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提问时间 2013-07-27 12:00
(上海市政工程设计研究总院(集团)有限公司,上海 200092)
摘 要：通过对污水处理厂节能必要性、设计和运行过程中的节能措施分析、国外污水厂节能实施实例的介绍，对我国污水处理厂的设计运行提供借鉴。
关键词：污水处理厂；节能；改造
1 污水处理厂节能必要性
根据住房和城乡建设部统计，截至2010年底，全国设市城市、县城及部分重点建制镇（以下简称“城镇”）累计建成城镇污水处理厂2631座，污水处理能力达到1.25亿m3/d，运行负荷率为76.46%，正在建设的城镇污水处理项目达1849个，总设计能力约3760万m3/d。
同时，根据国务院办公厅2012年4月颁布的《“十二五”全国城镇污水处理及再生利用设施建设规划》，“十二五”期间各项建设任务目标为：新建污水管网15.9万公里，新增污水处理规模4569万m3/d，升级改造污水处理规模2611万m3/d，新建污泥处理处置规模518万吨（干泥）/年，新建污水再生利用设施规模2675万m3/d。到2015年，污水处理率进一步提高，城市污水处理率达到85%（直辖市、省会城市和计划单列市城区实现污水全部收集和处理，地级市85%，县级市70%），县城污水处理率平均达到70%，建制镇污水处理率平均达到30%。直辖市、省会城市和计划单列市的污泥无害化处理处置率达到80%，其他设市城市达到70%，县城及重点镇达到30%。同时规定，到2015年，城镇污水处理厂投入运行一年以上的，实际处理负荷不低于设计能力的60%，三年以上的不低于75%。
通常污水处理厂运行的电耗为0.2~0.4kwh/吨水，并且随着国家和地方的排放标准日益提高，对污水处理中氮磷去除的要求以及污泥处理处置会增加污水厂的电耗。如果按0.3kwh/吨水的处理电耗计算，2015年全国污水厂每年的电耗将达到227.8亿度，按0.5元/kwh核算，花在污水处理用电的费用达到114亿元多，污水处理厂如果采取节能措施提高用电效率5%，每年至少可以节约5.7亿元。可见污水处理厂节能的潜力和效益非常可观。
国外对污水处理厂的节能研究非常深入，美国水环境联盟（WEF）有专门的技术手册指导污水处理厂节能管理和改造，美国国家环保署（EPA）专门成立研究小组对美国污水处理厂的节能现状、节能技术进行评估并提出了节能改造的技术方法；荷兰应用水研究基金会（STOWA）下设的研究机构认为，从技术上来说，污水处理设施通过改造完成可以达到能源自给甚至能够提供给外部能源。研究报告推荐采用通过投加化学药剂提高初沉效率，然后从初沉污泥中回收能源的技术使污水厂达到能源自给，目前荷兰已经开始在乌德勒支市进行这方面的尝试，同时其他地方也在考察采用集中污泥处理的方法来回收污泥中的能源。他们还提出了一个NEWater（Nutrient Energy Water）水厂的概念，将回收污水处理过程产生的能源、营养物（主要是磷）和出水（主要回用于冷却水或农业灌溉）的功能同时提出。
荷兰的水务管理部门提出了至2030年水行业每年能耗降低2%的计划，使得污水厂趋向于开发节能以及产能的技术。英国的相关水行业也对此表示关注和兴趣。
2 污水厂节能方法和技术
2.1 节能措施实施方法
首先，要设立专门的能耗管理专业团队，设立能耗管理工程师负责整个污水厂的节能工作，团队成员需包括污水厂的具体运行、维护和管理人员。
其次，要收集污水厂内所有耗能设备的详细数据，建立长期的数据库资料，既可以用来了解、分析和对比所用设备的能耗情况，也可以作为将来节能效果的参照。然后在分析对比的基础上，得出不同工艺和设备的节能潜力，明确可以进行节能改造的对象和达到的节能目标。
然后，针对需要进行节能改造的对象，提出可供选择的节能改造方案，包括投资及回收期的分析，进行多方面比较后确定节能实施方案及具体步骤。并且还应该对不同的节能改造对象进行排序，根据改造措施的实施难易程度以及投资回报情况确定改造对象的先后顺序。在具体实施过程中，应该明确责任和期限，让污水厂的运行、维护和管理人员直接参与改造过程，了解改造内容以及改变的运行方式，改造完成后应对实施效果进行跟踪评估，及时分析节能效果以便确保收到实效。
另外，通常一个运行了20~30年的污水厂需要进行改造，改造时应该考虑施节能措施。
美国国家环保署（EPA）和能源部（DOE）专门推出了一个能源之星（ENERGY STAR）计划来推动全社会各行业（包括个人家庭、公共建筑、政府部门等）的节能减排。其中针对污水厂的节能，EPA在能源之星的网站上提供了一个免费的软件（Portfolio Manager），该软件是在收集了美国国家环保署局监控的许多污水厂能耗数据的基础上进行开发的，污水厂的管理人员只要在网站上登录后输入污水厂的实际运行水量、水质、运行参数和能耗数据后，该软件会计算得出该污水厂的能耗在统计的全国污水厂能耗中的排名得分，分值越高，代表污水厂能耗越低，通过该得分污水厂的运行管理人员就可以了解到自己运行管理的污水厂的节能潜力。同时，该网站还提供了很多在线的培训知识为污水厂管理人员提供节能改造的指导。同时，美国能源部还专门开发了免费的软件提供水泵系统的能效评价，另外网上还有专业的免费软件工具提供电机选择和管理，包括有14个电机厂商的17000种电机的目录。美国国家环保署、能源部和各州政府及各类基金均有对节能项目的资助项目提供给希望进行节能改造的单位进行申请利用。美国水环境研究基金会（WERF）还专门对欧洲的污水厂运行情况进行分析并总结他们的节能措施介绍给美国的污水厂借鉴。
2.2 污水处理厂节能技术措施
针对污水厂的运行，可以通过以下方法减少能耗：
（1）照明、污水厂建筑物或构筑物的供热、通风、空调等采用节能设备；
（2）通过节水措施、改造管道收集系统以及设置调蓄池等方式减小污水厂的负荷；
（3）采用数据采集与监控系统（SCADA）软件对处理工艺进行监控优化等。
（4）回收利用污水厂厌氧消化产生的甲烷气进行发电以及余热回收。
而具体到污水处理各个环节，具体的节能措施分析如下。
2.2.1 水泵节能
污水厂中的污水提升、污水污泥回流、污水污泥排放等均需要水泵，因此，通常水泵的能耗仅次于曝气设施。水泵系统的效率包括水泵自身效率、电机效率以及流量控制效率三个部分的综合效率。如果水泵系统出现以下情况，通常被视为效率较低：
（1）频繁或大范围使用节流阀；
（2）采用旁通流量控制；
（3）频繁进行水泵启闭操作；
（4）水泵系统中出现空化噪声；
（5）运行电机发热；
（6）水泵系统未设任何水量、水压或耗能计量；
（7）水泵无法满足最大流量需求。
通常，污水厂的水泵应该每2~3年进行系统测试，以对水泵效率、电机效率和流量控制效率进行分析改进，确保水泵的高效运行。
水泵的峰值流量发生的概率很小，有时甚至在设计年限内无法达到，而且峰值流量远远大于最小流量。因此，应该根据污水厂的进水规模合理进行污水厂水泵的配置，采用大小泵搭配，平时小泵连续运行在最佳工况点附近，大泵则根据需要间歇运行。
采用变频电机是提高水泵效率的一个方法，根据统计，如果选择合适的变频电机，其投资回收期仅为0.5~5年。当然，是否采用变频电机需要根据流量的变化范围、水泵数量、运行时间以及实施空间等因素综合考虑，通常对水泵系统中的部分水泵进行变频电机更换。
2.2.2 曝气系统节能
通常，曝气系统的能耗占整个污水处理厂能耗的25%~60%，污水处理系统的曝气主要采用扩散曝气或机械曝气方式。对于扩散曝气系统，选择合适的鼓风机以及合理布置曝气器可以有效节能。一般，鼓风系统的调节比应该大于5:1，即系统可以在最大供氧量的1/5容量下运行，否则会造成低需氧量时的能耗浪费。因此，鼓风机的选择也可以考虑大小搭配，或者根据实际需氧量进行更换。曝气器的布置应该满足不同溶解氧的需要，并且减少短流。可以根据池型进行布置，在进水端多布置曝气器，沿池长方向渐减布置。最新的方法是根据在线监测的曝气池DO浓度以及混合液的混合程度进行间歇曝气。对于机械曝气系统，通常采用电机驱动的可调堰来调节水位改变叶轮的浸没深度，在满足供氧要求的同时达到节能效果；也可以通过关闭部分曝气机来达到节能。另外，采用各类新型鼓风机（如磁浮鼓风机、高速无齿轮鼓风机和带进口导叶片和可调出口叶片的单级离心风机等）、曝气器（如超细孔膜式曝气盘、长条式热塑膜曝气器）以及多叶轮机械曝气机（如Eimco公司的双叶轮曝气机，比常规的叶轮曝气机多了一个池底叶轮以满足防止池底沉淀的要求），均能不同程度提高曝气效率，从而节约曝气能耗。
目前曝气系统节能采用最为普遍的是实施DO自动控制系统，根据节能要求在相应的曝气池内设置一个或多个溶解氧探头，根据实际测得的溶解氧值通过SCADA系统收集并反馈到曝气设备以及相应的管路阀门控制系统，通过调节曝气风量及管路的阀门改变充氧量。因此，溶解氧探头的精确度非常重要。应用最广的薄膜电极探头需要定期频繁的校正或更换薄膜，不仅耗时，而且费力。相比之下，采用电镀电极的DO探头减少了维护工作量，能够保证较长时间的精确度，相对比较节能。最新的技术是采用光学探头，其精确度和可维护性更高。另外，对曝气器堵塞情况的监测可以及时发现曝气器的工作状态并实施曝气器的清洗，防止由于曝气器堵塞导致曝气系统能耗浪费。
2.2.3 其他处理技术节能
（1）紫外线消毒
由于氯消毒的卫生、安全操作和出水毒性等原因，紫外线消毒技术在污水处理厂消毒中的应用日益广泛，紫外线消毒的能耗与污水的SS、消毒出水中病菌要求、消毒灯管的布置方式和水流通过的方式以及紫外灯管的清洗间隔等因素有关，合理的设计、运行和清洗程序有助于紫外线消毒系统节能。
（2）膜生物反应器（MBRs）
随着对出水水质要求的提高以及污水厂占地的限制，越来越堵的污水处理厂采用膜生物反应器处理污水。其能够通常与采用的膜的形式、膜生物反应器的运行参数、膜清洗方式以及进水的预处理方式等相关。有报道显示，采用在非高峰流量时间歇曝气清洗方式（即每曝气10秒后停止曝气30秒，反复运行）可以最高将能耗降低50%。
（3）厌氧区和缺氧区搅拌
对于需要脱氮除磷的污水处理厂，厌氧区和缺氧区需要进行搅拌以保证污泥的充分混合。可以采用的节能方式有采用双曲面搅拌机以及脉冲大气泡混合方式。据美国Bowery Bay污水厂的运行结果显示，采用双曲面水下搅拌机比常规的潜水搅拌器节能2/3；而美国佐治亚州的研究结果表明，达到同样混合效果，脉冲混合的能耗仅为常规潜水搅拌设备能耗的一半。
2.2.4 污泥处理节能
污泥厌氧消化产生的沼气可用于发电以补偿污水处处理厂耗电。随着温室气体对环境影响日益受到重视，同时发电机组效率的提高以及电价的逐年提升，污泥作为生物燃料的趋势也逐步显现。原来只使用在大型污水厂的污泥消化气发电，已受到中型污水厂甚至小型污水厂的关注同时，发电过程的余热还可以回收用于污泥干化、建筑供热等。
而且，越来越多的污水厂正在尝试接纳污水厂外的高浓度有机废物来提高消化污泥气的产量。例如，美国德州的Waco污水厂通过接纳外部的高浓度废物后，消化污泥气的产量提高了30%，通过污泥气发电可以提供厂内30%的用电需求，同时为污泥干化提供燃料。美国衣阿华州的Des Moines污水厂通过接收外来的高浓度有机废物，不仅可以收取有机废物接纳费，还可以将产生的污泥气出售给附近的工业企业，消化池中挥发性固体负荷的40%来自外来有机废物。随着污泥脱水和焚烧技术的发展，污泥的热值可以满足污泥焚烧无需外来能源，焚烧产生的余热可以回收产生蒸汽进行利用。
3 国外污水厂节能改造案例
3.1 奥地利Strass污水处理厂
该厂于1999年投入运行，服务人口为夏季60,000人，冬季（旅游季节）达250,000人，设计最大规模为3.785×104m3/d（10mgd），采用AB法工艺（包括生物脱氮和化学除磷）以满足出水的氮磷要求，其中A段去除55-65%的有机负荷，污泥泥龄采用0.5 d，而B段的泥龄为10 d，在出水氨氮浓度达到最大值5 mg/l时，脱氮效率约80%，B段的生物反应池分为缺氧区和好氧区，均设置曝气设施，在需要时整个反应池均可以好氧曝气，充氧过程由在线的氨氮测定浓度来控制。剩余污泥采用浓缩、厌氧消化和脱水处理，经过10年左右不断的改进和升级，至2005年，通过沼气发电产生的电能达 8,500 kWh/d ，而污水厂运行的实际电耗为 7,869 kWh/d，多余的电能可为周围的社区供电。该厂的经验是：运行管理人员的教育程度、经验都很高，污水厂的自动化程度很高，采用高级的工艺分析工具，管理运行人员对采用的各类新工艺和新技术有很透彻的了解，并且有很强的动力进行污水厂的节能改造。
3.2 美国威斯康辛州DePere污水处理厂
该厂始建于1930年代，最初的处理工艺是一级处理，1964年升级改造为二级处理和出水氯消毒。1970年代末，污水厂再次升级改造，采用能生物除磷的二段活性污泥法，重力砂滤深度处理，污泥脱水后焚烧，出水液氯消毒，设计处理水量5.4×104m3/d，平均日处理量为3.0×104m3/d。1997年，由液氯消毒改为紫外线消毒，1998年将进水粗格栅改造为细格栅，2000年将重力砂滤改为单介质多级反冲洗滤池，2002年将污泥气浮浓缩改造为重力带式浓缩和带式压滤。污水厂最近的一次改造是2004年，由于原有的第一段生物处理供氧的5台多级离心鼓风机（单机功率为330kW）已经达到使用年限，污水厂管理人员从保证供氧效率、减少维修费用等多方面考虑，确定用6台高速磁浮轴承涡轮鼓风机（单机功率为240kW）替代，改造投资为850,000美元（包括将原有的2400V中压供电系统改造为380V低压供电系统），改造后鼓风机的电耗为106,250美元/年，比改造前减少63,758美元/年（减少约38%），同时鼓风机的噪声也由原来的100dBA降为75dBA，而涡轮鼓风机的循环冷却排风的余热也通过循环到厂内建筑的供热系统加以利用，该厂是美国第一家采用磁浮轴承涡轮鼓风机的污水厂。
3.3 美国Oxnard污水处理厂
该厂始建于1970年代，采用一级强化处理工艺，1977年升级改造增加生物滤池，1989年再次增加活性污泥系统，该厂设计规模为12×104m3/d。2003年~2005年，污水厂进行了一系列的节能改造。首先，污水厂在污泥混合液回流槽和回流污泥井分别增设了TSS计量仪，其次将原有的超过使用年限的DO测定仪替换为带光纤传感的DO测定仪，随后采用SRTmaster软件对污水厂的污泥停留时间（SRT）进行实时控制，通过厂内的SCADA系统，软件能够及时发现污水厂实际运行中的在线测定设备的故障、污水厂处理负荷的变化以及生物反应池污泥流失等问题，从而有效控制污水厂的剩余污泥排泥量，改善污泥浓缩池的浓缩效率；同时将原来的鼓风机风压控制系统改为采用DOmaster软件进行DO优化控制，使得生物反应池的DO得到非常精细的控制。另外，采用OPTImaster软件对每个生物反应池模拟确定运行的最佳SRT和DO值。上述改造总投资为135,000美元(包括软件费、仪表设备费及安装费等)，改造后污水厂的出水水质得到了改善，鼓风机的能耗每年降低了306,000kWh（约20%），折算为26,980美元/年，同时由于污泥沉降性能的改善，每年节约的污泥处理药剂费为7,500美元；另外，由于采用在线监测和自动化控制，可以节约的人工费折算约18,250美元/年，上述3项合计为52,730美元/年。
3.4 美国Western Branch污水处理厂
该厂建于1966年，为满足服务人口的增加以及排放标准的提高，污水厂经历了多次升级改造。目前，污水厂处理规模为11.4×104m3/d，污水处理采用外加碳源的脱氮工艺，污泥采用多炉膛焚烧炉（MHFs）焚烧处理（建于1974年），处理能力为26 吨干泥/天。2001年，随着烟气排放标准的提高，MHFs的处理能力降低为12吨干泥/天，尾气需要采用天然气进行二次燃烧处理后排放。2009年~2010年，污水处理厂对2台多炉膛焚烧炉进行节能改造，改造内容包括：增加烟气循环系统改善焚烧效率，增设气体热交换器回收焚烧气体余热，在焚烧炉进气口前增设圆槽型射流装置以改善焚烧气体和燃料的混合度，另外，对燃烧飞灰采用空气冷却。改造总投资为4,500,000美元，改造后污泥焚烧的能源消耗（主要是天然气的费用）由525,000美元/年降低至125,000美元/年(降低了76%)，同时MHFs的处理能力提高为17~19吨干泥/天，缓解了污泥处理设施的扩建压力。
4 结语
随着全球能源危机的加剧，作为节能减排的重要内容的污水处理设施，在污水处理厂的设计、运行和升级改造过程中，应该因地制宜的考虑节能措施的应用，充分发挥污水处理厂的经济效益和环境效益，促进社会经济的可持续发展。
