近十幾年來，我國的城鎮污水處理事業得到了快速發展，城鎮污水排放量不斷增加，處理要求也日趨嚴格。根據《“十三五”全國城鎮污水處理及再生利用設施建設規劃》和《水污染防治計劃》的要求，“十三五”時期，我國將進一步提升城鎮污水處理規模，并加強污水處理設施升級改造工作，尤其是敏感區域于2017年底前全面執行一級A排放標準。
當前，污水處理事業快速發展，其能源密集型產業特征卻造成高能耗的污水處理設施運行成本不斷提高，且能耗隨著處理標準的提升而增加。我國城鎮污水處理廠的電耗在全國總能耗中也占據較大的比例，根據國家能源局和住房和城鄉建設部“全國城鎮污水處理管理信息系統”發布的數據，截至2018年底，我國城鎮污水處理廠有5360座，處理規模達到2.01億m3/d；2018年，全國城鎮污水處理廠共消耗電能192億kW·h，約為同年全社會總用電量68449億kW·h的0.28%，呈現逐年上升的趨勢。圖1是2007-2018年我國城鎮污水處理廠總電耗和噸水電耗的變化情況，由圖可見，隨著我國城鎮污水處理事業的快速發展，我國城鎮污水處理用電量和噸水電耗快速上升。如何使污水處理廠在滿足處理要求的同時，通過提高設計和運行水平實現節能降耗，節省運行成本，已經成為人們重點關注的問題。
一、污水處理廠能耗特征研究
1.1 污水處理廠基本信息
為研究我國典型城鎮污水處理廠的能耗水平及主要電耗分布情況，筆者對我國不同地區的具有代表性的污水處理廠開展實地調研。其間挑選7座連續穩定運行兩年以上(運行不間斷)、負荷率不低于80%的污水廠，并進行分區用電量監測，污水廠基本情況如表1所示。
1.2 污水廠處理單元能耗特征分析
所選7座污水廠均執行《城鎮污水處理廠污染物排放標準》(GB18918—2002)一級A出水標準，根據工藝流程，可以劃分為一級處理、二級處理、深度處理、污泥處理、再生水5個功能分區，分別安裝電量統計裝置，進行為期1年的電耗記錄。
污水廠噸水電耗和各功能分區電耗占比如圖2所示。由圖可知，所選污水廠2017年的噸水電耗平均值保持在0.2～0.45kW·h/m3。從五座處理工藝為A2O的污水廠數據來看，噸水電耗與處理規模相關性明顯，處理規模5萬m3/d的E廠噸水電耗為0.43kW·h/m3，大于10萬m3/d的污水廠噸水電耗低于0.3kW·h/m3，處理規模越大，電耗相對越低。各污水廠二級處理段的能耗最大，占總電耗的50%～65%，其次為一級處理和深度處理段，平均占比分別為19%和16%，部分廠再生水用電占比超過5%。
筆者選擇具有代表性的A廠全流程主要設備的用電情況進行為期1年的計量統計，系統分析各設備的耗電量。一級處理段主要耗電設備為進水提升泵，二級處理主要為風機、推進器和回流泵，深度處理段為二次提升泵，污泥處理段為污泥脫水機，再生水段為提升泵。
對A廠各單元和設備電耗的統計結果表明，二級處理單元和污水提升能耗最大，占整個污水處理廠總能耗的80%左右。一級處理電耗比例達到20%，其中進水提升泵電耗占該單元電耗的85%；二級處理單元的能耗主要集中在鼓風機、攪拌器和內外回流泵上，其中，鼓風機占該單元電耗的59%，占全廠工藝總電耗的43%。全廠最大的能耗處理單元為生物處理段、進水泵房、二次提升泵房，節能降耗的重點設備為風機和提升泵。
二、節能降耗途徑分析
2.1 設備選型及優化
設計時為保證最大流量需求，我國大多數城鎮污水處理廠(尤其是建設年代較早的污水處理廠)普遍存在設備選型過大、配置單一、恒速運行等配置不合理問題。污水廠運行期間，由于進水量波動較大，進水提升泵不能始終處于高效區運行，能效較低。同時，污水廠實際進水水質與設計進水水質往往相差較大，在進水水質水量波動的情況下，因風機選型過大且型號單一，運行調整靈活性差，造成風機系統能耗浪費，還可能導致好氧池DO過高，進而使得較高DO的內回流混合液進入缺氧池而導致進水碳源損失。由于風機選型過大，所調研部分污水廠滿負荷運行期間，當導葉開啟度調整為30%時，其仍需要部分放空才能維持好氧池正常DO水平，其噸水電耗明顯高于其他同類型污水廠。因此，提高設備配置水平，合理進行設備選型是污水廠降低能耗的關鍵所在。
隨著行業節能降耗意識的提高和節能技術的發展，污水處理廠在新建或改造時已經開始注重設備的優化配置或技術改造，如采用變頻調速技術、不同型號設備搭配選型、工頻和變頻設備組合配置、車削葉輪等，以增強污水廠運行的靈活性。例如，在進水提升泵配置設計時，一般至少配置1臺變頻泵或1臺小型泵，以應對污水處理廠進水水量波動變化，同時達到節省進水提升泵運行能耗的目的。
2.2 錯峰用電
為緩解我國城市用電高峰時段負荷過高、電網峰谷時段負荷差較大等電力供應緊張的情況，國家出臺了相關政策，各省市根據不同時間段的用電負荷情況制定了不同的電價，如峰、平、谷三檔電價和尖、峰、平、谷四檔電價，收費標準依次降低。在對城鎮污水處理廠進行調研時發現，部分污水廠在保證出水穩定達標的前提下，通過合理控制，在電網負荷較低時加大運行負荷，用電高峰期減少設備運行數量或調低設備運行頻率，將電網用電高峰時段的部分負荷轉移到用電低谷時段，減少電網的峰谷負荷差。這樣可以降低污水廠運行費用，同時實現社會資源的優化配置。下面以X污水廠為例進行分析，其峰平谷用電量及分布情況如圖3所示。
X廠設計規模為20萬m3/d，水量變化系數設計值為1.3，運行負荷為80%，處理工藝為氧化溝工藝，出水水質執行《城鎮污水處理廠污染物排放標準》(GB18918—2002)一級A排放標準，平均噸水電耗為0.24kW·h/m3。X廠所在城市峰平谷三個時段分別為8h，從圖3可以看出，峰期用電量較為穩定，月均為40萬kW·h左右，占總用電量的25.7%，比重最少；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%。根據該廠所在城市的電費收費標準，大工業用電電費峰值為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)，X廠通過錯峰用電，每年可節省電費約100萬元。
三、結論
城鎮污水處理廠可通過提高設備配置水平和技術改造等方式，有效避免設備選型過大、運行效能低等設計原因造成的能源浪費。在運行過程中，在保障出水穩定達標的情況下，污水處理廠可將部分用電高峰期運行負荷轉移至低負荷期，有效降低運行成本。(來源：中國市政工程華北設計研究總院有限公司)
