近十几年来，我国的城镇污水处理事业得到了快速发展，城镇污水排放量不断增加，处理要求也日趋严格。根据《“十三五”全国城镇污水处理及再生利用设施建设规划》和《水污染防治计划》的要求，“十三五”时期，我国将进一步提升城镇污水处理规模，并加强污水处理设施升级改造工作，尤其是敏感区域于2017年底前全面执行一级A排放标准。
当前，污水处理事业快速发展，其能源密集型产业特征却造成高能耗的污水处理设施运行成本不断提高，且能耗随着处理标准的提升而增加。我国城镇污水处理厂的电耗在全国总能耗中也占据较大的比例，根据国家能源局和住房和城乡建设部“全国城镇污水处理管理信息系统”发布的数据，截至2018年底，我国城镇污水处理厂有5360座，处理规模达到2.01亿m3/d；2018年，全国城镇污水处理厂共消耗电能192亿kW·h，约为同年全社会总用电量68449亿kW·h的0.28%，呈现逐年上升的趋势。图1是2007-2018年我国城镇污水处理厂总电耗和吨水电耗的变化情况，由图可见，随着我国城镇污水处理事业的快速发展，我国城镇污水处理用电量和吨水电耗快速上升。如何使污水处理厂在满足处理要求的同时，通过提高设计和运行水平实现节能降耗，节省运行成本，已经成为人们重点关注的问题。
一、污水处理厂能耗特征研究
1.1 污水处理厂基本信息
为研究我国典型城镇污水处理厂的能耗水平及主要电耗分布情况，笔者对我国不同地区的具有代表性的污水处理厂开展实地调研。其间挑选7座连续稳定运行两年以上(运行不间断)、负荷率不低于80%的污水厂，并进行分区用电量监测，污水厂基本情况如表1所示。
1.2 污水厂处理单元能耗特征分析
所选7座污水厂均执行《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB18918—2002)一级A出水标准，根据工艺流程，可以划分为一级处理、二级处理、深度处理、污泥处理、再生水5个功能分区，分别安装电量统计装置，进行为期1年的电耗记录。
污水厂吨水电耗和各功能分区电耗占比如图2所示。由图可知，所选污水厂2017年的吨水电耗平均值保持在0.2～0.45kW·h/m3。从五座处理工艺为A2O的污水厂数据来看，吨水电耗与处理规模相关性明显，处理规模5万m3/d的E厂吨水电耗为0.43kW·h/m3，大于10万m3/d的污水厂吨水电耗低于0.3kW·h/m3，处理规模越大，电耗相对越低。各污水厂二级处理段的能耗最大，占总电耗的50%～65%，其次为一级处理和深度处理段，平均占比分别为19%和16%，部分厂再生水用电占比超过5%。
笔者选择具有代表性的A厂全流程主要设备的用电情况进行为期1年的计量统计，系统分析各设备的耗电量。一级处理段主要耗电设备为进水提升泵，二级处理主要为风机、推进器和回流泵，深度处理段为二次提升泵，污泥处理段为污泥脱水机，再生水段为提升泵。
对A厂各单元和设备电耗的统计结果表明，二级处理单元和污水提升能耗最大，占整个污水处理厂总能耗的80%左右。一级处理电耗比例达到20%，其中进水提升泵电耗占该单元电耗的85%；二级处理单元的能耗主要集中在鼓风机、搅拌器和内外回流泵上，其中，鼓风机占该单元电耗的59%，占全厂工艺总电耗的43%。全厂最大的能耗处理单元为生物处理段、进水泵房、二次提升泵房，节能降耗的重点设备为风机和提升泵。
二、节能降耗途径分析
2.1 设备选型及优化
设计时为保证最大流量需求，我国大多数城镇污水处理厂(尤其是建设年代较早的污水处理厂)普遍存在设备选型过大、配置单一、恒速运行等配置不合理问题。污水厂运行期间，由于进水量波动较大，进水提升泵不能始终处于高效区运行，能效较低。同时，污水厂实际进水水质与设计进水水质往往相差较大，在进水水质水量波动的情况下，因风机选型过大且型号单一，运行调整灵活性差，造成风机系统能耗浪费，还可能导致好氧池DO过高，进而使得较高DO的内回流混合液进入缺氧池而导致进水碳源损失。由于风机选型过大，所调研部分污水厂满负荷运行期间，当导叶开启度调整为30%时，其仍需要部分放空才能维持好氧池正常DO水平，其吨水电耗明显高于其他同类型污水厂。因此，提高设备配置水平，合理进行设备选型是污水厂降低能耗的关键所在。
随着行业节能降耗意识的提高和节能技术的发展，污水处理厂在新建或改造时已经开始注重设备的优化配置或技术改造，如采用变频调速技术、不同型号设备搭配选型、工频和变频设备组合配置、车削叶轮等，以增强污水厂运行的灵活性。例如，在进水提升泵配置设计时，一般至少配置1台变频泵或1台小型泵，以应对污水处理厂进水水量波动变化，同时达到节省进水提升泵运行能耗的目的。
2.2 错峰用电
为缓解我国城市用电高峰时段负荷过高、电网峰谷时段负荷差较大等电力供应紧张的情况，国家出台了相关政策，各省市根据不同时间段的用电负荷情况制定了不同的电价，如峰、平、谷三档电价和尖、峰、平、谷四档电价，收费标准依次降低。在对城镇污水处理厂进行调研时发现，部分污水厂在保证出水稳定达标的前提下，通过合理控制，在电网负荷较低时加大运行负荷，用电高峰期减少设备运行数量或调低设备运行频率，将电网用电高峰时段的部分负荷转移到用电低谷时段，减少电网的峰谷负荷差。这样可以降低污水厂运行费用，同时实现社会资源的优化配置。下面以X污水厂为例进行分析，其峰平谷用电量及分布情况如图3所示。
X厂设计规模为20万m3/d，水量变化系数设计值为1.3，运行负荷为80%，处理工艺为氧化沟工艺，出水水质执行《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB18918—2002)一级A排放标准，平均吨水电耗为0.24kW·h/m3。X厂所在城市峰平谷三个时段分别为8h，从图3可以看出，峰期用电量较为稳定，月均为40万kW·h左右，占总用电量的25.7%，比重最少；平期用电量均衡，占总电量的30.6%；而主要电耗集中在谷期，占总电量的43.7%。根据该厂所在城市的电费收费标准，大工业用电电费峰值为1.0167元/(kW·h)(6-8月为1.0788元/(kW·h))，平值为0.675元/(kW·h)，谷值为0.4203元/(kW·h)，X厂通过错峰用电，每年可节省电费约100万元。
三、结论
城镇污水处理厂可通过提高设备配置水平和技术改造等方式，有效避免设备选型过大、运行效能低等设计原因造成的能源浪费。在运行过程中，在保障出水稳定达标的情况下，污水处理厂可将部分用电高峰期运行负荷转移至低负荷期，有效降低运行成本。(>
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