我國城鎮污水處理廠節能降耗研究現狀及發展趨勢
發布者：發布時間：2017-06-21瀏覽次數：2396
1 我國城鎮污水處理發展現狀
污水處理是保障人類社會衛生安全的重要措施。現今污水處理主要采用活性污泥法為主的工藝，能有效去除有機物、氮磷等污染物和致病菌等。
我國污水處理廠從2006年起數量直線增加，而2010年后增長速度有所降低。截至2014年底，全國設市城市、縣累計建成污水處理廠3 717座，污水處理能力1.57×108 m3/d，我國城鎮污水處理廠建設已覆蓋大部分生活范圍，未來污水處理廠建設數量將會放緩，但污水處理量在一定時期內仍會有所增加。
按照楊凌波等[1]統計的我國污水處理平均能耗為0.29 kWh/m3，根據國家能源局發布的2014年全社會用電總量為55 233億kWh，得到污水處理占全社會用電量的比例約為0.3%。
污水處理廠能耗主要包括直接能耗和間接能耗，其中直接能耗為用于曝氣鼓風機、提升泵、回流泵等運行所需要的電能，間接能耗包括化學除磷以及污泥脫水等投加的化學藥品等。一般而言，在二級處理工藝電耗中，污水提升占10%～20%，生物處理占50%～70%，污泥處理處置占10%～25%，此三部分所占比例在70%以上[2]。現今我國污水處理隨著排放標準的提高，很多污水處理廠開始采用深度處理工藝，包括反硝化濾池、砂濾和紫外消毒等工藝。以包括混凝過濾和紫外消毒深度處理工藝的昆明某污水處理廠運行能耗為例，其前處理、二級處理、深度處理和污泥處理能耗所占比例分別為8.2%、65.7%、20.7%和5.4%，其中污水提升泵所占比例為8.0%，二級處理工藝回流泵所占比例為4.7%，曝氣能耗所占比例為56.2%。因此，污水處理廠節能降耗關鍵點在提升泵和鼓風曝氣兩個方面。
2 污水處理節能降耗發展現狀
根據以上分析，現有節能降耗的可能包括對現有工藝或者設備運行進行完善，降低運行能耗。此外，節能降耗也可以從污水處理工藝優化和其所含能源進行回收，由此降低污水處理廠運行能耗。
2.1 污水提升泵節能降耗研究及其應用
污水處理廠進水均處于管網系統末端，其高程相對較低，所以需要用提升泵將污水提升至處理系統中，此過程耗能較多，是節能降耗的重要節點之一。目前我國污水處理廠泵能耗較高的原因包括電機效率低、設計能力與運行能力不符、水量波動大和運行控制管理能力低等。污水提升角度的節能降耗需要從污水提升系統進行全面的分析。首先，在污水處理工藝設計階段，需要全面調研現有管網系統和污水處理全流程設施，盡可能降低需要提升的污水隨處理設施的高程差，并考慮采用淹沒流模式。其次，需要根據污水提升量及其變化特征，選擇合適的泵及其組合方式。根據管道系統尤其是污水流量的變化特性曲線選擇合適的泵，滿足泵運行的高效運行效率區間并在高水位條件下運行。根據污水處理量、揚程、水頭損失和泵功率等，選擇合適高效的泵組合，包括設置帶變頻調速器等的變頻泵與固定功率泵之間的配比與調控，降低水泵運行軸功率，同時避免泵的頻繁開啟而降低其使用壽命。再者，注重泵和電機之間的匹配度，強化電機的高效運行。另外，注重管道設計，保障系統結構緊湊與運行流暢，減少彎管和管道長度，降低管道輸運系統的阻力和能耗。最后，需要注重工藝運行管理與設備維護，降低運行系統的滴漏、結垢與機械磨損等，保障設備和系統在高效條件下運轉。
我國各污水處理廠設計和運行中，對提升泵的改進主要是采用變頻控制技術。許光濘等[3]采用部分變頻泵作為調速泵的控制，可以使水泵平均轉速比工頻轉速降低20%以上，綜合節能效率可達20%～40%，對中小型污水處理廠，一年左右就可收回投資成本。沈曉鈴等[4]采用超聲波液位計監測進水水位并結合出水管流量計反饋控制潛水泵變頻運行，實現節能10%左右。原建光等[5]采用變頻調速技術，以調節電動機轉速方法代替調節閥門或擋板，降低水位大幅變化和實現高水位運行，節電率為15%。謝添等[6]研究對提升泵房，采用3臺潛水泵，其中一臺為變頻泵，并設置1臺超聲波液位計控制實際水位，得到變頻控制節能效率為39%～56%。對于變頻器的選擇與否，劉禮祥等[7]認為當處理水量變化較大且后續處理抗沖擊負荷能力較弱時，需要設置變頻泵，反之則不一定設置變頻器，因為變頻器本身耗能比例為3%～5%。郭思遠等[8]采用基于泵站編組輪換算法和動態液位控制算法的進水提升泵智能控制方法，實現泵站運行節能9.6%，全廠節能2.5%左右。此外，李鵬峰等[9]研究得到通過利用前端管網的蓄水能力減少水泵運行臺數，達到節能效率20%。
2.2 污水生物處理曝氣節能降耗技術及其應用
污水中污染物去除主要通過微生物生化代謝過程實現。我國污水處理生化工藝主要包括A2O工藝、氧化溝工藝和SBR工藝[8]。微生物去除污染物的生化代謝過程需要存在電子受體，此過程主要通過曝氣供氧提供。因此，有效曝氣是實現污染物去除和污水有效處理的重要保障手段。此外，在污染物去除的過程中如A2O反硝化脫氮需要混合液回流提供硝態氮作為電子受體，而在化學除磷過程中需要投加化學藥劑強化化學沉淀等也會產生一定的能耗。曝氣控制是污水生物處理過程中節能降耗的關鍵節點，途徑包括曝氣裝置、曝氣管布置、曝氣供給模式等方式的優化。
曝氣風機主要包括羅茨風機和TURPO風機，前者主要通過變頻控制風量一般為中小型污水處理廠所采用，而后者主要通過風機導葉開度和開啟臺數進行曝氣控制。對于曝氣方式，現今A2O和SBR工藝一般采用微孔曝氣，而氧化溝一般采用轉刷曝氣或倒傘式曝氣等。微孔曝氣主要通過產生直徑為1.5～3.0 mm的微氣泡強化傳氧效率，降低曝氣能耗。由于微孔曝氣能夠強化傳氧效率，所以現今很多氧化溝工藝的升級改造也開始采用底部微孔曝氣。魏建文等[10]對氧化溝工藝進行改造，由豎軸表面曝氣改造為可變微孔曝氣器和潛水推流器推流相結合的系統，實現單位污水處理能耗降低23%～45%。曝氣方式一般包括單邊曝氣和全面曝氣。以往認為單邊曝氣能夠減小風量，但實踐證明全面曝氣能夠實現均勻小漩渦，形成局部混合，強化小氣泡的傳遞，具有更好地傳氧效率。魏全源和李辰[11]認為當均采用微孔全面曝氣時，采用微孔盤式曝氣頭比穿孔管節能20%以上。
除曝氣裝置與曝氣方式外，曝氣量的供給方式是節能降耗的關鍵研究對象。曝氣量過小，將影響污水處理出水水質;曝氣量過大，則造成能量浪費和影響活性污泥絮體結構和沉降性。曝氣節能核心是在保證生化處理過程有效去除污染物、保障出水水質的前提下，按需提供所需電子受體溶解氧，達到所需與供給之間的平衡，避免曝氣能耗的浪費。從降低能耗角度來看，主要包括控制好氧區恒定溶解氧防止過度曝氣、按污水處理流程需氧量逐漸降低設置梯度降低曝氣量(如35%、30%和25%)、根據出水氨氮濃度設置曝氣量等。傳統活性污泥生化處理工藝中曝氣主要是去除COD和進行硝化反應，所以供氧量的計算也主要是考慮此兩個生化過程。黃浩華等[12]研究得到可以通過控制好氧區DO質量濃度在2～3 mg/L避免過度曝氣，或者通過工藝調節減少好氧區長度而降低能耗17.1%，后者同時能夠提高TN去除效率。劉禮祥等[13]通過精確曝氣控制生化段，采用DO信號接入控制柜并由編程轉化為風壓值，進而采用風壓控制曝氣量，實現節能27.95%;此外，對于氧化溝工藝采用轉刷時序控制也能降低處理單位能耗。張榮兵等[14]采用優化曝氣流量控制系統于A2O工藝，有效控制好氧區DO質量濃度，其噸水處理能耗由改造前的0.149 3 kWh降低到改造后的0.132 6 kWh，節能11.2%，而且出水水質能夠很好地達到一級A標準。李建勇等[15]采用曝氣流量控制系統實現對DO的控制，采用控制技術后處理能耗由0.38 kWh/m3降低到0.25 kWh/m3。謝繼榮等[16]針對常規曝氣控制系統存在進水波動條件下DO濃度波動范圍也較大的特征，提出了基于溶解氧和需氣量串級控制的曝氣優化控制方法，能夠進一步降低工藝運行能耗8.8%。針對現有DO控制系統對低DO控制效果較差的特點，楊新宇等[17]開發出新型DO控制系統，能夠很好地控制工藝中低DO濃度，應用于工藝后處理能耗由0.12 kWh/m3降低到0.096 kWh/m3。對于鼓風機控制，其中一個關鍵因素是避免曝氣鼓風機喘振問題。馬金峰等[18]指出控制鼓風機出口壓力是解決喘振現象從而實現DO自動控制的必要條件，并且采用低DO和出水氨氮濃度控制能夠實現系統的高效自動控制和節能降耗。此外，還可以通過ORP和pH控制污水處理過程，實現精確曝氣目的，但此方法波動較大并沒有得到很好的實際應用。
我國污水處理工藝普遍存在曝氣量設計遠大于實際需求量的現狀，也即好氧段可以大大縮短以降低好氧能耗。鮑林林等[19]對氧化溝工藝好氧段進行改造，主要是改造好氧段前段為缺氧區，控制出水DO質量濃度為1～1.5 mg/L，不但提高了出水水質，而且處理能耗降低為0.241 kWh/m3，比改造前降低20%以上。此外，通過工藝內設備優化運行也能有效降低能耗。原建光等[20]采用低氧(0.5～0.8 mg/L)條件下運行污水處理工藝，也達到很好的污水出水水質，并實現節能的目標。楊敏等[21]對污水處理工藝進行分析，通過降低生物池攪拌功率密度實現攪拌單元節能效率50%。除工藝優化運行之外，可以考慮電力使用高峰低谷時間段，結合污水處理廠廠網綜合調控與協同優化污水處理工藝的運行，降低耗電費用。
2.3 優化或革新的污水處理節能降耗新技術研究
隨著對污水處理工藝功能菌的深入研究，逐漸提出能夠從工藝角度實現節能的新型污水處理工藝。主要包括基于短程硝化的污水脫氮工藝、反硝化除磷工藝以及厭氧氨氧化工藝等。短程硝化工藝因為僅僅硝化氨氮到亞硝酸鹽而非硝酸鹽，所以可以節約能耗25%，同時，反硝化亞硝酸鹽而非硝酸鹽時也能降低脫氮對碳源的需求量，強化污水脫氮效率。對于厭氧氨氧化工藝，主要應用于高氨氮廢水，因為僅需50%左右的氨氮氧化為亞硝酸鹽，所以其需氧量更低，能夠實現高效節能。近期也開始考慮厭氧氨氧化應用于污水處理工藝主體流程的可行性，并開展了系列探索性研究[22]。反硝化除磷工藝主要以硝態氮為電子受體，實現同步脫氮除磷，所以也能在很大程度上節約曝氣能耗。與傳統強化生物除磷相比，反硝化除磷技術提高碳源利用率50%、節省曝氣30%、減少污泥產量50%。
污水本身含有的有機物就是能量載體，所以除污水處理節能之外，可以考慮污水能源化的實現。主要途徑包括污水厭氧處理，新型工藝包括膜厭氧處理工藝等[23]。此外，能源回收的重點是強化污水中碳源有機物轉化為生物體，然后通過厭氧發酵實現污水碳源的能源化[24]。此領域研究需要針對我國污泥或污水特征，進一步開發高效的反應器與處理技術工藝等。
3 結語及展望
隨著我國污水處理廠建設的完善，未來對污水處理廠運行節能降耗需求會越來越強烈，尤其是基于精細化管理和污水處理全程優化的理念值得深入實踐。重點內容包括：
1)建立基于污水處理系統節能降耗的精細化綜合設計、運行與管理模式。
2)開發新型節能降耗的污水處理工藝。深入研究污水中污染物去除機制及其功能菌的馴化，開發新型污水處理工藝，深入推進關于污水處理能源化與資源化的實踐，也是節能降耗的技術途徑之一。
3)基于污水處理工藝過程的模擬與精確控制技術研究與應用。針對不同工藝，建立相應的關鍵能耗特征指標，并開展相應的評價與優化運行，也是未來需要深入研究的對象。
4)基于節能降耗效能的綜合評價方法與體系的建立與應用。需要建立基于污水處理全流程的類似生命周期評價的理念，全面評價節能降耗的影響，全面評價能耗降低的途徑。此外，也需要從可持續發展角度，全面分析能耗的影響，引入包括環境、經濟和技術等方面指標的評價體系。