我國城鎮污水處理廠節能降耗研究現狀及發展趨勢

    我國城鎮污水處理發展現狀

    污水處理是保障人類社會衛生安全的重要措施。現今污水處理主要采用活性污泥法為主的工藝，能有效去除有機物、氮磷等污染物和致病菌等。

    我國污水處理廠從2006年起數量直線增加，而2010年后增長速度有所降低。截至2014年底，全國設市城市、縣累計建成污水處理廠3717座，污水處理能力1.57×108m3/d，我國城鎮污水處理廠建設已覆蓋大部分生活范圍，未來污水處理廠建設數量將會放緩，但污水處理量在一定時期內仍會有所增加。

    按照楊凌波等[1]統計的我國污水處理平均能耗為0.29kWh/m3，根據國家能源局發布的2014年全社會用電總量為55233億kWh，得到污水處理占全社會用電量的比例約為0.3%。

    污水處理廠能耗主要包括直接能耗和間接能耗，其中直接能耗為用于曝氣鼓風機、提升泵、回流泵等運行所需要的電能，間接能耗包括化學除磷以及污泥脫水等投加的化學藥品等。一般而言，在二級處理工藝電耗中，污水提升占10%～20%，生物處理占50%～70%，污泥處理處置占10%～25%，此三部分所占比例在70%以上[2]。現今我國污水處理隨著排放標準的提高，很多污水處理廠開始采用深度處理工藝，包括反硝化濾池、砂濾和紫外消毒等工藝。以包括混凝過濾和紫外消毒深度處理工藝的昆明某污水處理廠運行能耗為例，其前處理、二級處理、深度處理和污泥處理能耗所占比例分別為8.2%、65.7%、20.7%和5.4%，其中污水提升泵所占比例為8.0%，二級處理工藝回流泵所占比例為4.7%，曝氣能耗所占比例為56.2%。因此，污水處理廠節能降耗關鍵點在提升泵和鼓風曝氣兩個方面。

    2污水處理節能降耗發展現狀

    根據以上分析，現有節能降耗的可能包括對現有工藝或者設備運行進行完善，降低運行能耗。此外，節能降耗也可以從污水處理工藝優化和其所含能源進行回收，由此降低污水處理廠運行能耗。

    2.1污水提升泵節能降耗研究及其應用

    污水處理廠進水均處于管網系統末端，其高程相對較低，所以需要用提升泵將污水提升至處理系統中，此過程耗能較多，是節能降耗的重要節點之一。目前我國污水處理廠泵能耗較高的原因包括電機效率低、設計能力與運行能力不符、水量波動大和運行控制管理能力低等。污水提升角度的節能降耗需要從污水提升系統進行全面的分析。首先，在污水處理工藝設計階段，需要全面調研現有管網系統和污水處理全流程設施，盡可能降低需要提升的污水隨處理設施的高程差，并考慮采用淹沒流模式。其次，需要根據污水提升量及其變化特征，選擇合適的泵及其組合方式。根據管道系統尤其是污水流量的變化特性曲線選擇合適的泵，滿足泵運行的高效運行效率區間并在高水位條件下運行。根據污水處理量、揚程、水頭損失和泵功率等，選擇合適高效的泵組合，包括設置帶變頻調速器等的變頻泵與固定功率泵之間的配比與調控，降低水泵運行軸功率，同時避免泵的頻繁開啟而降低其使用壽命。再者，注重泵和電機之間的匹配度，強化電機的高效運行。另外，注重管道設計，保障系統結構緊湊與運行流暢，減少彎管和管道長度，降低管道輸運系統的阻力和能耗。最后，需要注重工藝運行管理與設備維護，降低運行系統的滴漏、結垢與機械磨損等，保障設備和系統在高效條件下運轉。

    我國各污水處理廠設計和運行中，對提升泵的改進主要是采用變頻控制技術。許光濘等[3]采用部分變頻泵作為調速泵的控制，可以使水泵平均轉速比工頻轉速降低20%以上，綜合節能效率可達20%～40%，對中小型污水處理廠，一年左右就可收回投資成本。沈曉鈴等[4]采用超聲波液位計監測進水水位并結合出水管流量計反饋控制潛水泵變頻運行，實現節能10%左右。原建光等[5]采用變頻調速技術，以調節電動機轉速方法代替調節閥門或擋板，降低水位大幅變化和實現高水位運行，節電率為15%。謝添等[6]研究對提升泵房，采用3臺潛水泵，其中一臺為變頻泵，并設置1臺超聲波液位計控制實際水位，得到變頻控制節能效率為39%～56%。對于變頻器的選擇與否，劉禮祥等[7]認為當處理水量變化較大且后續處理抗沖擊負荷能力較弱時，需要設置變頻泵，反之則不一定設置變頻器，因為變頻器本身耗能比例為3%～5%。郭思遠等[8]采用基于泵站編組輪換算法和動態液位控制算法的進水提升泵智能控制方法，實現泵站運行節能9.6%，全廠節能2.5%左右。此外，李鵬峰等[9]研究得到通過利用前端管網的蓄水能力減少水泵運行臺數，達到節能效率20%。