的劃定有兩個方面的缺陷。第一，對于處理規(guī)模相差很大的污水處理廠不存在線性關(guān)系，不能直接套用;第二，單一評價指標只能反映污水處理廠的部分功能。因此，通常歸一化方法只應(yīng)用于處理規(guī)模和污水水質(zhì)比較類似的污水處理廠。
 

2 統(tǒng)計學方法

統(tǒng)計學方法以最小二乘法(OLS)為例。OLS通過大量污水處理廠能源消耗樣本分析，建立回歸函數(shù)或模型表示大量污水處理廠樣本的能源平均消耗水平。再將單一的污水處理廠能耗水平與回歸函數(shù)進行比較，如果能耗值高于回歸線，說明該污水處理廠能源使用效率低，反之則是能源使用效率高。用OLS建立回歸模型所需要的參數(shù)包括：污水廠平均進水流量、進水BOD、進水COD、污水廠負荷率及營養(yǎng)物的去除情況等。OLS法也有不足之處：第一，該方法同樣需要大量的樣本數(shù)據(jù)分析;第二，回歸結(jié)果對函數(shù)的表現(xiàn)形式比較敏感。

3 編程技術(shù)

編程技術(shù)以數(shù)據(jù)包絡(luò)分析(DEA)為例，DEA是通過建立一個包絡(luò)面來評估系統(tǒng)或者設(shè)備運行效率的編程技術(shù)。DEA的優(yōu)勢：是當新的決策單元添加到樣本集中，參數(shù)模型不需要隨著函數(shù)形式的改變而采用邊界函數(shù)形式的假設(shè)，同時DEA允許涉及多種輸入同時生成多個輸出過程的分析。這使得專家對DEA在污水處理廠技術(shù)經(jīng)濟效益方面的評價應(yīng)用產(chǎn)生了廣泛的興趣。但DEA與OLS一樣，其依賴確定性的能源效率分數(shù)的假設(shè)，而忽視了能源消耗是具有很大隨機成分的事實，能源消耗會受到季節(jié)和天氣等因素的影響。DEA對數(shù)據(jù)是高度適應(yīng)的，因此基于單一測量對能源效率進行估測是存在一些問題的。

3  提高能源利用效率的方法

運行過程優(yōu)化是一種投資少、又可以短時間內(nèi)提高能源利用效率的方法。污水處理廠常見的運行過程優(yōu)化主要在能源消耗占比較大的環(huán)節(jié)，如污水提升泵(約10%~20%)、曝氣(約50%~70%)和污泥脫水處理(約10%~25%)等。

1 污水提升泵

污水提升泵的優(yōu)化是一種非常常規(guī)的優(yōu)化措施，沒有體現(xiàn)太多先進技術(shù)。主要包括對泵的操作設(shè)置、配備變頻器、采用高效率的水泵等。一般對污水提升泵的優(yōu)化能將這部分的能耗降低5%~30%。向偉芳對污水提升泵加設(shè)變頻調(diào)控，運行數(shù)據(jù)表明，用變頻調(diào)控技術(shù)能綜合節(jié)省能源消耗達到20%~40%。除此之外，也需要定期對水泵進行保養(yǎng)維護，加強運行管理，同時結(jié)合自身污水處理廠實際運行情況來調(diào)整運行條件，幫助實現(xiàn)能源效率的最大化。

2 曝氣

對于污水處理過程而言，曝氣環(huán)節(jié)是能源消耗最大的環(huán)節(jié)。影響曝氣效率最重要的參數(shù)是平均細胞保留時間，有報道表明氧轉(zhuǎn)移速率與平均細胞保留時間成正比，與擴散器的空氣流速成反比。

(1)溶氧控制

A. Thunberg等報道，在瑞典某污水處理廠安裝在線溶氧監(jiān)測儀能節(jié)約26%的空氣流量。有文獻報道，如果采用更先進的溶氧控制設(shè)備可以節(jié)約總能耗的15%或者更高。國內(nèi)方面，楊岸明對曝氣智能控制方面展開了詳細研究并建模分析。將研究成果應(yīng)用于20 m3/d城市污水處理廠的鼓風曝氣優(yōu)化上，最終在保持污水處理達標的前提下，月能耗降低7%，月均單位能耗降低9.7%。

(2)鼓風設(shè)備

A. C. Firmin等的研究表明，用渦輪鼓風機替換傳統(tǒng)的鼓風設(shè)備可以降低35%的能耗。最近又有文獻報道表明，與傳統(tǒng)彈性膜擴散裝置相比，采用超細氣泡擴散器可以節(jié)約能耗10%~20%。除了更換鼓風設(shè)備，給現(xiàn)有鼓風設(shè)備安裝變頻調(diào)控，可以在工藝發(fā)生變化時自動調(diào)速，節(jié)省電能。劉鐵軍對SBR工藝污水處理廠的羅茨鼓風機安裝變頻調(diào)控，每月最少節(jié)約電量6 810 kW·h，1 a節(jié)約電費7.35萬元。

3污泥脫水處理

國內(nèi)大型污水處理廠的污泥脫水處理費用占總費用的15%，對此采用節(jié)能降耗優(yōu)化可以降低成本。主要改造方面包括構(gòu)筑物結(jié)構(gòu)改造、藥劑種類及添加量優(yōu)化、污泥脫水裝備及工藝調(diào)整等。

宋繁永等針對污泥脫水能耗高的情況，研究污泥預(yù)處理工藝，改善污泥機械脫水性能，其開發(fā)的高效污泥機械脫水設(shè)備實現(xiàn)了污泥含水率在60%以下。

4  能耗管理辦法

1 能源管理指南和能源管理系統(tǒng)

美國能源局(EPA)2008年發(fā)布了水和污水利用過程中的能源管理指南，里面提出了一些降低能源消耗和能源成本的方法。美國還有一些專門的組織機構(gòu)在污水處理能源管理和提高能源利用率方面一直在努力，如WERF(The Water Environment Research Foundation)在籌劃制定一個最佳能源利用方法匯編。而我國在這方面相對比較落后，目前僅有一些小公司幫助污水處理廠提供能源管理和提效服務(wù)，國家層面缺乏相應(yīng)的標準和指南。

2 能源審計

能源審計也是能源管理的一個有效措施。常規(guī)能源審計就是在污水處理廠設(shè)立專門的能耗記錄臺賬，包括各處理單元或設(shè)備的電耗、藥耗和水耗。定期對臺賬記錄進行整理和分析，掌握該污水處理廠能源消耗的總體情況，并針對初步審計結(jié)果，對污水處理各單元環(huán)節(jié)做出簡單的調(diào)整。高級能源審計對污水處理廠相關(guān)工作人員的要求比較高，工作涉及設(shè)備現(xiàn)場試驗、盤點設(shè)備節(jié)能性能數(shù)據(jù)、設(shè)備和系統(tǒng)的能量分布、討論潛在的節(jié)能措施、同時提供詳細的過程審核資料并提出節(jié)能建議。

3 能源監(jiān)測系統(tǒng)

能源監(jiān)測系統(tǒng)是由硬件和軟件組成的一個平臺，能將一些有效的能源管理辦法引入污水處理廠的實踐中，可以對污水處理廠的能源使用進行監(jiān)測和管理，實現(xiàn)降低能耗的目的。例如目前監(jiān)測和采集系統(tǒng)(SCADA)在污水處理廠中得到了廣泛的應(yīng)用，該系統(tǒng)能監(jiān)測多種設(shè)備的參數(shù)和操作條件，同時能夠提供處理工藝過程中能源消耗的實時數(shù)據(jù)。SCADA系統(tǒng)的有效使用可以在2~4 a內(nèi)收回投資成本。

5  結(jié)論與展望

現(xiàn)有能耗評估指標都有一定的局限性，能耗基準的劃定方法也雜亂不一，方法各有優(yōu)劣，沒有普適性。從國內(nèi)外研究進展看出我國在此方面還有很長一段路要走。將來污水處理廠能源提效應(yīng)在如下幾方面加強研究：

(1)形成更全面的能耗評估辦法，建立標準化能耗評估程序和管理記錄臺賬;

(2)開發(fā)更全面、更適用的能耗評估指標，根據(jù)污水廠的規(guī)模、工藝和進出水水質(zhì)標準等劃定統(tǒng)一的標準能耗基準;

(3)加強污水處理廠能源監(jiān)測自控系統(tǒng)數(shù)據(jù)收集和大數(shù)據(jù)分析，在此基礎(chǔ)上總結(jié)能源消耗規(guī)律，研究高效節(jié)能降耗的方案。