污水處理廠能耗分析方法

金文杰，楊丹丹

污水處理是高能耗產(chǎn)業(yè)之一，其能源消耗主要是電量消耗，占總能耗的60%～90%。高能耗不僅加劇了我國當前的能源危機，也造成高處理成本，致使一些中小型污水處理廠難以正常運行，污水處理廠的減排效益得不到體現(xiàn)。對污水處理廠的能耗情況進行分析，在保障污水處理量和尾水達標排放的前提下，提高能源利用率，降低處理成本，對緩解我國當前的能源危機及保障污水處理廠正常運行具有重要意義。

1 污水處理廠采用的主要處理工藝及能源消耗狀況

污水處理廠采用的主要技術(shù)有傳統(tǒng)活性污泥法、前置反硝化生物脫氮(A/O)工藝、缺氧/好氧(A2/O)生物脫氮除磷工藝、氧化溝活性污泥法、序批式活性污泥法(SBR)、水解酸化-好氧活性污泥法、AB兩段活性污泥法、生物接觸氧化法、曝氣生物濾池(BAF)以及其他生物膜法等。

雖然不同的污水處理廠采用的工藝不盡相同，但從總體看，污水處理廠能源主要消耗在4個方面: (1)污水提升系統(tǒng):一般情況下，污水都需要提升泵提升到一定高度形成水位差，以便后續(xù)處理;(2)生物處理系統(tǒng):生物處理過程需要用鼓風(fēng)機、攪拌器等進行供氧，同時為了提高污水處理效果還需要一定量的回流，所以內(nèi)外回流泵也會消耗一部分能量;(3)污泥處理系統(tǒng):污泥處理階段需要對污泥進行濃縮脫水以及外運;(4)污水處理廠照明用電系統(tǒng):污水處理廠內(nèi)各個單元的照明對用電量的消耗是必不可少的。

2 能量消耗分析方法

經(jīng)過諸多學(xué)者數(shù)十年的研究，一些能量消耗分析方法逐漸形成，我國污水處理廠目前正在使用的能耗分析方法有比能耗分析方法、單元能耗分析方法、層次分析方法及生命周期評價法等。

2.1 比能耗分析方法

比能耗是指將每處理單位體積的污水所消耗的能量折算為電能(kW·h/m3)表示，或以去除單位重量的污染物(COD或BOD)所消耗的能量(kW·h/kg)來表示［1］。羊壽生［2］曾結(jié)合自己的設(shè)計經(jīng)驗，對國內(nèi)典型一、二級污水處理工藝各單元過程作了電能估算，估算結(jié)果以處理單位體積污水的耗電量表示(kW·h/m3)，一級城市污水處理廠電耗值為0.072 kW·h/m3，二級處理廠電耗值為0.266 kW·h/m3(表1、2)。污水廠規(guī)模按25 000 m3/d計。

從表1、2可看出，我國污水處理廠能耗主要集中于污水、污泥的提升，生物處理的供氧，污泥處理等工藝過程，其中污水生物處理階段的曝氣池供氧設(shè)備和污泥處理的單元過程能耗要占污水處理廠直接能耗的65%左右。

表1 我國典型一級城市污水處理廠電耗

表2 我國典型二級城市污水處理廠電耗

2.2 單元能耗分析方法

單元能耗分析是指將污水處理廠按功能和能耗特征分成預(yù)處理、生化處理和污泥處理3個單元分別進行能耗分析，通過解析每一單元的能耗變化規(guī)律和主要影響因素，來確立針對污水處理廠的能耗分析方法，且該方法可以篩選出可行的節(jié)能途徑。金昌權(quán)、汪誠文等人［3］采用該方法對北京一座污水處理廠進行了能耗分析，得出的結(jié)論是鼓風(fēng)機系統(tǒng)的能耗比例最高達到56.5%，其次分別為污水提升泵19.2%，生化單元其他機械系統(tǒng)13.2%，污泥處理6.6%，泥泵系統(tǒng)3.8%和預(yù)處理單元附屬設(shè)施0.7%。

常江、楊岸明等人［4］曾運用單元能耗分析方法對處理規(guī)模為6×105m3/d、采用A2/O工藝的某污水處理廠進行了能耗分析，對該工藝中一級處理、二級處理、污泥處理等各階段的能耗以及各設(shè)備能耗進行統(tǒng)計計算的結(jié)果是，預(yù)處理單元各設(shè)備能耗占總能耗的20.52%:其中進水泵占預(yù)處理單元能耗的94.91%，占全廠總電耗的19.48%，是預(yù)處理單元最大的耗能設(shè)備，為該單元節(jié)能的關(guān)鍵設(shè)備;二級處理單元的能耗主要集中在鼓風(fēng)機、攪拌器和內(nèi)外回流泵上，占總能耗的68.96%，其中鼓風(fēng)機占二級處理單元電耗的 75.13%，占總運行電耗的51.81%，是全廠最大的耗能處理單元，因而對于二級處理單元及全廠的節(jié)能重點應(yīng)該在鼓風(fēng)機的節(jié)能降耗上;污泥處理單元的能耗主要集中在污泥進泥泵和污泥濃縮脫水機上，占總能耗的6.66%，污泥進泥泵占污泥處理單元電耗的62.56%，占總運行電耗的4.16%，因而對于污泥處理單元的節(jié)能重點應(yīng)該在污泥進泥泵及污泥濃縮機的節(jié)能降耗上。鍋爐、照明等其他部分所占總能耗的比例為3.86%。由此可知，預(yù)處理與二級處理單元占總能耗的大部分比例，節(jié)能潛力最大，污泥處理單元次之。因此，節(jié)能應(yīng)從這幾個處理單元考慮，對其主要設(shè)備的運行狀態(tài)及運行方法進行挖掘，從而實現(xiàn)整個污水處理系統(tǒng)的節(jié)能。

2.3 層次分析方法

層次分析方法［5］(Analytic Hierarchy Process，AHP)是美國著名運籌學(xué)家、匹茨堡大學(xué)教授托馬斯·塞蒂(Thomas L Satty)于20世紀70年代創(chuàng)立的一種分析工具。

李為［6］曾針對在我國應(yīng)用較多的氧化溝工藝污水處理廠和A2/O工藝污水處理廠在實際運行時的能耗狀況進行了調(diào)查計算，發(fā)現(xiàn)所調(diào)查的城市污水處理廠的能耗構(gòu)成為:預(yù)處理的能耗約占總能耗的28%，生物處理的能耗約占總能耗的60%，污泥處理的能耗約占總能耗的12%，其中曝氣設(shè)備的電耗約占污水處理廠總電耗的50%。進而運用層次分析法對影響污水處理廠能耗因素的權(quán)重進行了定性分析與定量計算，建立了污水處理廠能耗評價表達式:

T=0.078 4 C1+0.028 0 C2+0.170 8 C3+ 0.025 6 C4+0.300 8 C5+0.160 0 C6+0.057 6 C7+ 0.089 6 C8+0.050 4 C9+0.020 8 C10+0.008 8 C11

其中:T為城市污水處理廠總能耗;C1為實際污水處理量指數(shù);C2為實際污泥處理量指數(shù);C3為處理能力利用率指數(shù);C4為處理構(gòu)筑物占地指數(shù); C5為工藝穩(wěn)定性指數(shù);C6為污水處理系統(tǒng)高程布置指數(shù);C7為設(shè)備實際利用率指數(shù);C8為處理設(shè)備能量轉(zhuǎn)化效率指數(shù);C9為主要污染物去除率指數(shù);C10為N和P等營養(yǎng)物去除率指數(shù);C11為污水處理達標率指數(shù)。

李為的研究表明，城市污水處理廠的能耗發(fā)生重點在污水處理能力利用率、工藝系統(tǒng)穩(wěn)定性、污水處理廠高程布置三方面，這三部分在能耗評價體系中所占權(quán)重最大，是污水處理廠在設(shè)計中和運行時應(yīng)該注意的重點。

2.4 生命周期評價法

生命周期評價［7］(Life Cycle Assessment，LCA)起源于美國中西部資源研究所(MRI)于1969年針對可口可樂公司飲料容器的分析研究，從原材料的采掘到廢棄物最終處理的全過程進行跟蹤與定量分析。

生命周期評價以工藝設(shè)施為主線，針對污水處理系統(tǒng)的整個生命周期內(nèi)各階段所產(chǎn)生的所有能耗問題進行系統(tǒng)的量化分析，并以此為基礎(chǔ)做出生命周期能耗的評估和完善化分析。一般將污水處理的生命周期分為3個階段，即施工建設(shè)(包括建設(shè)材料和加工制造)、生產(chǎn)運行和廢棄拆除階段。生命周期評價從全過程的視角識別分析城市污水處理工藝在其生命周期各個階段的能耗，找出能耗損失的原因以及能耗過程各個環(huán)節(jié)的影響因素，并在此基礎(chǔ)上提出節(jié)能措施。

楊健［8］、熊艾玲［9］曾運用生命周期評價技術(shù)對普通活性污泥法、AB活性污泥法和厭氧水解活性污泥法三種污水處理系統(tǒng)從其原材料開采和加工直至污水廠施工建設(shè)、處理運行和廢棄拆除的生命周期全過程能耗進行分析識別和量化分析，在此基礎(chǔ)上提出改善其能耗的措施。

3 節(jié)能措施

3.1 生化處理階段的節(jié)能

上述資料顯示，污水處理廠生化處理階段能源消耗所占比例最高，節(jié)能空間也最大。對于該階段的節(jié)能途徑以下兩點可供參考:(1)活性污泥法系統(tǒng)中采用鼓風(fēng)曝氣供氧時，可采用高效風(fēng)機如可調(diào)葉片的離心風(fēng)機，在風(fēng)壓不變的條件下，根據(jù)需要改變風(fēng)量，以適應(yīng)不同的溶解氧需要，提高曝氣擴散設(shè)備的氧利用率，以達到用量最少，效果最佳的目的。(2)生化處理階段的曝氣系統(tǒng)，在線檢測設(shè)備也是很有效的節(jié)能潛力識別手段。以DO反饋為基礎(chǔ)，結(jié)合積累的水質(zhì)、水量變化規(guī)律，進行曝氣控制。通過降低曝氣量的方式，降低鼓風(fēng)機的風(fēng)量，優(yōu)化鼓風(fēng)機運行程序，使鼓風(fēng)機在比較高的效率下運行，進而達到節(jié)能。

3.2 污泥處理階段的節(jié)能

污泥處理階段的能耗也占到相當大的比例，所以這一階段的節(jié)能也不能忽視。污泥處理單元的能耗主要集中在污泥進泥泵和污泥濃縮脫水機上，污泥進泥泵的節(jié)能應(yīng)從三方面考慮:(1)正確科學(xué)地選擇泥泵，使其在高效率下工作;(2)合理利用地形，通過減小污泥的提升高度來降低泥泵的軸功率;(3)定期對泥泵進行維護，減少摩擦以降低電耗。

3.3 預(yù)處理階段的節(jié)能

預(yù)處理階段的能耗主要在污水的提升，所以想要使該階段的能耗最低，首先，在選泵之前要分析水量變化情況，進而選用規(guī)格不同的水泵，來適應(yīng)水量變化;或者采用變頻調(diào)速機，根據(jù) 不同的流量需求控制水泵轉(zhuǎn)速。其次，可以調(diào)整泵的運行編組使提升泵運轉(zhuǎn)效率。此外，在污水廠高程設(shè)計中，盡量利用自然地勢減少水頭損失，避免跌水和二次提升，進一步節(jié)省能耗。

4 結(jié)語

以上所闡述的幾種方法雖然在實際運行中都有應(yīng)用，但是，比能耗指標反映了去除單位污染物所消耗的某種能量的數(shù)量，應(yīng)用該指標對污水處理能耗進行分析還不夠客觀和嚴密;單元能耗分析方法應(yīng)用的比較早也比較多，但是該方法應(yīng)用于污水處理能耗研究還停留在調(diào)查匯總階段，缺乏統(tǒng)一的理論支撐;層次分析法雖然在污水處理廠的處理工藝選擇上具有一定的客觀性、準確性和有效性，但是在污水處理能耗分析方面，理論還不夠系統(tǒng)和完善;生命周期評價法是對污水處理系統(tǒng)從其原材料開采和加工直至污水廠處理施工建設(shè)、處理運行和廢棄拆除的生命周期全過程能耗進行分析識別和量化分析，要用該方法對污水處理廠運行中產(chǎn)生的能耗問題進行分析，需要按20年的運行期限進行考慮，這樣運用起來耗時較長，考察數(shù)據(jù)較多，應(yīng)用過程中可能會遇到諸多問題。

迄今為止，污水處理能耗研究領(lǐng)域的基本理論、研究方法和研究框架在國內(nèi)還無統(tǒng)一的認識，缺乏合理的、統(tǒng)一的評價指標。節(jié)能措施的制訂和實施往往要超前于能耗的理論分析。多數(shù)節(jié)能途徑和手段常常由污水處理廠的操作管理人員結(jié)合各處理設(shè)施實際情況提出，具有經(jīng)驗性和個別性，不一定能適用于其他污水處理廠甚至是工藝相似的污水處理廠。因此，相關(guān)人員應(yīng)加強污水處理能耗理論研究。

［1］陳宏儒.城市污水處理廠能耗評價及節(jié)能途徑研究［D］.西安:西安建筑科技大學(xué)，2009.

［2］羊壽生.城市污水廠的能源消耗［J］.給水排水，1984 (6):15-19.

［3］金昌權(quán)，汪誠文，曾思育，等.污水處理廠能耗特征分析方法與節(jié)能途徑研究［J］.給水排水，2009(35):270-274.

［4］常江，楊岸明，甘一萍，等.城市污水處理廠能耗分析及節(jié)能途徑［J］.中國給水排水，2011，27(4):33-36.

［5］Saaty T L.領(lǐng)導(dǎo)者:面臨挑戰(zhàn)與選擇:層次分析法在決策中的應(yīng)用［M］.張錄，譯.北京:中國經(jīng)濟出版社，1993.

［6］李為.城市污水處理工藝的能耗評價體系研究［D］.西安:西安建筑科技大學(xué)，2010.

［7］楊建新，王如松.生命周期評價的回顧與展望［J］.環(huán)境科學(xué)進展，1998，6(2):21-28.

［8］楊健，吳敏.3種活性污泥法處理工藝的生命周期能耗分析［J］.上海環(huán)境科學(xué)，2001，20(12):582-585.

［9］熊艾玲.城市污水處理工藝的生命周期能耗分析及節(jié)能試驗研究［D］.重慶:重慶大學(xué)，2004.