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%。