1  我國(guó)城鎮(zhèn)污水處理發(fā)展現(xiàn)狀

污水處理是保障人類社會(huì)衛(wèi)生安全的重要措施?，F(xiàn)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(jī)物、氮磷等污染物和致病菌等。

我國(guó)污水處理廠從2006年起數(shù)量直線增加，而2010年后增長(zhǎng)速度有所降低。截至2014年底，全國(guó)設(shè)市城市、縣累計(jì)建成污水處理廠3 717座，污水處理能力1.57×108 m3/d，我國(guó)城鎮(zhèn)污水處理廠建設(shè)已覆蓋大部分生活范圍，未來污水處理廠建設(shè)數(shù)量將會(huì)放緩，但污水處理量在一定時(shí)期內(nèi)仍會(huì)有所增加。

按照楊凌波等[1]統(tǒng)計(jì)的我國(guó)污水處理平均能耗為0.29 kWh/m3，根據(jù)國(guó)家能源局發(fā)布的2014年全社會(huì)用電總量為55 233億kWh，得到污水處理占全社會(huì)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(fēng)機(jī)、提升泵、回流泵等運(yùn)行所需要的電能，間接能耗包括化學(xué)除磷以及污泥脫水等投加的化學(xué)藥品等。一般而言，在二級(jí)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]?，F(xiàn)今我國(guó)污水處理隨著排放標(biāo)準(zhǔn)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(yùn)行能耗為例，其前處理、二級(jí)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(jí)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(jié)能降耗關(guān)鍵點(diǎn)在提升泵和鼓風(fēng)曝氣兩個(gè)方面。

2  污水處理節(jié)能降耗發(fā)展現(xiàn)狀

根據(jù)以上分析，現(xiàn)有節(jié)能降耗的可能包括對(duì)現(xiàn)有工藝或者設(shè)備運(yùn)行進(jìn)行完善，降低運(yùn)行能耗。此外，節(jié)能降耗也可以從污水處理工藝優(yōu)化和其所含能源進(jìn)行回收，由此降低污水處理廠運(yùn)行能耗。

2.1 污水提升泵節(jié)能降耗研究及其應(yīng)用

污水處理廠進(jìn)水均處于管網(wǎng)系統(tǒng)末端，其高程相對(duì)較低，所以需要用提升泵將污水提升至處理系統(tǒng)中，此過程耗能較多，是節(jié)能降耗的重要節(jié)點(diǎn)之一。目前我國(guó)污水處理廠泵能耗較高的原因包括電機(jī)效率低、設(shè)計(jì)能力與運(yùn)行能力不符、水量波動(dòng)大和運(yùn)行控制管理能力低等。污水提升角度的節(jié)能降耗需要從污水提升系統(tǒng)進(jìn)行全面的分析。首先，在污水處理工藝設(shè)計(jì)階段，需要全面調(diào)研現(xiàn)有管網(wǎng)系統(tǒng)和污水處理全流程設(shè)施，盡可能降低需要提升的污水隨處理設(shè)施的高程差，并考慮采用淹沒流模式。其次，需要根據(jù)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(jù)管道系統(tǒng)尤其是污水流量的變化特性曲線選擇合適的泵，滿足泵運(yùn)行的高效運(yùn)行效率區(qū)間并在高水位條件下運(yùn)行。根據(jù)污水處理量、揚(yáng)程、水頭損失和泵功率等，選擇合適高效的泵組合，包括設(shè)置帶變頻調(diào)速器等的變頻泵與固定功率泵之間的配比與調(diào)控，降低水泵運(yùn)行軸功率，同時(shí)避免泵的頻繁開啟而降低其使用壽命。再者，注重泵和電機(jī)之間的匹配度，強(qiáng)化電機(jī)的高效運(yùn)行。另外，注重管道設(shè)計(jì)，保障系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊與運(yùn)行流暢，減少?gòu)澒芎凸艿篱L(zhǎng)度，降低管道輸運(yùn)系統(tǒng)的阻力和能耗。最后，需要注重工藝運(yùn)行管理與設(shè)備維護(hù)，降低運(yùn)行系統(tǒng)的滴漏、結(jié)垢與機(jī)械磨損等，保障設(shè)備和系統(tǒng)在高效條件下運(yùn)轉(zhuǎn)。

我國(guó)各污水處理廠設(shè)計(jì)和運(yùn)行中，對(duì)提升泵的改進(jìn)主要是采用變頻控制技術(shù)。許光濘等[3]采用部分變頻泵作為調(diào)速泵的控制，可以使水泵平均轉(zhuǎn)速比工頻轉(zhuǎn)速降低20%以上，綜合節(jié)能效率可達(dá)20%～40%，對(duì)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(jì)監(jiān)測(cè)進(jìn)水水位并結(jié)合出水管流量計(jì)反饋控制潛水泵變頻運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)節(jié)能10%左右。原建光等[5]采用變頻調(diào)速技術(shù)，以調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速方法代替調(diào)節(jié)閥門或擋板，降低水位大幅變化和實(shí)現(xiàn)高水位運(yùn)行，節(jié)電率為15%。謝添等[6]研究對(duì)提升泵房，采用3臺(tái)潛水泵，其中一臺(tái)為變頻泵，并設(shè)置1臺(tái)超聲波液位計(jì)控制實(shí)際水位，得到變頻控制節(jié)能效率為39%～56%。對(duì)于變頻器的選擇與否，劉禮祥等[7]認(rèn)為當(dāng)處理水量變化較大且后續(xù)處理抗沖擊負(fù)荷能力較弱時(shí)，需要設(shè)置變頻泵，反之則不一定設(shè)置變頻器，因?yàn)樽冾l器本身耗能比例為3%～5%。郭思遠(yuǎn)等[8]采用基于泵站編組輪換算法和動(dòng)態(tài)液位控制算法的進(jìn)水提升泵智能控制方法，實(shí)現(xiàn)泵站運(yùn)行節(jié)能9.6%，全廠節(jié)能2.5%左右。此外，李鵬峰等[9]研究得到通過利用前端管網(wǎng)的蓄水能力減少水泵運(yùn)行臺(tái)數(shù)，達(dá)到節(jié)能效率20%。

2.2 污水生物處理曝氣節(jié)能降耗技術(shù)及其應(yīng)用

污水中污染物去除主要通過微生物生化代謝過程實(shí)現(xiàn)。我國(guó)污水處理生化工藝主要包括A2O工藝、氧化溝工藝和SBR工藝[8]。微生物去除污染物的生化代謝過程需要存在電子受體，此過程主要通過曝氣供氧提供。因此，有效曝氣是實(shí)現(xiàn)污染物去除和污水有效處理的重要保障手段。此外，在污染物去除的過程中如A2O反硝化脫氮需要混合液回流提供硝態(tài)氮作為電子受體，而在化學(xué)除磷過程中需要投加化學(xué)藥劑強(qiáng)化化學(xué)沉淀等也會(huì)產(chǎn)生一定的能耗。曝氣控制是污水生物處理過程中節(jié)能降耗的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，途徑包括曝氣裝置、曝氣管布置、曝氣供給模式等方式的優(yōu)化。

曝氣風(fēng)機(jī)主要包括羅茨風(fēng)機(jī)和TURPO風(fēng)機(jī)，前者主要通過變頻控制風(fēng)量一般為中小型污水處理廠所采用，而后者主要通過風(fēng)機(jī)導(dǎo)葉開度和開啟臺(tái)數(shù)進(jìn)行曝氣控制。對(duì)于曝氣方式，現(xiàn)今A2O和SBR工藝一般采用微孔曝氣，而氧化溝一般采用轉(zhuǎn)刷曝氣或倒傘式曝氣等。微孔曝氣主要通過產(chǎn)生直徑為1.5～3.0 mm的微氣泡強(qiáng)化傳氧效率，降低曝氣能耗。由于微孔曝氣能夠強(qiáng)化傳氧效率，所以現(xiàn)今很多氧化溝工藝的升級(jí)改造也開始采用底部微孔曝氣。魏建文等[10]對(duì)氧化溝工藝進(jìn)行改造，由豎軸表面曝氣改造為可變微孔曝氣器和潛水推流器推流相結(jié)合的系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)單位污水處理能耗降低23%～45%。曝氣方式一般包括單邊曝氣和全面曝氣。以往認(rèn)為單邊曝氣能夠減小風(fēng)量，但實(shí)踐證明全面曝氣能夠?qū)崿F(xiàn)均勻小漩渦，形成局部混合，強(qiáng)化小氣泡的傳遞，具有更好地傳氧效率。魏全源和李辰[11]認(rèn)為當(dāng)均采用微孔全面曝氣時(shí)，采用微孔盤式曝氣頭比穿孔管節(jié)能20%以上。

除曝氣裝置與曝氣方式外，曝氣量的供給方式是節(jié)能降耗的關(guān)鍵研究對(duì)象。曝氣量過小，將影響污水處理出水水質(zhì);曝氣量過大，則造成能量浪費(fèi)和影響活性污泥絮體結(jié)構(gòu)和沉降性。曝氣節(jié)能核心是在保證生化處理過程有效去除污染物、保障出水水質(zhì)的前提下，按需提供所需電子受體溶解氧，達(dá)到所需與供給之間的平衡，避免曝氣能耗的浪費(fèi)。從降低能耗角度來看，主要包括控制好氧區(qū)恒定溶解氧防止過度曝氣、按污水處理流程需氧量逐漸降低設(shè)置梯度降低曝氣量(如35%、30%和25%)、根據(jù)出水氨氮濃度設(shè)置曝氣量等。傳統(tǒng)活性污泥生化處理工藝中曝氣主要是去除COD和進(jìn)行硝化反應(yīng)，所以供氧量的計(jì)算也主要是考慮此兩個(gè)生化過程。黃浩華等[12]研究得到可以通過控制好氧區(qū)DO質(zhì)量濃度在2～3 mg/L避免過度曝氣，或者通過工藝調(diào)節(jié)減少好氧區(qū)長(zhǎng)度而降低能耗17.1%，后者同時(shí)能夠提高TN去除效率。劉禮祥等[13]通過精確曝氣控制生化段，采用DO信號(hào)接入控制柜并由編程轉(zhuǎn)化為風(fēng)壓值，進(jìn)而采用風(fēng)壓控制曝氣量，實(shí)現(xiàn)節(jié)能27.95%;此外，對(duì)于氧化溝工藝采用轉(zhuǎn)刷時(shí)序控制也能降低處理單位能耗。張榮兵等[14]采用優(yōu)化曝氣流量控制系統(tǒng)于A2O工藝，有效控制好氧區(qū)DO質(zhì)量濃度，其噸水處理能耗由改造前的0.149 3 kWh降低到改造后的0.132 6 kWh，節(jié)能11.2%，而且出水水質(zhì)能夠很好地達(dá)到一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)。李建勇等[15]采用曝氣流量控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)DO的控制，采用控制技術(shù)后處理能耗由0.38 kWh/m3降低到0.25 kWh/m3。謝繼榮等[16]針對(duì)常規(guī)曝氣控制系統(tǒng)存在進(jìn)水波動(dòng)條件下DO濃度波動(dòng)范圍也較大的特征，提出了基于溶解氧和需氣量串級(jí)控制的曝氣優(yōu)化控制方法，能夠進(jìn)一步降低工藝運(yùn)行能耗8.8%。針對(duì)現(xiàn)有DO控制系統(tǒng)對(duì)低DO控制效果較差的特點(diǎn)，楊新宇等[17]開發(fā)出新型DO控制系統(tǒng)，能夠很好地控制工藝中低DO濃度，應(yīng)用于工藝后處理能耗由0.12 kWh/m3降低到0.096 kWh/m3。對(duì)于鼓風(fēng)機(jī)控制，其中一個(gè)關(guān)鍵因素是避免曝氣鼓風(fēng)機(jī)喘振問題。馬金峰等[18]指出控制鼓風(fēng)機(jī)出口壓力是解決喘振現(xiàn)象從而實(shí)現(xiàn)DO自動(dòng)控制的必要條件，并且采用低DO和出水氨氮濃度控制能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)的高效自動(dòng)控制和節(jié)能降耗。此外，還可以通過ORP和pH控制污水處理過程，實(shí)現(xiàn)精確曝氣目的，但此方法波動(dòng)較大并沒有得到很好的實(shí)際應(yīng)用。

我國(guó)污水處理工藝普遍存在曝氣量設(shè)計(jì)遠(yuǎn)大于實(shí)際需求量的現(xiàn)狀，也即好氧段可以大大縮短以降低好氧能耗。鮑林林等[19]對(duì)氧化溝工藝好氧段進(jìn)行改造，主要是改造好氧段前段為缺氧區(qū)，控制出水DO質(zhì)量濃度為1～1.5 mg/L，不但提高了出水水質(zhì)，而且處理能耗降低為0.241 kWh/m3，比改造前降低20%以上。此外，通過工藝內(nèi)設(shè)備優(yōu)化運(yùn)行也能有效降低能耗。原建光等[20]采用低氧(0.5～0.8 mg/L)條件下運(yùn)行污水處理工藝，也達(dá)到很好的污水出水水質(zhì)，并實(shí)現(xiàn)節(jié)能的目標(biāo)。楊敏等[21]對(duì)污水處理工藝進(jìn)行分析，通過降低生物池?cái)嚢韫β拭芏葘?shí)現(xiàn)攪拌單元節(jié)能效率50%。除工藝優(yōu)化運(yùn)行之外，可以考慮電力使用高峰低谷時(shí)間段，結(jié)合污水處理廠廠網(wǎng)綜合調(diào)控與協(xié)同優(yōu)化污水處理工藝的運(yùn)行，降低耗電費(fèi)用。

2.3 優(yōu)化或革新的污水處理節(jié)能降耗新技術(shù)研究

隨著對(duì)污水處理工藝功能菌的深入研究，逐漸提出能夠從工藝角度實(shí)現(xiàn)節(jié)能的新型污水處理工藝。主要包括基于短程硝化的污水脫氮工藝、反硝化除磷工藝以及厭氧氨氧化工藝等。短程硝化工藝因?yàn)閮H僅硝化氨氮到亞硝酸鹽而非硝酸鹽，所以可以節(jié)約能耗25%，同時(shí)，反硝化亞硝酸鹽而非硝酸鹽時(shí)也能降低脫氮對(duì)碳源的需求量，強(qiáng)化污水脫氮效率。對(duì)于厭氧氨氧化工藝，主要應(yīng)用于高氨氮廢水，因?yàn)閮H需50%左右的氨氮氧化為亞硝酸鹽，所以其需氧量更低，能夠?qū)崿F(xiàn)高效節(jié)能。近期也開始考慮厭氧氨氧化應(yīng)用于污水處理工藝主體流程的可行性，并開展了系列探索性研究[22]。反硝化除磷工藝主要以硝態(tài)氮為電子受體，實(shí)現(xiàn)同步脫氮除磷，所以也能在很大程度上節(jié)約曝氣能耗。與傳統(tǒng)強(qiáng)化生物除磷相比，反硝化除磷技術(shù)提高碳源利用率50%、節(jié)省曝氣30%、減少污泥產(chǎn)量50%。

污水本身含有的有機(jī)物就是能量載體，所以除污水處理節(jié)能之外，可以考慮污水能源化的實(shí)現(xiàn)。主要途徑包括污水厭氧處理，新型工藝包括膜厭氧處理工藝等[23]。此外，能源回收的重點(diǎn)是強(qiáng)化污水中碳源有機(jī)物轉(zhuǎn)化為生物體，然后通過厭氧發(fā)酵實(shí)現(xiàn)污水碳源的能源化[24]。此領(lǐng)域研究需要針對(duì)我國(guó)污泥或污水特征，進(jìn)一步開發(fā)高效的反應(yīng)器與處理技術(shù)工藝等。

3 結(jié)語(yǔ)及展望

隨著我國(guó)污水處理廠建設(shè)的完善，未來對(duì)污水處理廠運(yùn)行節(jié)能降耗需求會(huì)越來越強(qiáng)烈，尤其是基于精細(xì)化管理和污水處理全程優(yōu)化的理念值得深入實(shí)踐。重點(diǎn)內(nèi)容包括：

1)建立基于污水處理系統(tǒng)節(jié)能降耗的精細(xì)化綜合設(shè)計(jì)、運(yùn)行與管理模式。

2)開發(fā)新型節(jié)能降耗的污水處理工藝。深入研究污水中污染物去除機(jī)制及其功能菌的馴化，開發(fā)新型污水處理工藝，深入推進(jìn)關(guān)于污水處理能源化與資源化的實(shí)踐，也是節(jié)能降耗的技術(shù)途徑之一。

3)基于污水處理工藝過程的模擬與精確控制技術(shù)研究與應(yīng)用。針對(duì)不同工藝，建立相應(yīng)的關(guān)鍵能耗特征指標(biāo)，并開展相應(yīng)的評(píng)價(jià)與優(yōu)化運(yùn)行，也是未來需要深入研究的對(duì)象。

4)基于節(jié)能降耗效能的綜合評(píng)價(jià)方法與體系的建立與應(yīng)用。需要建立基于污水處理全流程的類似生命周期評(píng)價(jià)的理念，全面評(píng)價(jià)節(jié)能降耗的影響，全面評(píng)價(jià)能耗降低的途徑。此外，也需要從可持續(xù)發(fā)展角度，全面分析能耗的影響，引入包括環(huán)境、經(jīng)濟(jì)和技術(shù)等方面指標(biāo)的評(píng)價(jià)體系。