沈昌明，劉戰(zhàn)廣

(上海市政工程設(shè)計研究總院(集團)有限公司，上海市 200092)

產(chǎn)業(yè)密集型城鎮(zhèn)污水處理廠能耗基準(zhǔn)確定方法研究

沈昌明，劉戰(zhàn)廣

(上海市政工程設(shè)計研究總院(集團)有限公司，上海市 200092)

產(chǎn)業(yè)密集型城鎮(zhèn)污水處理廠進水水質(zhì)水量波動大、能耗偏高，合理確定能耗基準(zhǔn)對于開展節(jié)能工作非常重要。對某地區(qū)89座污水處理廠的歷史數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，結(jié)果表明，單位能耗受規(guī)模、負荷率、進水水質(zhì)、溫度等因素的共同影響，且單位能耗隨著實際處理規(guī)模和負荷率的增大而減小，不同規(guī)模污水處理廠平均單位能耗最多可相差1倍。根據(jù)負荷率對污水處理廠的實際處理規(guī)模進行分類，可建立不同規(guī)模污水處理廠的能耗基準(zhǔn)參考值，進而以污水處理廠月平均數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)進行能耗評價。對該地區(qū)某污水處理廠的案例分析表明，該廠全年平均節(jié)能空間為8.42%。

能耗基準(zhǔn);污水處理廠;產(chǎn)業(yè)密集型城鎮(zhèn);節(jié)能

0 引言

產(chǎn)業(yè)密集型城鎮(zhèn)以工業(yè)生產(chǎn)為主，通常設(shè)有不同規(guī)模的高新區(qū)和工業(yè)園區(qū)，產(chǎn)生的污水水質(zhì)和水量波動較大，直接導(dǎo)致產(chǎn)業(yè)密集型城鎮(zhèn)污水處理廠的運行能耗偏高，因此開展此類污水處理廠的節(jié)能工作非常重要。由于產(chǎn)業(yè)密集型污水處理廠能耗的影響因素較多，缺乏能耗基準(zhǔn)將無法科學(xué)評估節(jié)能工作的成效。目前對于產(chǎn)業(yè)密集型城鎮(zhèn)污水處理廠尚無系統(tǒng)的能耗基準(zhǔn)制定方法，開展相關(guān)研究將為高效開展節(jié)能工作奠定基礎(chǔ)。

本文通過對某產(chǎn)業(yè)密集地區(qū)89座城鎮(zhèn)污水處理廠的歷史數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，在探討污水處理廠能耗與規(guī)模、負荷率、進水水質(zhì)、溫度等影響因素之間關(guān)系的基礎(chǔ)上，提出了產(chǎn)業(yè)密集型城鎮(zhèn)污水處理廠能耗基準(zhǔn)的確定方法，并進行了具體的案例分析。本文對于類似地區(qū)的污水處理廠確定能耗基準(zhǔn)、提高能耗管理水平具有重要意義。

1 產(chǎn)業(yè)密集型污水處理廠能耗影響因素

能耗水平是衡量污水處理廠運行質(zhì)量和水平的重要方面，污水處理廠的運行能耗同該廠的處理規(guī)模、工藝設(shè)計、關(guān)鍵設(shè)備和進水水量水質(zhì)關(guān)系密切。產(chǎn)業(yè)密集型城鎮(zhèn)污水處理廠普遍具有進水中工業(yè)廢水比例高、水質(zhì)水量變化大等特點，對運行能耗的影響較大。

1.1 規(guī)模

污水處理廠規(guī)模是影響單位能耗的重要因素。由于影響因素較多，不同污水處理廠之間的單位能耗很難直接比較，現(xiàn)有文獻表明，污水處理廠單位電耗隨污水處理廠規(guī)模的增大而減小[1，2]。污水處理廠的總能耗包括電耗及藥耗、設(shè)備損耗、人力等因素的電耗當(dāng)量，其中電耗一般占全廠能耗的90%以上[3]，因此以電耗作為污水處理廠能耗的表征是可行的。產(chǎn)業(yè)密集型地區(qū)污水排放量變化較大，因此按實際處理規(guī)模劃分污水處理廠更具實際意義。根據(jù)某產(chǎn)業(yè)密集型地區(qū)89座城鎮(zhèn)污水處理廠的實際處理水量(Q)，將該地區(qū)污水處理廠分為五類，如表1所示。按實際處理水量劃分的各類污水處理廠數(shù)量逐月略有變化。表1按設(shè)計規(guī)模給出了各類污水處理廠的數(shù)量分布情況以供參考?？傮w而言，該地區(qū)污水處理廠數(shù)量眾多，但單個廠的處理能力普遍偏小，規(guī)模在4萬m3/d以下的廠約占75%～80%，10萬m3/d以上的廠僅占5%左右。該地區(qū)污水處理廠出水均執(zhí)行一級A標(biāo)準(zhǔn)。

表1 某地區(qū)污水處理廠2014年平均能耗匯總

通過統(tǒng)計該地區(qū)不同實際規(guī)模污水處理廠2014年的月平均能耗，形成圖1所示的全年單位能耗柱狀分布圖。圖1中的能耗數(shù)據(jù)均為實測平均值，包括污水處理及污泥濃縮脫水的電耗。如圖1所示，單位能耗具有隨污水處理量的增加而減小的趨勢。五類污水處理廠的年平均能耗列于表1，其中處理量大于10萬m3/d的污水處理廠平均單位能耗最低，僅為處理量小于1萬m3/d的污水處理廠的65.4%。因此規(guī)劃污水處理廠建設(shè)時應(yīng)考慮單位能耗的因素，集中建設(shè)幾座規(guī)模較大的污水處理廠。此外從標(biāo)準(zhǔn)偏差值可以看出同規(guī)模的污水處理廠能耗也存在較大差異，表明部分污水處理廠的運行管理仍需進一步加強。

圖1 不同規(guī)模污水處理廠2014年的月平均單位能耗

將五類污水處理廠年平均單位能耗與實際年平均處理水量的對應(yīng)關(guān)系進行擬合，得到的曲線如圖2所示。該地區(qū)污水處理廠單位能耗與規(guī)模的關(guān)系基本符合公式y(tǒng)=0.47x-0.15(R2=0.90)的描述。文獻[4]給出了國內(nèi)處理規(guī)模為3 600 m3/d和32.3萬m3/d的兩座污水處理廠單位能耗分別為0.5 kW·h/m3和0.22 kW·h/m3，而采用上述公式計算得到的單位能耗分別為0.55 kW·h/m3和0.28 kW·h/m3。從圖1可以看出，不同規(guī)模污水處理廠之間的平均單位能耗變化不盡相同，而同一規(guī)模范圍內(nèi)的污水處理廠之間單位能耗變化更大，說明單位能耗除受規(guī)模的影響之外，其它的影響因素也較多，因此上述公式僅可作為不同規(guī)模污水處理廠之間單位能耗的趨勢判斷，但不能作為具體的單位能耗數(shù)值預(yù)測。

圖2 污水處理廠噸水耗電量與處理量之間的關(guān)系

1.2 負荷率

負荷率是指實際處理水量與設(shè)計規(guī)模之比，由于產(chǎn)業(yè)密集型城鎮(zhèn)污水處理廠水量變化大，在進行此類污水處理廠能耗分析時，應(yīng)根據(jù)具體負荷率下的實際處理規(guī)模進行歸類分析，而非單純考慮污水處理廠的設(shè)計規(guī)模。

對上文所述地區(qū)89座城鎮(zhèn)污水處理廠負荷率進行統(tǒng)計分析，規(guī)模較小的污水處理廠實際負荷率偏低，對實際處理水量在2萬m3/d以內(nèi)和2萬m3/d以上的污水處理廠2014年的月平均負荷率進行計算，結(jié)果如圖3所示。規(guī)模小于2萬m3/d的污水處理廠的月平均負荷率在55%～73%，比處理量大于2萬m3/d的污水處理廠(69%～92%)小14%～21%。此外，產(chǎn)業(yè)密集型城鎮(zhèn)污水處理廠的實際負荷率隨季節(jié)變化明顯，夏季負荷率普遍較高，冬季較低，該規(guī)律與集水區(qū)域各工廠的生產(chǎn)特點密切相關(guān)，也在一定程度上解釋了夏季污水處理廠單位耗電量較小;冬季單位耗電量較大的現(xiàn)象。

圖3 某地區(qū)不同規(guī)模污水處理廠2014年的月平均負荷率

統(tǒng)計表明，Q≤2萬m3/d的污水處理廠月平均負荷率不足50%的比例較高，這一方面使處理量較小的污水處理廠單位能耗相對較高，另一方面也對這些污水處理廠的運行策略形成影響，使此規(guī)模范圍的污水處理廠之間的單位能耗差異較大。如圖4所示，對污水處理廠月平均單位能耗和月平均負荷率統(tǒng)計數(shù)據(jù)之間關(guān)系的擬合結(jié)果表明，兩者之間具有較好的線性關(guān)系。實際上，從圖4可以看出，Q≤2與Q>2兩類污水處理廠的負荷率相差較大，重疊范圍很小，因此可以不考慮處理規(guī)模的影響，對圖4中的所有點進行線性擬合，結(jié)果表明，單位能耗與負荷率之間符合公式y(tǒng)=-0.004x+ 0.776(R2=0.903)的描述，充分說明負荷率對污水處理廠單位能耗的影響。

1.3 進水水質(zhì)

在進水量一定的情況下，水質(zhì)直接決定了污水處理廠的理論需氧量，對具體污水處理廠而言，COD、TN等污染物濃度越高，污水處理能耗越高。進水水質(zhì)對污水處理廠能耗的影響可以用COD去除量(kg COD/m3)與單位能耗(kW·h/m3)之間的關(guān)系表征，如圖5所示，污水處理廠能耗并未與污染物去除量呈正相關(guān)，部分污水處理廠在有機污染物去除量基本相同的情況下，平均能耗變化差異很大，這一方面是由于水質(zhì)水量的變化較大所導(dǎo)致的，同時也表明污水處理廠在運行管理方面的水平參差不齊，許多污水處理廠存在較大的節(jié)能空間。

圖4 某地區(qū)污水處理廠噸水耗電量與負荷率之間的關(guān)系

圖5 污水處理廠噸水耗電量與單位COD去除量之間的關(guān)系

鑒于污水處理廠規(guī)模對單位能耗的影響較大，通過統(tǒng)計分析單位有機物處理能耗在不同規(guī)模污水處理廠的分布情況，對于研究污水處理廠節(jié)能的空間和目標(biāo)具有更大的意義。如表1所示，單位COD能耗隨著污水處理廠規(guī)模的增大而逐漸減小，處理量在1萬m3/d以內(nèi)的污水處理廠單位COD能耗約是處理量大于10萬m3/d的污水處理廠的2倍。此外，由圖6所示，規(guī)模較小的I、II類污水處理廠冬季的單位COD能耗較夏季(4～10月)高，且處理量越小，冬季與夏季的差異越大，這與冬季溫度較低，可能需要更多的曝氣以滿足出水水質(zhì)的要求有關(guān)。需要指出的是，夏季和冬季是以月平均氣溫大于或小于15℃來進行劃分的。

圖6 不同規(guī)模污水處理廠的單位COD耗電量

1.4 產(chǎn)業(yè)密集型城鎮(zhèn)污水處理廠能耗總體評價

從上文分析可以看出，產(chǎn)業(yè)密集型污水處理廠能耗水平與規(guī)模、負荷率、進水水質(zhì)等因素密切相關(guān)，但這些因素對污水處理廠單位能耗的影響權(quán)重不盡相同，而且實際污水處理廠的能耗水平還與污水處理工藝、關(guān)鍵設(shè)備質(zhì)量和運行管理水平等因素直接相關(guān)，即使是同等規(guī)模的污水處理廠，其能耗水平也相差較大，因此，對于水質(zhì)水量波動大、設(shè)備和運行水平各異的產(chǎn)業(yè)密集型污水處理廠而言，要從歷史經(jīng)驗數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析獲得直觀的能耗基準(zhǔn)比較困難。

盡管如此，對于整個地區(qū)污水處理廠能耗數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析，仍然可以得到符合該地區(qū)的一些基本規(guī)律，有助于正確評估和確定污水處理廠的能耗基準(zhǔn)。首先，污水處理廠的單位能耗隨著污水處理廠規(guī)模的增大而減小。以蘇州為例，該地區(qū)污水處理廠規(guī)模偏小，約95%在10萬m3/d以下，其中80%以上小于4萬m3/d，規(guī)模偏小是導(dǎo)致該地區(qū)污水處理能耗偏高的重要原因。第二，該地區(qū)污水處理廠的單位能耗隨著污水處理廠負荷率的增大而顯著降低，且規(guī)模較小的污水處理廠負荷率普遍較低，在進行能耗基準(zhǔn)分析時，應(yīng)充分考慮負荷率的波動所引起的實際處理規(guī)模的變化，而不是單純考慮污水處理廠的設(shè)計規(guī)模。第三，污水處理廠的單位能耗與單位COD去除量之間沒有顯著相關(guān)性，但單位COD處理能耗隨著污水處理廠規(guī)模的增大而減小，這也反映了污水處理廠規(guī)模對單位能耗影響的一個機制。第四，溫度在一定程度上影響污水處理廠的能耗水平，溫度較高時，產(chǎn)業(yè)密集型地區(qū)污水排放量也較大，使得污水處理廠負荷率提高，單位能耗降低。綜上所述，除污水處理工藝、關(guān)鍵設(shè)備質(zhì)量和運行管理水平等固定因素外，產(chǎn)業(yè)密集型污水處理廠的能耗水平受規(guī)模、負荷率、進水水質(zhì)和溫度等因素的共同影響，而負荷率、進水水質(zhì)和溫度對污水處理廠能耗的影響又與污水處理廠規(guī)模這一因素密切相關(guān)，因此確定產(chǎn)業(yè)密集型污水處理廠的能耗基準(zhǔn)時應(yīng)該綜合考慮上述因素。

2 產(chǎn)業(yè)密集型污水處理廠能耗基準(zhǔn)確定方法

污水處理廠開展節(jié)能工作首先必須要確定一個合理的能耗基準(zhǔn)。對于規(guī)模偏小的產(chǎn)業(yè)密集型城鎮(zhèn)污水處理廠，由于水量水質(zhì)波動大，實際能耗變化較大且缺乏規(guī)律，以歷史同期數(shù)據(jù)或同類污水處理廠作為比較基準(zhǔn)非常困難。對整個地區(qū)而言，應(yīng)根據(jù)統(tǒng)計結(jié)果確定各規(guī)模污水處理廠的指導(dǎo)能耗，同時對于高能耗和低能耗的污水處理廠進行更為全面的分析，并參考行業(yè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析結(jié)果進行綜合考慮。

產(chǎn)業(yè)密集型污水處理廠節(jié)能工作的第一步是根據(jù)該地區(qū)行業(yè)數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，建立不同規(guī)模污水處理廠的能耗基準(zhǔn)參考表，然后通過分析該廠的進水條件，制定全廠的節(jié)能目標(biāo)。第二步是收集該廠主要工藝過程的運行模式及關(guān)鍵耗能設(shè)備的功率組成和能耗數(shù)據(jù)，分析全廠的能耗組成，建立該廠在不同進水條件下的運行工況-能耗基準(zhǔn)矩陣，進而制定污水處理廠各環(huán)節(jié)的節(jié)能分目標(biāo)。第三步是通過總結(jié)該地區(qū)污水處理廠在節(jié)能方面的措施和經(jīng)驗，提出實現(xiàn)各環(huán)節(jié)節(jié)能目標(biāo)的運行優(yōu)化方案和設(shè)備控制方法，最后明確方案執(zhí)行者的權(quán)責(zé)和考核方法。

2.1 進水條件分析

進水水量和水質(zhì)的波動導(dǎo)致產(chǎn)業(yè)密集型城鎮(zhèn)污水處理廠的能耗變化較大，確定單個污水處理廠短期的能耗基準(zhǔn)比較困難，無法直接與歷史同期數(shù)據(jù)或同類污水處理廠進行比較。盡管如此，對整個地區(qū)的污水處理廠能耗數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，仍然可以得到污水處理廠能耗與規(guī)模、負荷率、進水水質(zhì)和溫度之間的一些基本關(guān)系，這些關(guān)系是確定污水處理廠能耗基準(zhǔn)的基礎(chǔ)。但不同規(guī)模污水處理廠的能耗隨負荷率、進水水質(zhì)和溫度的變化趨勢不盡相同，而且負荷率、進水水質(zhì)和溫度之間也互相影響，如溫度較高的夏季負荷率較高，而進水水質(zhì)可能較淡，因此有必要根據(jù)上述影響因素的重要性進行排序或權(quán)重賦值，并列出不同進水條件范圍內(nèi)的基準(zhǔn)參考值，得到一個地區(qū)污水處理廠不同實際處理規(guī)模條件下的能耗基準(zhǔn)表，然后以污水處理廠的月平均數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)進行能耗評價，必要時根據(jù)次要因素的影響對能耗基準(zhǔn)進行適當(dāng)修正。能耗評價周期過短，可能無法真實反映不同因素對于污水處理廠能耗的影響。

2.2 工藝技術(shù)分析

對整個地區(qū)的污水處理廠能耗數(shù)據(jù)分析得到的能耗基準(zhǔn)，有助于了解單個污水處理廠與該地區(qū)行業(yè)平均水平之間的差距，對于確定全廠的節(jié)能目標(biāo)具有直接的指導(dǎo)意義，但還不能反映污水處理廠各工藝環(huán)節(jié)的節(jié)能空間。對單個污水處理廠而言，進水條件的波動可能導(dǎo)致污水處理廠關(guān)鍵工藝過程運行工況的變化，進而影響整體能耗。因此，單個污水處理廠的能耗基準(zhǔn)還需要考慮污水處理廠工藝技術(shù)現(xiàn)狀，分析污水處理廠能耗組成，從工藝設(shè)計、設(shè)備性能和控制方式等三個方面，根據(jù)污水處理廠現(xiàn)有工藝技術(shù)的能耗水平，與行業(yè)內(nèi)普遍采用的工藝技術(shù)的能耗水平進行比較，評估節(jié)能空間的大小和可能采用的高效節(jié)能措施。

污水處理廠的能耗由主要污水處理的機械設(shè)備產(chǎn)生，統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，曝氣、提升、攪拌和污泥處理是采用活性污泥工藝的污水處理廠的主要耗能單元，機械設(shè)備包括提升泵、回流泵、鼓風(fēng)機/表曝機、攪拌器、污泥脫水機等。產(chǎn)業(yè)密集型污水處理廠不同進水條件下可能對應(yīng)著不同的運行工況，如負荷率小于40%時，鼓風(fēng)機和污泥脫水機的使用功率可能減半。將不同進水條件下關(guān)鍵工藝過程的運行工況進行分類整理，并與該廠歷史能耗數(shù)據(jù)進行耦合，得到不同進水條件下的運行工況-能耗基準(zhǔn)矩陣，從而對污水處理廠的運行控制進行指導(dǎo)，也可為制定污水處理廠各環(huán)節(jié)的節(jié)能分目標(biāo)提供參考。

2.3 案例分析

以上述地區(qū)某設(shè)計規(guī)模為8萬m3/d的污水處理廠(STP-X)為例，其進水中工業(yè)廢水的比例約為70%，該廠2014年的負荷率、噸水能耗和單位COD能耗數(shù)據(jù)如表2所示。首先確定污水處理廠的實際處理規(guī)模，該廠2014年的負荷率最低時出現(xiàn)在1月份，為48.7%，屬于表1中III類，其它月份的負荷率在53.0%～81.9%，屬于表1中的IV類。負荷率反映了污水處理廠的實際處理水量，因此在通常以水量為單位能耗計算基準(zhǔn)時，不再單獨考慮負荷率的影響，而應(yīng)以污水處理廠實際處理規(guī)模來確定能耗基準(zhǔn)，但負荷率可準(zhǔn)確表現(xiàn)單位能耗變化的趨勢，對于判斷異常能耗數(shù)據(jù)及其出現(xiàn)的原因具有指示意義。確定了實際處理規(guī)模之后，可參考表1給出的平均單位能耗作為基準(zhǔn)進行比較，結(jié)果見表2。從表2可以看出，該廠上半年的單位能耗明顯較該地區(qū)平均單位能耗高，但下半年相差不大，全年平均節(jié)能空間為8.42%。

盡管以水量為計算基礎(chǔ)的單位能耗通常作為基準(zhǔn)用于污水處理廠能效評估，但對于水量水質(zhì)變化大的產(chǎn)業(yè)密集型城鎮(zhèn)污水處理廠，以進水中有機質(zhì)的量為計算基礎(chǔ)確定能耗基準(zhǔn)可能更為準(zhǔn)確。生化需氧量(BOD5)是一個準(zhǔn)確反映可生化降解有機質(zhì)的單位，但由于化學(xué)需氧量(COD)數(shù)據(jù)更易獲取，也是城鎮(zhèn)污水處理廠的主要控制指標(biāo)，以單位COD能耗為基準(zhǔn)是可行的。參考表1中給出的平均單位COD能耗作為基準(zhǔn)進行比較的結(jié)果列于表2，以單位COD能耗為基準(zhǔn)計算的節(jié)能空間與以單位能耗為基準(zhǔn)計算的結(jié)果不盡相同，兩者的變化趨勢大致相同，但前者明顯較高，而且不同月份之間的差異相對縮小。以平均單位COD能耗為基準(zhǔn)計算的全年平均節(jié)能空間為20.77%。

表2 某污水處理廠2014年能耗數(shù)據(jù)分析

以上案例分析還可以根據(jù)溫度的影響對能耗評價的結(jié)果進行修正，這里不再列舉。根據(jù)以上分析可以看出，該廠具有明顯的節(jié)能空間。進一步分析該廠的能耗組成發(fā)現(xiàn)，曝氣系統(tǒng)的能耗占全廠能耗的比例為40%～50%，以上文單位COD能耗20.77%的節(jié)能空間計算，對曝氣系統(tǒng)進行優(yōu)化可節(jié)約能耗約8.3%～10.4%。對曝氣系統(tǒng)的節(jié)能改造可從風(fēng)機、電機、供風(fēng)管道、曝氣盤等設(shè)備性能及溶解氧系統(tǒng)的自動控制等方面進行考慮。

3 結(jié)論

本文對某產(chǎn)業(yè)密集地區(qū)89座污水處理廠2014年運行數(shù)據(jù)進行了統(tǒng)計分析，結(jié)果表明，污水處理廠的單位能耗隨著污水處理廠實際處理規(guī)模的增大而減小。除污水處理工藝、關(guān)鍵設(shè)備性能和運行管理水平等固定因素外，產(chǎn)業(yè)密集型城鎮(zhèn)污水處理廠的能耗水平受規(guī)模、負荷率、進水水質(zhì)和溫度等因素的共同影響，而由負荷率決定的實際處理規(guī)模對單位能耗具有顯著影響。產(chǎn)業(yè)密集型污水處理廠可以該地區(qū)不同實際處理規(guī)模污水處理廠平均單位能耗作為能耗基準(zhǔn)，確定全廠節(jié)能空間，并進而根據(jù)該廠不同進水條件下的運行工況確定工況-能耗基準(zhǔn)矩陣，然后以污水處理廠的月平均數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)進行全面的能耗評價，為該類污水處理廠節(jié)能降耗和運行優(yōu)化提供參考。

[1] Mizuta K.， Shimada M.. Benchmarking energy consumptionin municipal wastewater treatment plants in Japan[J]. Water Sci Technol. 2010 (62):2256-2262.

[2] Yang L.， Zeng S.， Chen J.， He M.， Yang W. Operational energyperformance assessment systemof municipal wastewater treatment plants[J]. Water Sci Technol. 2010(62):1361-1370.

[3] Belloir C.， Stanford C.， Soares A. Energy benchmarking in wastewater treatment plants: theimportance of site operation and layout[J]. Environ. Technol. 2015， 36(2):260-269.

[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.

TU992.3

B

1009-7716(2015)11-0103-05

2015-06-01

國家重大水專項課題(2011ZX07301-003)

沈昌明(1980-)，男，江蘇揚州人，博士，高級工程師，主要從事水污染控制方面的研究工作。