洪濤HONG Tao

（廣州市凈水有限公司，廣州 510000）

0 引言

隨著我國(guó)人口數(shù)量的不斷增長(zhǎng)，居民及商業(yè)、工業(yè)的用水量也急劇增加。在早期的工業(yè)化進(jìn)程中，由于對(duì)污水排放的不重視，加劇了水資源污染。為了解決這個(gè)問題，國(guó)家為污水處理項(xiàng)目提供了重要的政策和財(cái)政支持，并建立了許多污水處理廠。由于技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、行政管理的限制，我國(guó)污水處理廠的運(yùn)行成本高，能源消耗大，能耗效率低，很難創(chuàng)造出高額的社會(huì)效益。因此，污水處理行業(yè)過(guò)程分析及節(jié)能優(yōu)化控制具有十分重要的意義。

1 污水節(jié)能優(yōu)化控制方法研究的重要性

1.1 降低能源消耗

自21 世紀(jì)以來(lái)，節(jié)能減排已成為世界各國(guó)的熱門話題。因此，如何減少能源的消耗，并了解人類的長(zhǎng)期可持續(xù)性是重要關(guān)注的問題。其中，節(jié)能優(yōu)化型廢水治理是降低能源消耗的重要途徑[1]。污水處理可以通過(guò)優(yōu)化相關(guān)項(xiàng)目流程的運(yùn)行管理并創(chuàng)建可行的處理計(jì)劃來(lái)提高城市污水處理的效率，從而盡可能地將有限的能源消耗最小化。這樣就可以實(shí)現(xiàn)城市的發(fā)展目標(biāo)，并建設(shè)生態(tài)文明城市。

1.2 優(yōu)化城市環(huán)境污水處理的條件

在機(jī)械加工方面，根據(jù)城市環(huán)境污水處理要求，對(duì)過(guò)程基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的升級(jí)改造和節(jié)能優(yōu)化提出了較高的要求。如果無(wú)法通過(guò)過(guò)程連接來(lái)控制節(jié)能優(yōu)化，則污水處理的成本會(huì)增加，并且在某些情況下會(huì)消耗過(guò)多的資源和能源，影響污水處理的效果。因此，必須繼續(xù)使用城市污水處理連接過(guò)程的條件，有效地將節(jié)能優(yōu)化與污水處理相結(jié)合使用，從而實(shí)現(xiàn)污水廠的經(jīng)濟(jì)發(fā)展目標(biāo)。

1.3 促進(jìn)經(jīng)濟(jì)效益的增長(zhǎng)

通過(guò)繼續(xù)使用先進(jìn)的節(jié)能優(yōu)化，使城市環(huán)境污水處理過(guò)程得到控制，為污水處理的各個(gè)方面創(chuàng)建科學(xué)且適當(dāng)?shù)捻?xiàng)目計(jì)劃，并將其應(yīng)用于真實(shí)的城市污水處理，不僅可以節(jié)省成本，還可以開發(fā)其他節(jié)能優(yōu)化控制器技術(shù)。促進(jìn)國(guó)家的發(fā)展經(jīng)濟(jì)利益的不斷增長(zhǎng)。

2 項(xiàng)目概況介紹

大沙地污水處理系統(tǒng)服務(wù)面積107 平方公里，服務(wù)范圍西起車陂涌流域，與獵德污水處理系統(tǒng)東區(qū)邊界接壤，東至夏港大道，北起科學(xué)城廣汕路，南至珠江前航道，主要收集深涌流域、烏涌流域的污水和科學(xué)城部分地區(qū)的污水，當(dāng)中包含科學(xué)城以南地區(qū)面積80.9 平方公里，科學(xué)城地區(qū)面積26.1 平方公里。大沙地分公司主要分為一期廠區(qū)（一期原廠區(qū)以及提標(biāo)改造廠區(qū)）和二期廠區(qū)（大沙地分公司擴(kuò)建部分），總污水處理規(guī)模為45 萬(wàn)m3/d。其中一期廠區(qū)處理規(guī)模為20 萬(wàn)m3/d，二期廠區(qū)處理規(guī)模25 萬(wàn)m3/d；同時(shí)，大沙地分公司尾水排放標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB18918-2002）一級(jí)A 標(biāo)準(zhǔn)和地標(biāo)V 類水較嚴(yán)標(biāo)準(zhǔn)，其進(jìn)出水水質(zhì)設(shè)計(jì)值如表1 所示。

表1 大沙地污水廠進(jìn)出水水質(zhì)設(shè)計(jì)值

一期廠區(qū)采用的污水處理工藝是改良A2/O 工藝，提標(biāo)三級(jí)處理采用生物濾池和砂濾池工藝；二期采用的污水處理工藝是MBR 膜工藝，其工藝流程圖分別如圖1、圖2所示。

圖1 一期及提標(biāo)工藝流程圖

圖2 二期工藝流程圖

3 城市環(huán)境污水處理過(guò)程節(jié)能優(yōu)化控制措施

為了有效降低城市環(huán)境污水處理的成本并改善水質(zhì)，必須通過(guò)找到影響系統(tǒng)性能改善的關(guān)鍵因素來(lái)優(yōu)化運(yùn)行管理技術(shù)，其關(guān)鍵在于流程管理。

3.1 合理調(diào)整提升泵投用臺(tái)數(shù)

當(dāng)處于進(jìn)水低負(fù)荷時(shí)段，大沙地污水廠一、二期提升泵運(yùn)行數(shù)量在滿足控制特定泵房液位的情況下，可盡可能減少其運(yùn)行臺(tái)數(shù)，從而避免出現(xiàn)如一期可以只開一臺(tái)3#或4#提升泵滿足當(dāng)時(shí)提升量的情況下，實(shí)際情況卻是同時(shí)運(yùn)行1#和2#提升泵，造成生產(chǎn)能耗的增加。同時(shí)，可以通過(guò)增加進(jìn)水低負(fù)荷時(shí)期的一、二期粗格柵運(yùn)行次數(shù)，防止泵房液位過(guò)低造成提升泵低液位，保護(hù)跳泵。

圖3 為2021 年1-7 月大沙地污水廠一二期提升泵月度單位水位電耗趨勢(shì)，由圖可以看出，大沙地污水廠一二期提升泵單位水位電耗趨勢(shì)均較為平穩(wěn)，且單耗值較低，特別是二期提升泵，月度單位水位電耗僅為0.02-0.03 度/噸水。根據(jù)實(shí)時(shí)泵房水位變化合理調(diào)節(jié)提升泵運(yùn)行頻率和臺(tái)數(shù)，既可以穩(wěn)定泵房水位，防止提升泵低水位空轉(zhuǎn)，又可以降低提升泵的用電量，從而提高污水廠能源利用效率。

圖3 2021 年1-7 月污水廠月度提升泵單位水位電耗趨勢(shì)圖

3.2 根據(jù)實(shí)際水量調(diào)整一期二期各級(jí)回流泵的使用

按設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)行，大沙地污水廠一期生化池混合液回流比應(yīng)控制在100%-200%，污泥回流比控制在50%-100%；二期生化池缺氧至厭氧區(qū)回流比控制在100%-200%，好氧至缺氧區(qū)回流比控制在200%-300%，膜池至好氧區(qū)回流比控制在400%-500%。

當(dāng)處于進(jìn)水低負(fù)荷時(shí)段，一期以1#線生產(chǎn)線處理為主而2#線減少進(jìn)水，2#線混合液、污泥回流泵調(diào)整至各運(yùn)行一臺(tái)；二期則調(diào)整至只有單邊生產(chǎn)線進(jìn)水，另一邊生產(chǎn)線少量甚至停止進(jìn)水。少量或停止進(jìn)水的生產(chǎn)線各級(jí)回流只保留一臺(tái)回流泵運(yùn)行，并且調(diào)整運(yùn)行頻率使各級(jí)回流按照設(shè)計(jì)回流比運(yùn)行。根據(jù)實(shí)際處理水量及時(shí)調(diào)整生產(chǎn)線，從而降低機(jī)械用電能耗，不僅可延長(zhǎng)機(jī)械的壽命，還能使污水處理單耗電量降低，提高經(jīng)濟(jì)效益。

3.3 適時(shí)調(diào)整一、二期鼓風(fēng)機(jī)的投用數(shù)量

按設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)行，大沙地污水廠一期生化反應(yīng)池好氧中段DO 應(yīng)控制在1-2mg/L 之間，末段DO 控制在1mg/L 以下；二期生化反應(yīng)池好氧段3#DO 計(jì)控制在1-2mg/L 之間，末端4#DO 計(jì)控制在0.5mg/L 左右。

當(dāng)進(jìn)水處于低負(fù)荷時(shí)段，一期生產(chǎn)線視池面曝氣情況和DO 計(jì)數(shù)值，盡可能減少鼓風(fēng)機(jī)投用臺(tái)數(shù)；二期單邊生產(chǎn)線進(jìn)水，另一邊生產(chǎn)線少量甚至停止進(jìn)水，此時(shí)段內(nèi)打開生化池鼓風(fēng)機(jī)連通閥，運(yùn)行一臺(tái)生化池鼓風(fēng)機(jī)保證單邊進(jìn)水的生產(chǎn)線好氧段DO 盡可能滿足上述控制值要求，少量或停止進(jìn)水的生產(chǎn)線則在保證好氧段有攪拌效果的前提下盡量降低曝氣量。鼓風(fēng)機(jī)電耗是污水處理廠電耗的主要來(lái)源之一[2]，因此，根據(jù)實(shí)際情況調(diào)節(jié)鼓風(fēng)機(jī)的投用，對(duì)污水廠電耗降低有關(guān)鍵作用。圖4 為大沙地污水廠2021 年1-7 月一二期鼓風(fēng)機(jī)月度單位水位電耗趨勢(shì)，由圖可以看出，隨著工藝調(diào)控的科學(xué)化和精準(zhǔn)化，一二期生化池鼓風(fēng)機(jī)用電量單耗逐漸降低，其中6 月份用電量單耗最低，一期生化池僅為0.05 度/噸水，二期生化池為0.06 度/噸水，污水廠鼓風(fēng)機(jī)用電量約占總用電量的30%左右。因此，根據(jù)水質(zhì)水量適時(shí)調(diào)整鼓風(fēng)機(jī)的投用，可以有效地起到節(jié)能減排的作用。

圖4 2021 年1-7 月污水廠月度鼓風(fēng)機(jī)單位水位電耗趨勢(shì)圖

3.4 應(yīng)用污水生物脫氮法

在城市環(huán)境污水處理過(guò)程中，水體的富營(yíng)養(yǎng)化是一個(gè)較突出問題。從污廢水中去除氮和磷已經(jīng)成為眾多污水處理廠面臨的普遍問題[3]。為了解決水體的富營(yíng)養(yǎng)化問題，許多污水處理廠采用了生物處理的方法，通過(guò)生物化學(xué)反應(yīng)實(shí)現(xiàn)污水脫氮除磷。同時(shí)，在污水處理過(guò)程中，有必要根據(jù)污水中不同類型的氮而選擇適當(dāng)?shù)纳锖头磻?yīng)池進(jìn)行處理。例如，污水中不溶于水體的氮，可以通過(guò)沉淀過(guò)濾的方式進(jìn)行處理，從而減少后續(xù)生物硝化反應(yīng)和反硝化反應(yīng)的負(fù)荷，降低生物反應(yīng)池的能耗，同時(shí)達(dá)到污水處理的效果。

3.5 采用反硝化除磷技術(shù)達(dá)到節(jié)能優(yōu)化目標(biāo)

生物除磷技術(shù)是通過(guò)聚磷菌的吸磷作用，將污水中的磷聚集在聚磷菌中，并通過(guò)排放剩余污泥的形式將其排出，從而降低水中磷的含量。目前研究表明，聚磷菌分為兩種：一種是好氧聚磷菌，以氧為電子受體；另一種是反硝化聚磷菌，以硝酸鹽為電子受體。反硝化聚磷菌在厭氧環(huán)境下與好氧聚磷菌一樣，釋放磷并產(chǎn)生ATP。在缺氧段，反硝化聚磷菌以硝酸鹽為受體進(jìn)行吸磷，并將硝酸鹽轉(zhuǎn)化為N2，從而實(shí)現(xiàn)脫氮除磷。目前最具代表性的反硝化除磷工藝有三種，分別是：BCFS 工藝、Dephanox 工藝、A2NSBR 工藝。其中BCFS 工藝屬于單級(jí)工藝，Dephanox 工藝、A2NSBR 工藝屬于雙級(jí)工藝。BCFS 工藝已在歐美多個(gè)污水處理廠投入使用[4]，而雙級(jí)工藝也在我國(guó)的一些污水處理廠試驗(yàn)成功。如鄒偉國(guó)創(chuàng)造了PASF 工藝并應(yīng)用于上海某污水處理廠，結(jié)果表明，該工藝出水效果穩(wěn)定，對(duì)氨氮和總磷的去除率分別達(dá)到95%和90%[5]。反硝化除磷不僅能實(shí)現(xiàn)高效脫氮除磷，而且還能節(jié)省部分的碳源和溶解氧，從而促進(jìn)污水處理廠節(jié)能減排。研究表明，實(shí)現(xiàn)反硝化除磷可節(jié)省50%的COD 和30%的O2消耗量，相應(yīng)減少50%的剩余污泥排放量[6]。將反硝化脫氮和除磷合二為一，真正地為污水廠節(jié)省部分的能源和資源，是一個(gè)可持續(xù)發(fā)展的綠色工藝。

3.6 進(jìn)一步提升電氣節(jié)能優(yōu)化能力

除水危機(jī)外，我國(guó)也正在遭受能源危機(jī)。我們必須盡力節(jié)約能源，減少排放并做好維護(hù)和控制工廠電路的工作。此外，注意有關(guān)電源線的損耗并選擇質(zhì)量好的電纜線路，從而減少維護(hù)成本。在污水處理廠中，應(yīng)選擇合適的變壓器并處理三相變壓器電路，污水處理廠的建設(shè)所需的工作量相對(duì)較小。因此，有必要縮短傳輸線并注意總體分配中的功率損耗。電阻與線的長(zhǎng)度成正比，與線的橫截面成反比。因此，通過(guò)選擇合適的變速箱可以減少電阻并節(jié)省動(dòng)力。另外，可以增加電線中鋁和黃銅的強(qiáng)度，由于污水處理圈幾乎是恒定的，因此銅線是最佳選擇,同時(shí)必須注意確保中央負(fù)載變壓器之間的距離不要太大。通過(guò)詳細(xì)研究提升電氣節(jié)能優(yōu)化能力并應(yīng)用與污水處理，可以有效節(jié)省能源和成本。（如圖5 所示）

圖5 遺傳算法在污水處理廠的應(yīng)用原理

3.7 做好污水處理單元的條件優(yōu)化工作

優(yōu)化對(duì)象沿污水處理過(guò)程的位置是節(jié)能優(yōu)化和污水處理過(guò)程控制的重要部分，其內(nèi)容主要包括以下三點(diǎn)：①為了實(shí)現(xiàn)提高各個(gè)污水處理鏈接的污水處理效率的目標(biāo)，需要根據(jù)處理率目標(biāo)要求開發(fā)實(shí)用的解決方案；②對(duì)于其他污水處理設(shè)備，必須及時(shí)有效地分析所選設(shè)備，并對(duì)其進(jìn)行合理控制以實(shí)現(xiàn)最終目標(biāo)；③為提高我國(guó)污水處理技術(shù)水平奠定基礎(chǔ)，有必要最終確定污水處理控制平臺(tái)的優(yōu)化方案，并且需要不斷改進(jìn)污水處理控制平臺(tái)。

4 結(jié)語(yǔ)

生活用水量不斷增加和工業(yè)廢水涌入的廢水處理是否會(huì)成功，是我國(guó)水資源可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵。節(jié)能優(yōu)化控制不僅可以節(jié)省污水處理成本，還可以節(jié)省電力資源并減少能源消耗。因此，使用智能污水處理技術(shù)，應(yīng)用先進(jìn)的控制方法技術(shù)以及提高污水處理效率是非常重要。