我国城镇污水处理厂节能降耗研究现状及发展趋势
我国城镇污水处理发展现状
污水处理是保障人类社会卫生安全的重要措施。现今污水处理主要采用活性污泥法为主的工艺，能有效去除有机物、氮磷等污染物和致病菌等。
我国污水处理厂从2006年起数量直线增加，而2010年后增长速度有所降低。截至2014年底，全国设市城市、县累计建成污水处理厂3717座，污水处理能力1.57×108m3/d，我国城镇污水处理厂建设已覆盖大部分生活范围，未来污水处理厂建设数量将会放缓，但污水处理量在一定时期内仍会有所增加。
按照杨凌波等[1]统计的我国污水处理平均能耗为0.29kWh/m3，根据国家能源局发布的2014年全社会用电总量为55233亿kWh，得到污水处理占全社会用电量的比例约为0.3%。
污水处理厂能耗主要包括直接能耗和间接能耗，其中直接能耗为用于曝气鼓风机、提升泵、回流泵等运行所需要的电能，间接能耗包括化学除磷以及污泥脱水等投加的化学药品等。一般而言，在二级处理工艺电耗中，污水提升占10%～20%，生物处理占50%～70%，污泥处理处置占10%～25%，此三部分所占比例在70%以上[2]。现今我国污水处理随着排放标准的提高，很多污水处理厂开始采用深度处理工艺，包括反硝化滤池、砂滤和紫外消毒等工艺。以包括混凝过滤和紫外消毒深度处理工艺的昆明某污水处理厂运行能耗为例，其前处理、二级处理、深度处理和污泥处理能耗所占比例分别为8.2%、65.7%、20.7%和5.4%，其中污水提升泵所占比例为8.0%，二级处理工艺回流泵所占比例为4.7%，曝气能耗所占比例为56.2%。因此，污水处理厂节能降耗关键点在提升泵和鼓风曝气两个方面。
2污水处理节能降耗发展现状
根据以上分析，现有节能降耗的可能包括对现有工艺或者设备运行进行完善，降低运行能耗。此外，节能降耗也可以从污水处理工艺优化和其所含能源进行回收，由此降低污水处理厂运行能耗。
2.1污水提升泵节能降耗研究及其应用
污水处理厂进水均处于管网系统末端，其高程相对较低，所以需要用提升泵将污水提升至处理系统中，此过程耗能较多，是节能降耗的重要节点之一。目前我国污水处理厂泵能耗较高的原因包括电机效率低、设计能力与运行能力不符、水量波动大和运行控制管理能力低等。污水提升角度的节能降耗需要从污水提升系统进行全面的分析。首先，在污水处理工艺设计阶段，需要全面调研现有管网系统和污水处理全流程设施，尽可能降低需要提升的污水随处理设施的高程差，并考虑采用淹没流模式。其次，需要根据污水提升量及其变化特征，选择合适的泵及其组合方式。根据管道系统尤其是污水流量的变化特性曲线选择合适的泵，满足泵运行的高效运行效率区间并在高水位条件下运行。根据污水处理量、扬程、水头损失和泵功率等，选择合适高效的泵组合，包括设置带变频调速器等的变频泵与固定功率泵之间的配比与调控，降低水泵运行轴功率，同时避免泵的频繁开启而降低其使用寿命。再者，注重泵和电机之间的匹配度，强化电机的高效运行。另外，注重管道设计，保障系统结构紧凑与运行流畅，减少弯管和管道长度，降低管道输运系统的阻力和能耗。最后，需要注重工艺运行管理与设备维护，降低运行系统的滴漏、结垢与机械磨损等，保障设备和系统在高效条件下运转。
我国各污水处理厂设计和运行中，对提升泵的改进主要是采用变频控制技术。许光泞等[3]采用部分变频泵作为调速泵的控制，可以使水泵平均转速比工频转速降低20%以上，综合节能效率可达20%～40%，对中小型污水处理厂，一年左右就可收回投资成本。沈晓铃等[4]采用超声波液位计监测进水水位并结合出水管流量计反馈控制潜水泵变频运行，实现节能10%左右。原建光等[5]采用变频调速技术，以调节电动机转速方法代替调节阀门或挡板，降低水位大幅变化和实现高水位运行，节电率为15%。谢添等[6]研究对提升泵房，采用3台潜水泵，其中一台为变频泵，并设置1台超声波液位计控制实际水位，得到变频控制节能效率为39%～56%。对于变频器的选择与否，刘礼祥等[7]认为当处理水量变化较大且后续处理抗冲击负荷能力较弱时，需要设置变频泵，反之则不一定设置变频器，因为变频器本身耗能比例为3%～5%。郭思远等[8]采用基于泵站编组轮换算法和动态液位控制算法的进水提升泵智能控制方法，实现泵站运行节能9.6%，全厂节能2.5%左右。此外，李鹏峰等[9]研究得到通过利用前端管网的蓄水能力减少水泵运行台数，达到节能效率20%。
2.2污水生物处理曝气节能降耗技术及其应用
污水中污染物去除主要通过微生物生化代谢过程实现。我国污水处理生化工艺主要包括A2O工艺、氧化沟工艺和SBR工艺[8]。微生物去除污染物的生化代谢过程需要存在电子受体，此过程主要通过曝气供氧提供。因此，有效曝气是实现污染物去除和污水有效处理的重要保障手段。此外，在污染物去除的过程中如A2O反硝化脱氮需要混合液回流提供硝态氮作为电子受体，而在化学除磷过程中需要投加化学药剂强化化学沉淀等也会产生一定的能耗。曝气控制是污水生物处理过程中节能降耗的关键节点，途径包括曝气装置、曝气管布置、曝气供给模式等方式的优化。
曝气风机主要包括罗茨风机和TURPO风机，前者主要通过变频控制风量一般为中小型污水处理厂所采用，而后者主要通过风机导叶开度和开启台数进行曝气控制。对于曝气方式，现今A2O和SBR工艺一般采用微孔曝气，而氧化沟一般采用转刷曝气或倒伞式曝气等。微孔曝气主要通过产生直径为1.5～3.0mm的微气泡强化传氧效率，降低曝气能耗。由于微孔曝气能够强化传氧效率，所以现今很多氧化沟工艺的升级改造也开始采用底部微孔曝气。魏建文等[10]对氧化沟工艺进行改造，由竖轴表面曝气改造为可变微孔曝气器和潜水推流器推流相结合的系统，实现单位污水处理能耗降低23%～45%。曝气方式一般包括单边曝气和全面曝气。以往认为单边曝气能够减小风量，但实践证明全面曝气能够实现均匀小漩涡，形成局部混合，强化小气泡的传递，具有更好地传氧效率。魏全源和李辰[11]认为当均采用微孔全面曝气时，采用微孔盘式曝气头比穿孔管节能20%以上。
除曝气装置与曝气方式外，曝气量的供给方式是节能降耗的关键研究对象。曝气量过小，将影响污水处理出水水质;曝气量过大，则造成能量浪费和影响活性污泥絮体结构和沉降性。曝气节能核心是在保证生化处理过程有效去除污染物、保障出水水质的前提下，按需提供所需电子受体溶解氧，达到所需与供给之间的平衡，避免曝气能耗的浪费。从降低能耗角度来看，主要包括控制好氧区恒定溶解氧防止过度曝气、按污水处理流程需氧量逐渐降低设置梯度降低曝气量(如35%、30%和25%)、根据出水氨氮浓度设置曝气量等。传统活性污泥生化处理工艺中曝气主要是去除COD和进行硝化反应，所以供氧量的计算也主要是考虑此两个生化过程。黄浩华等[12]研究得到可以通过控制好氧区DO质量浓度在2～3mg/L避免过度曝气，或者通过工艺调节减少好氧区长度而降低能耗17.1%，后者同时能够提高TN去除效率。刘礼祥等[13]通过精确曝气控制生化段，采用DO信号接入控制柜并由编程转化为风压值，进而采用风压控制曝气量，实现节能27.95%;此外，对于氧化沟工艺采用转刷时序控制也能降低处理单位能耗。张荣兵等[14]采用优化曝气流量控制系统于A2O工艺，有效控制好氧区DO质量浓度，其吨水处理能耗由改造前的0.1493kWh降低到改造后的0.1326kWh，节能11.2%，而且出水水质能够很好地达到一级A标准。李建勇等[15]采用曝气流量控制系统实现对DO的控制，采用控制技术后处理能耗由0.38kWh/m3降低到0.25kWh/m3。谢继荣等[16]针对常规曝气控制系统存在进水波动条件下DO浓度波动范围也较大的特征，提出了基于溶解氧和需气量串级控制的曝气优化控制方法，能够进一步降低工艺运行能耗8.8%。针对现有DO控制系统对低DO控制效果较差的特点，杨新宇等[17]开发出新型DO控制系统，能够很好地控制工艺中低DO浓度，应用于工艺后处理能耗由0.12kWh/m3降低到0.096kWh/m3。对于鼓风机控制，其中一个关键因素是避免曝气鼓风机喘振问题。马金峰等[18]指出控制鼓风机出口压力是解决喘振现象从而实现DO自动控制的必要条件，并且采用低DO和出水氨氮浓度控制能够实现系统的高效自动控制和节能降耗。此外，还可以通过ORP和pH控制污水处理过程，实现精确曝气目的，但此方法波动较大并没有得到很好的实际应用。
我国污水处理工艺普遍存在曝气量设计远大于实际需求量的现状，也即好氧段可以大大缩短以降低好氧能耗。鲍林林等[19]对氧化沟工艺好氧段进行改造，主要是改造好氧段前段为缺氧区，控制出水DO质量浓度为1～1.5mg/L，不但提高了出水水质，而且处理能耗降低为0.241kWh/m3，比改造前降低20%以上。此外，通过工艺内设备优化运行也能有效降低能耗。原建光等[20]采用低氧(0.5～0.8mg/L)条件下运行污水处理工艺，也达到很好的污水出水水质，并实现节能的目标。杨敏等[21]对污水处理工艺进行分析，通过降低生物池搅拌功率密度实现搅拌单元节能效率50%。除工艺优化运行之外，可以考虑电力使用高峰低谷时间段，结合污水处理厂厂网综合调控与协同优化污水处理工艺的运行，降低耗电费用。
2.3优化或革新的污水处理节能降耗新技术研究
随着对污水处理工艺功能菌的深入研究，逐渐提出能够从工艺角度实现节能的新型污水处理工艺。主要包括基于短程硝化的污水脱氮工艺、反硝化除磷工艺以及厌氧氨氧化工艺等。短程硝化工艺因为仅仅硝化氨氮到亚硝酸盐而非硝酸盐，所以可以节约能耗25%，同时，反硝化亚硝酸盐而非硝酸盐时也能降低脱氮对碳源的需求量，强化污水脱氮效率。对于厌氧氨氧化工艺，主要应用于高氨氮废水，因为仅需50%左右的氨氮氧化为亚硝酸盐，所以其需氧量更低，能够实现高效节能。近期也开始考虑厌氧氨氧化应用于污水处理工艺主体流程的可行性，并开展了系列探索性研究[22]。反硝化除磷工艺主要以硝态氮为电子受体，实现同步脱氮除磷，所以也能在很大程度上节约曝气能耗。与传统强化生物除磷相比，反硝化除磷技术提高碳源利用率50%、节省曝气30%、减少污泥产量50%。
污水本身含有的有机物就是能量载体，所以除污水处理节能之外，可以考虑污水能源化的实现。主要途径包括污水厌氧处理，新型工艺包括膜厌氧处理工艺等[23]。此外，能源回收的重点是强化污水中碳源有机物转化为生物体，然后通过厌氧发酵实现污水碳源的能源化[24]。此领域研究需要针对我国污泥或污水特征，进一步开发高效的反应器与处理技术工艺等。
3结语及展望
随着我国污水处理厂建设的完善，未来对污水处理厂运行节能降耗需求会越来越强烈，尤其是基于精细化管理和污水处理全程优化的理念值得深入实践。重点内容包括：
1)建立基于污水处理系统节能降耗的精细化综合设计、运行与管理模式。
2)开发新型节能降耗的污水处理工艺。深入研究污水中污染物去除机制及其功能菌的驯化，开发新型污水处理工艺，深入推进关于污水处理能源化与资源化的实践，也是节能降耗的技术途径之一。
3)基于污水处理工艺过程的模拟与精确控制技术研究与应用。针对不同工艺，建立相应的关键能耗特征指标，并开展相应的评价与优化运行，也是未来需要深入研究的对象。
4)基于节能降耗效能的综合评价方法与体系的建立与应用。需要建立基于污水处理全流程的类似生命周期评价的理念，全面评价节能降耗的影响，全面评价能耗降低的途径。此外，也需要从可持续发展角度，全面分析能耗的影响，引入包括环境、经济和技术等方面指标的评价体系。
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