盧文峰，盧 陽(yáng)

（桂潤(rùn)環(huán)境科技股份有限公司，廣西 南寧 530000）

近些年，我國(guó)城鎮(zhèn)污水處理事業(yè)迅猛發(fā)展，但面臨污水排放量增加和處理要求提高的挑戰(zhàn)。為此，《“十四五”城鎮(zhèn)污水處理及資源化利用發(fā)展規(guī)劃》提出，需解決設(shè)施發(fā)展不均衡問(wèn)題，增強(qiáng)處理效能，推進(jìn)資源化利用，并提升運(yùn)維水平。同時(shí)，因污水處理能耗高，新建、改擴(kuò)建再生水產(chǎn)能將加大能源壓力，故建議構(gòu)建基于物聯(lián)網(wǎng)的能效管理平臺(tái)，以科學(xué)管理能源，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排[1]。

1 污水處理廠能耗特征

1.1 污水處理廠基本信息

為深入了解我國(guó)典型城鎮(zhèn)污水處理廠的能耗狀況及主要電耗分布，筆者對(duì)多個(gè)地區(qū)的代表性污水處理廠進(jìn)行實(shí)地考察。經(jīng)過(guò)篩選，選擇7 座持續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行超過(guò)兩年且負(fù)荷率不低于80%的污水廠作為研究對(duì)象，并對(duì)其進(jìn)行了區(qū)域性的電量消耗監(jiān)測(cè)。污水廠基本情況詳見(jiàn)表1。

表1 污水處理廠基本情況

1.2 污水廠處理單元能耗特征分析

針對(duì)7 座嚴(yán)格執(zhí)行《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB 18918—2002）一級(jí)A 出水標(biāo)準(zhǔn)的污水廠，進(jìn)行為期一年的詳盡電耗記錄研究。這些污水廠根據(jù)其工藝流程被細(xì)致地劃分為一級(jí)處理、二級(jí)處理、深度處理、污泥處理及再生水五個(gè)關(guān)鍵功能分區(qū)，每個(gè)分區(qū)均獨(dú)立安裝電量統(tǒng)計(jì)裝置。

研究數(shù)據(jù)揭示，2021 年間，7 座污水廠的噸水電耗平均值穩(wěn)定維持在0.2～0.45 kW·h/m3的范圍內(nèi)。在處理工藝為A2O 的5 座污水廠中，觀察到噸水電耗與處理規(guī)模之間存在顯著的統(tǒng)計(jì)學(xué)相關(guān)性。具體來(lái)說(shuō)，處理規(guī)模較小的E 廠，其噸水電耗為0.43 kW·h/m3，而處理規(guī)模超過(guò)10 萬(wàn) m3/d 的污水廠則表現(xiàn)出更低的噸水電耗，平均值低于0.3 kW·h/m3。

在電耗分布方面，數(shù)據(jù)顯示二級(jí)處理段占據(jù)了總電耗的顯著比例，高達(dá)50%～65%，主要?dú)w因于該階段涉及的多個(gè)能耗密集型操作，包括生物反應(yīng)和混合攪拌等。一級(jí)處理和深度處理段電耗占比分別為19%和16%。此外，部分污水廠的再生水處理段電耗占比超過(guò)5%，與該過(guò)程中所需的加藥量、加藥量控制精度以及膜處理技術(shù)等復(fù)雜操作有關(guān)。

為了深入了解污水處理廠的能耗分布，本次研究選取具有代表性的A 廠，對(duì)其全流程主要設(shè)備進(jìn)行了為期一年的用電計(jì)量統(tǒng)計(jì)。通過(guò)系統(tǒng)分析各設(shè)備的耗電量，發(fā)現(xiàn)不同處理段和設(shè)備的電耗存在顯著差異。在一級(jí)處理段，進(jìn)水提升泵是主要的耗電設(shè)備，其能耗占據(jù)了該段總能耗的絕大部分。進(jìn)入二級(jí)處理段，風(fēng)機(jī)、推進(jìn)器和回流泵成為能耗主力，其中鼓風(fēng)機(jī)的能耗尤為突出，占該單元電耗的59%，占全廠工藝總電耗的43%，體現(xiàn)出鼓風(fēng)機(jī)在二級(jí)處理中的重要能耗地位。深度處理段的二次提升泵也表現(xiàn)出一定的能耗，但相較于前兩個(gè)處理段，其占比相對(duì)較低。在污泥處理段，污泥脫水機(jī)是主要的能耗設(shè)備。而再生水段則主要依靠提升泵進(jìn)行水的提升和輸送。對(duì)A 廠各單元和設(shè)備電耗的詳細(xì)統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，二級(jí)處理單元和污水提升能耗較大，二者合計(jì)占整個(gè)污水處理廠總能耗的80%左右。一級(jí)處理電耗比例達(dá)到20%，其中進(jìn)水提升泵電耗占該單元電耗的85%，凸顯了其在該段能耗中的主導(dǎo)地位。

2 節(jié)能降耗途徑分析

2.1 設(shè)備選型及優(yōu)化

在我國(guó)，為滿足較大流量需求，許多城鎮(zhèn)污水處理廠，尤其是早期建設(shè)的那些，常常存在設(shè)備選型偏大、配置單調(diào)及恒速運(yùn)行等不合理的配置問(wèn)題，導(dǎo)致能耗的不必要增加，影響污水廠的整體能效。數(shù)據(jù)顯示，設(shè)備配置的不合理可使能耗增加高達(dá)20%以上，這顯然與節(jié)能減排的目標(biāo)背道而馳。因此，提高設(shè)備配置水平、合理進(jìn)行設(shè)備選型成為降低污水廠能耗的關(guān)鍵。通過(guò)精確評(píng)估流量需求，科學(xué)選擇設(shè)備型號(hào)和配置，以及引入變速運(yùn)行等節(jié)能技術(shù)，污水廠可以滿足處理需求，還能顯著降低能耗，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益的雙贏[2]。

2.2 錯(cuò)峰用電

為應(yīng)對(duì)我國(guó)城市電力供應(yīng)中出現(xiàn)的用電高峰時(shí)段負(fù)荷超載、電網(wǎng)峰谷差大等挑戰(zhàn)，國(guó)家層面已推出相關(guān)政策進(jìn)行宏觀調(diào)控。具體而言，各省市結(jié)合本地用電負(fù)荷的實(shí)際情況，實(shí)施差異化的電價(jià)策略，如設(shè)置峰、平、谷三檔或尖、峰、平、谷四檔電價(jià)，以經(jīng)濟(jì)手段引導(dǎo)用電行為，其中收費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)隨用電時(shí)段的緊張程度依次遞減。在對(duì)城鎮(zhèn)污水處理廠的調(diào)研中發(fā)現(xiàn)，部分先進(jìn)的污水廠在保證出水水質(zhì)穩(wěn)定達(dá)標(biāo)的同時(shí)，積極響應(yīng)國(guó)家的電力調(diào)峰填谷政策，通過(guò)科學(xué)運(yùn)行管理，在電網(wǎng)負(fù)荷較低的時(shí)段增加自身運(yùn)行負(fù)荷，充分利用低谷電力資源。在用電高峰期，則通過(guò)減少設(shè)備運(yùn)行數(shù)量或降低設(shè)備運(yùn)行頻率減輕電網(wǎng)壓力。這種策略的實(shí)施，有效地將電網(wǎng)高峰時(shí)段的部分負(fù)荷轉(zhuǎn)移至低谷時(shí)段，降低電網(wǎng)的峰谷負(fù)荷差，對(duì)于緩解城市電力供應(yīng)緊張局面也起到了積極作用。從經(jīng)濟(jì)角度看，這種運(yùn)行模式的調(diào)整還有助于降低污水處理廠的運(yùn)行成本，提高其經(jīng)濟(jì)效益。更重要的是，這一做法符合社會(huì)資源優(yōu)化配置的原則，通過(guò)市場(chǎng)機(jī)制和科技創(chuàng)新，高效、合理地利用電力資源[3]。（見(jiàn)圖1）

圖1 某廠峰平谷用電情況

某廠作為一座設(shè)計(jì)規(guī)模達(dá)到20 萬(wàn) m3/d 的污水處理廠，其水量變化系數(shù)設(shè)計(jì)值為1.3，運(yùn)行負(fù)荷保持在80%的水平。該廠采用氧化溝工藝進(jìn)行污水處理，嚴(yán)格遵守《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB 18918—2002）一級(jí)A排放標(biāo)準(zhǔn)，確保出水水質(zhì)達(dá)標(biāo)。在能耗方面，某廠的平均噸水電耗為0.24 kW·h/m3，表現(xiàn)出較高的能源利用效率。

針對(duì)城市電力需求的特點(diǎn)，某廠所在地區(qū)將用電時(shí)段劃分為峰期、平期和谷期，每個(gè)時(shí)段各為8 小時(shí)。根據(jù)圖1 的數(shù)據(jù)分析，某廠在峰期的用電量相對(duì)穩(wěn)定，月均約為40 萬(wàn) kW·h，占總用電量的25.7%；平期用電量均衡，占總電量的30.6%；而主要電耗集中在谷期，占總電量的43.7%。這一用電模式充分利用了電網(wǎng)負(fù)荷較低的谷期時(shí)段，降低了運(yùn)行成本。

根據(jù)某廠所在城市的電費(fèi)收費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)，大工業(yè)用電電費(fèi)峰值為1.0167 元/kW·h（6—8 月為1.0788 元/kW·h），平值為0.675 元/kW·h，谷值為0.4203 元/kW·h。通過(guò)實(shí)施錯(cuò)峰用電策略，某廠在保障生產(chǎn)穩(wěn)定的同時(shí)，有效節(jié)約電費(fèi)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，某廠每年可節(jié)省電費(fèi)約100 萬(wàn)元，為企業(yè)的可持續(xù)發(fā)展提供了有力支持。

在污水處理過(guò)程中，某廠注重各功能分區(qū)的電耗控制。二級(jí)處理段作為能耗占比最大的部分，主要涉及生物反應(yīng)、混合攪拌等能耗密集型操作。為降低這部分能耗，某廠采取優(yōu)化曝氣系統(tǒng)、調(diào)整污泥回流比等多種措施。

此外，一級(jí)處理和深度處理段也占有一定的電耗比例，合理配置設(shè)備、調(diào)整運(yùn)行參數(shù)等方式，有效控制全廠能耗[4]。

3 污水處理廠節(jié)能技術(shù)

3.1 進(jìn)水提升泵房

在污水處理系統(tǒng)中，水泵作為核心組件，其運(yùn)行效率對(duì)系統(tǒng)整體能耗有著顯著影響。為了提升水泵的運(yùn)行效率并降低能耗，變頻技術(shù)的應(yīng)用顯得尤為重要，旨在精準(zhǔn)調(diào)控水泵電機(jī)轉(zhuǎn)速，根據(jù)實(shí)際需求調(diào)整水泵的流量和揚(yáng)程，避免不必要的能耗[5]。

為了更深入地理解水泵的能耗特性，引入水泵軸功率的計(jì)算公式至關(guān)重要：N=ρQH/η。在這個(gè)公式中，N 代表水泵的軸功率；ρ 代表流體密度；Q 代表水泵的實(shí)際流量；H 代表有效揚(yáng)程；η 則代表水泵的運(yùn)行效率。根據(jù)這一公式發(fā)現(xiàn)，在水泵安裝并運(yùn)行后，流體密度ρ 和水泵運(yùn)行效率η 通?？梢暈楹愣ㄖ?。因此，水泵的軸功率N 主要與實(shí)際流量Q 和有效揚(yáng)程H 呈現(xiàn)正比例關(guān)系。在不改變實(shí)際流量Q 的條件下，降低水泵的運(yùn)行有效揚(yáng)程H 會(huì)導(dǎo)致其軸功率N 的相應(yīng)減小，表明提升水泵前水位的方式有效降低水泵的能耗。因?yàn)樗坏奶嵘軌蚪档退玫奈畵P(yáng)程，進(jìn)而減少其運(yùn)行負(fù)荷和能耗，既簡(jiǎn)單又經(jīng)濟(jì)。

3.2 高效濾池設(shè)計(jì)

為確保處理后出水水質(zhì)符合國(guó)家一級(jí)A 排放標(biāo)準(zhǔn)，在改造工程中可以引入高效濾池環(huán)節(jié)，使沉淀池出水在經(jīng)由中間水池提升至高效濾池后，通過(guò)消毒處理即能達(dá)到嚴(yán)格的排放標(biāo)準(zhǔn)[6]。

在污水廠的污水處理工藝中，共設(shè)有15 個(gè)獨(dú)立的池體單元。為正常運(yùn)行各單元并強(qiáng)化使用效率，建議采取定期沖洗策略。具體而言，每個(gè)池體每天會(huì)進(jìn)行兩次沖洗，每次沖洗時(shí)間嚴(yán)格控制在15 分鐘內(nèi)。分析近幾年運(yùn)行數(shù)據(jù)，每年池體的可運(yùn)行總天數(shù)約為230天。以2022 年為例，實(shí)際運(yùn)行天數(shù)僅為125 天。基于這些數(shù)據(jù)計(jì)算出該處理單元的節(jié)能效率達(dá)到顯著的45.7%。

節(jié)能優(yōu)化策略體現(xiàn)出污水廠對(duì)環(huán)保和能源效率的重視，也帶來(lái)實(shí)實(shí)在在的經(jīng)濟(jì)效益。精確監(jiān)測(cè)和靈活調(diào)整處理流程，能夠在保證出水水質(zhì)達(dá)標(biāo)的同時(shí)，有效降低電能消耗，實(shí)現(xiàn)環(huán)保與經(jīng)濟(jì)效益的雙贏。隨著技術(shù)的進(jìn)步和環(huán)保要求的提高，污水廠將不斷探索和引入更先進(jìn)的節(jié)能技術(shù)和方法。例如考慮采用更高效的濾池技術(shù)、優(yōu)化沖洗策略或引入智能控制系統(tǒng)等，進(jìn)一步提升節(jié)能效率和出水水質(zhì)。

4 結(jié)束語(yǔ)

在污水處理廠的電氣設(shè)計(jì)與節(jié)能策略中，深刻認(rèn)識(shí)到平衡處理效率與能源消耗的重要性。高效設(shè)計(jì)電氣工程能夠進(jìn)一步保證污水處理廠安全穩(wěn)定運(yùn)行能力，優(yōu)化能源配置，提高設(shè)備使用效率。另外，節(jié)能策略的實(shí)施顯著降低了運(yùn)營(yíng)成本，減少了資源浪費(fèi)，為污水處理廠的可持續(xù)發(fā)展注入了新動(dòng)力。