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(guó)當(dāng)前的能源危機(jī)，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(yùn)行，污水處理廠的減排效益得不到體現(xiàn)。對(duì)污水處理廠的能耗情況進(jìn)行分析，在保障污水處理量和尾水達(dá)標(biāo)排放的前提下，提高能源利用率，降低處理成本，對(duì)緩解我國(guó)當(dāng)前的能源危機(jī)及保障污水處理廠正常運(yùn)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(gè)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(guò)程需要用鼓風(fēng)機(jī)、攪拌器等進(jìn)行供氧，同時(shí)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(huì)消耗一部分能量;(3)污泥處理系統(tǒng):污泥處理階段需要對(duì)污泥進(jìn)行濃縮脫水以及外運(yùn);(4)污水處理廠照明用電系統(tǒng):污水處理廠內(nèi)各個(gè)單元的照明對(duì)用電量的消耗是必不可少的。

2 能量消耗分析方法

經(jīng)過(guò)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(guó)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(píng)價(jià)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(lái)表示［1］。羊壽生［2］曾結(jié)合自己的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，對(duì)國(guó)內(nèi)典型一、二級(jí)污水處理工藝各單元過(guò)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(jí)城市污水處理廠電耗值為0.072 kW·h/m3，二級(jí)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(jì)。

從表1、2可看出，我國(guó)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(guò)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(guò)程能耗要占污水處理廠直接能耗的65%左右。

表1 我國(guó)典型一級(jí)城市污水處理廠電耗

表2 我國(guó)典型二級(jí)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(gè)單元分別進(jìn)行能耗分析，通過(guò)解析每一單元的能耗變化規(guī)律和主要影響因素，來(lái)確立針對(duì)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(chéng)文等人［3］采用該方法對(duì)北京一座污水處理廠進(jìn)行了能耗分析，得出的結(jié)論是鼓風(fēng)機(jī)系統(tǒng)的能耗比例最高達(dá)到56.5%，其次分別為污水提升泵19.2%，生化單元其他機(jī)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(yùn)用單元能耗分析方法對(duì)處理規(guī)模為6×105m3/d、采用A2/O工藝的某污水處理廠進(jìn)行了能耗分析，對(duì)該工藝中一級(jí)處理、二級(jí)處理、污泥處理等各階段的能耗以及各設(shè)備能耗進(jìn)行統(tǒng)計(jì)計(jì)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(jìn)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(jí)處理單元的能耗主要集中在鼓風(fēng)機(jī)、攪拌器和內(nèi)外回流泵上，占總能耗的68.96%，其中鼓風(fēng)機(jī)占二級(jí)處理單元電耗的 75.13%，占總運(yùn)行電耗的51.81%，是全廠最大的耗能處理單元，因而對(duì)于二級(jí)處理單元及全廠的節(jié)能重點(diǎn)應(yīng)該在鼓風(fēng)機(jī)的節(jié)能降耗上;污泥處理單元的能耗主要集中在污泥進(jìn)泥泵和污泥濃縮脫水機(jī)上，占總能耗的6.66%，污泥進(jìn)泥泵占污泥處理單元電耗的62.56%，占總運(yùn)行電耗的4.16%，因而對(duì)于污泥處理單元的節(jié)能重點(diǎn)應(yīng)該在污泥進(jìn)泥泵及污泥濃縮機(jī)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(jí)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(gè)處理單元考慮，對(duì)其主要設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)及運(yùn)行方法進(jìn)行挖掘，從而實(shí)現(xiàn)整個(gè)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(guó)著名運(yùn)籌學(xué)家、匹茨堡大學(xué)教授托馬斯·塞蒂(Thomas L Satty)于20世紀(jì)70年代創(chuàng)立的一種分析工具。

李為［6］曾針對(duì)在我國(guó)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(shí)際運(yùn)行時(shí)的能耗狀況進(jìn)行了調(diào)查計(jì)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(jìn)而運(yùn)用層次分析法對(duì)影響污水處理廠能耗因素的權(quán)重進(jìn)行了定性分析與定量計(jì)算，建立了污水處理廠能耗評(píng)價(jià)表達(dá)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(shí)際污水處理量指數(shù);C2為實(shí)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(shí)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(yíng)養(yǎng)物去除率指數(shù);C11為污水處理達(dá)標(biāo)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(diǎn)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(píng)價(jià)體系中所占權(quán)重最大，是污水處理廠在設(shè)計(jì)中和運(yùn)行時(shí)應(yīng)該注意的重點(diǎn)。

2.4 生命周期評(píng)價(jià)法

生命周期評(píng)價(jià)［7］(Life Cycle Assessment，LCA)起源于美國(guó)中西部資源研究所(MRI)于1969年針對(duì)可口可樂(lè)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(guò)程進(jìn)行跟蹤與定量分析。

生命周期評(píng)價(jià)以工藝設(shè)施為主線，針對(duì)污水處理系統(tǒng)的整個(gè)生命周期內(nèi)各階段所產(chǎn)生的所有能耗問(wèn)題進(jìn)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(píng)估和完善化分析。一般將污水處理的生命周期分為3個(gè)階段，即施工建設(shè)(包括建設(shè)材料和加工制造)、生產(chǎn)運(yùn)行和廢棄拆除階段。生命周期評(píng)價(jià)從全過(guò)程的視角識(shí)別分析城市污水處理工藝在其生命周期各個(gè)階段的能耗，找出能耗損失的原因以及能耗過(guò)程各個(gè)環(huán)節(jié)的影響因素，并在此基礎(chǔ)上提出節(jié)能措施。

楊?。?］、熊艾玲［9］曾運(yùn)用生命周期評(píng)價(jià)技術(shù)對(duì)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(yùn)行和廢棄拆除的生命周期全過(guò)程能耗進(jìn)行分析識(shí)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(duì)于該階段的節(jié)能途徑以下兩點(diǎn)可供參考:(1)活性污泥法系統(tǒng)中采用鼓風(fēng)曝氣供氧時(shí)，可采用高效風(fēng)機(jī)如可調(diào)葉片的離心風(fēng)機(jī)，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(kuò)散設(shè)備的氧利用率，以達(dá)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(cè)設(shè)備也是很有效的節(jié)能潛力識(shí)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(jìn)行曝氣控制。通過(guò)降低曝氣量的方式，降低鼓風(fēng)機(jī)的風(fēng)量，優(yōu)化鼓風(fēng)機(jī)運(yùn)行程序，使鼓風(fēng)機(jī)在比較高的效率下運(yùn)行，進(jìn)而達(dá)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(dāng)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(jìn)泥泵和污泥濃縮脫水機(jī)上，污泥進(jìn)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(guò)減小污泥的提升高度來(lái)降低泥泵的軸功率;(3)定期對(duì)泥泵進(jìn)行維護(hù)，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(jìn)而選用規(guī)格不同的水泵，來(lái)適應(yīng)水量變化;或者采用變頻調(diào)速機(jī)，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(yùn)行編組使提升泵運(yùn)轉(zhuǎn)效率。此外，在污水廠高程設(shè)計(jì)中，盡量利用自然地勢(shì)減少水頭損失，避免跌水和二次提升，進(jìn)一步節(jié)省能耗。

4 結(jié)語(yǔ)

以上所闡述的幾種方法雖然在實(shí)際運(yùn)行中都有應(yīng)用，但是，比能耗指標(biāo)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(biāo)對(duì)污水處理能耗進(jìn)行分析還不夠客觀和嚴(yán)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(zhǔn)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(píng)價(jià)法是對(duì)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(yùn)行和廢棄拆除的生命周期全過(guò)程能耗進(jìn)行分析識(shí)別和量化分析，要用該方法對(duì)污水處理廠運(yùn)行中產(chǎn)生的能耗問(wèn)題進(jìn)行分析，需要按20年的運(yùn)行期限進(jìn)行考慮，這樣運(yùn)用起來(lái)耗時(shí)較長(zhǎng)，考察數(shù)據(jù)較多，應(yīng)用過(guò)程中可能會(huì)遇到諸多問(wèn)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(guó)內(nèi)還無(wú)統(tǒng)一的認(rèn)識(shí)，缺乏合理的、統(tǒng)一的評(píng)價(jià)指標(biāo)。節(jié)能措施的制訂和實(shí)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(shí)際情況提出，具有經(jīng)驗(yàn)性和個(gè)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(qiáng)污水處理能耗理論研究。

［1］陳宏儒.城市污水處理廠能耗評(píng)價(jià)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(chéng)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(guó)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(guó)經(jīng)濟(jì)出版社，1993.

［6］李為.城市污水處理工藝的能耗評(píng)價(jià)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(píng)價(jià)的回顧與展望［J］.環(huán)境科學(xué)進(jìn)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(yàn)研究［D］.重慶:重慶大學(xué)，2004.