我國城鎮汙水處理廠節能降耗研究現狀及發展趨勢

我國城鎮汙水處理發展現狀

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

我國汙水處理廠從2006年起數量直線增加，而2010年後增長速度有所降低。截至2014年底
，全國設市城市、縣累計建成汙水處理廠3 717座，汙水處理能力1.57×108 m3/d，我國城鎮汙水處理廠建設已覆蓋大部分生活範圍，未來汙水處理廠建設數量將會放緩，但汙水處理量在一定時期內仍會有所增加。

按照楊淩波等[1]統計的我國汙水處理平均能耗為0.29 kWh/m3，根據國家能源局發布的2014年全社會用電總量為55 233億kWh
，得到汙水處理占全社會用電量的比例約為0.3%。

汙水處理廠能耗主要包括直接能耗和間接能耗
，其中直接能耗為用於曝氣鼓風機、提升泵、回(hui)流(liu)泵(beng)等(deng)運(yun)行(xing)所(suo)需(xu)要(yao)的(de)電(dian)能(neng)，間(jian)接(jie)能(neng)耗(hao)包(bao)括(kuo)化(hua)學(xue)除(chu)磷(lin)以(yi)及(ji)汙(wu)泥(ni)脫(tuo)水(shui)等(deng)投(tou)加(jia)的(de)化(hua)學(xue)藥(yao)品(pin)等(deng)。一(yi)般(ban)而(er)言(yan)，在(zai)二(er)級(ji)處(chu)理(li)工(gong)藝(yi)電(dian)耗(hao)中(zhong)
，汙(wu)水(shui)提(ti)升(sheng)占(zhan)10%～20%，生物處理占50%～70%，汙泥處理處置占10%～25%

，此三部分所占比例在70%以上[2]。現今我國汙水處理隨著排放標準的提高
，很多汙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汙水處理廠運行能耗為例，其前處理、二級處理、深度處理和汙泥處理能耗所占比例分別為8.2%
、65.7%
、20.7%和5.4%，其中汙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，汙水處理廠節能降耗關鍵點在提升泵和鼓風曝氣兩個方麵。

2汙水處理節能降耗發展現狀

根gen據ju以yi上shang分fen析xi

，現xian有you節jie能neng降jiang耗hao的de可ke能neng包bao括kuo對dui現xian有you工gong藝yi或huo者zhe設she備bei運yun行xing進jin行xing完wan善shan，降jiang低di運yun行xing能neng耗hao。此ci外wai，節jie能neng降jiang耗hao也ye可ke以yi從cong汙wu水shui處chu理li工gong藝yi優you化hua和he其qi所suo含han能neng源yuan進jin行xing回hui收shou

，由you此ci降jiang低di汙wu水shui處chu理li廠chang運yun行xing能neng耗hao。

2.1汙水提升泵節能降耗研究及其應用

汙(wu)水(shui)處(chu)理(li)廠(chang)進(jin)水(shui)均(jun)處(chu)於(yu)管(guan)網(wang)係(xi)統(tong)末(mo)端(duan)，其(qi)高(gao)程(cheng)相(xiang)對(dui)較(jiao)低(di)
，所(suo)以(yi)需(xu)要(yao)用(yong)提(ti)升(sheng)泵(beng)將(jiang)汙(wu)水(shui)提(ti)升(sheng)至(zhi)處(chu)理(li)係(xi)統(tong)中(zhong)
，此(ci)過(guo)程(cheng)耗(hao)能(neng)較(jiao)多(duo)，是(shi)節(jie)能(neng)降(jiang)耗(hao)的(de)重(zhong)要(yao)節(jie)點(dian)之(zhi)一(yi)。目(mu)前(qian)我(wo)國(guo)汙(wu)水(shui)處(chu)理(li)廠(chang)泵(beng)能(neng)耗(hao)較(jiao)高(gao)的(de)原(yuan)因(yin)包(bao)括(kuo)電(dian)機(ji)效(xiao)率(lv)低(di)
、設計能力與運行能力不符、shuiliangbodongdaheyunxingkongzhiguanlinenglidideng。wushuitishengjiaodudejienengjianghaoxuyaocongwushuitishengxitongjinxingquanmiandefenxi。shouxian，zaiwushuichuligongyishejijieduan
，xuyaoquanmiantiaoyanxianyouguanwangxitonghewushuichuliquanliuchengsheshi，jinkenengjiangdixuyaotishengdewushuisuichulisheshidegaochengcha，bingkaolvcaiyongyanmeiliumoshi。qici，xuyaogenjuwushuitishengliangjiqibianhuatezheng，xuanzeheshidebengjiqizuhefangshi。genjuguandaoxitongyouqishiwushuiliuliangdebianhuatexingquxianxuanzeheshidebeng，manzubengyunxingdegaoxiaoyunxingxiaolvqujianbingzaigaoshuiweitiaojianxiayunxing。genjuwushuichuliliang、揚程、水(shui)頭(tou)損(sun)失(shi)和(he)泵(beng)功(gong)率(lv)等(deng)，選(xuan)擇(ze)合(he)適(shi)高(gao)效(xiao)的(de)泵(beng)組(zu)合(he)

，包(bao)括(kuo)設(she)置(zhi)帶(dai)變(bian)頻(pin)調(tiao)速(su)器(qi)等(deng)的(de)變(bian)頻(pin)泵(beng)與(yu)固(gu)定(ding)功(gong)率(lv)泵(beng)之(zhi)間(jian)的(de)配(pei)比(bi)與(yu)調(tiao)控(kong)
，降(jiang)低(di)水(shui)泵(beng)運(yun)行(xing)軸(zhou)功(gong)率(lv)
，同(tong)時(shi)避(bi)免(mian)泵(beng)的(de)頻(pin)繁(fan)開(kai)啟(qi)而(er)降(jiang)低(di)其(qi)使(shi)用(yong)壽(shou)命(ming)。再(zai)者(zhe)
，注(zhu)重(zhong)泵(beng)和(he)電(dian)機(ji)之(zhi)間(jian)的(de)匹(pi)配(pei)度(du)，強(qiang)化(hua)電(dian)機(ji)的(de)高(gao)效(xiao)運(yun)行(xing)。另(ling)外(wai)，注(zhu)重(zhong)管(guan)道(dao)設(she)計(ji)，保(bao)障(zhang)係(xi)統(tong)結(jie)構(gou)緊(jin)湊(cou)與(yu)運(yun)行(xing)流(liu)暢(chang)，減(jian)少(shao)彎(wan)管(guan)和(he)管(guan)道(dao)長(chang)度(du)，降(jiang)低(di)管(guan)道(dao)輸(shu)運(yun)係(xi)統(tong)的(de)阻(zu)力(li)和(he)能(neng)耗(hao)。最(zui)後(hou)，需(xu)要(yao)注(zhu)重(zhong)工(gong)藝(yi)運(yun)行(xing)管(guan)理(li)與(yu)設(she)備(bei)維(wei)護(hu)
，降(jiang)低(di)運(yun)行(xing)係(xi)統(tong)的(de)滴(di)漏(lou)、結垢與機械磨損等
，保障設備和係統在高效條件下運轉。

我國各汙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製技術。許光濘等[3]采用部分變頻泵作為調速泵的控製
，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%
，對中小型汙水處理廠，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並結合出水管流量計反饋控製潛水泵變頻運行，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台潛水泵

，其中一台為變頻泵，並設置1台超聲波液位計控製實際水位
，得到變頻控製節能效率為39%～56%。對於變頻器的選擇與否，劉禮祥等[7]認為當處理水量變化較大且後續處理抗衝擊負荷能力較弱時

，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]采用基於泵站編組輪換算法和動態液位控製算法的進水提升泵智能控製方法
，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台數，達到節能效率20%。

2.2汙水生物處理曝氣節能降耗技術及其應用

汙水中汙染物去除主要通過微生物生化代謝過程實現。我國汙水處理生化工藝主要包括A2O工藝、氧化溝工藝和SBR工藝[8]。weishengwuquchuwuranwudeshenghuadaixieguochengxuyaocunzaidianzishouti
，ciguochengzhuyaotongguopuqigongyangtigong。yinci，youxiaopuqishishixianwuranwuquchuhewushuiyouxiaochulidezhongyaobaozhangshouduan。ciwai，zaiwuranwuquchudeguochengzhongruA2Ofanxiaohuatuodanxuyaohunheyehuiliutigongxiaotaidanzuoweidianzishouti，erzaihuaxuechulinguochengzhongxuyaotoujiahuaxueyaojiqianghuahuaxuechendiandengyehuichanshengyidingdenenghao。puqikongzhishiwushuishengwuchuliguochengzhongjienengjianghaodeguanjianjiedian
，tujingbaokuopuqizhuangzhi
、曝氣管布置、曝氣供給模式等方式的優化。

曝氣風機主要包括羅茨風機和TURPO風(feng)機(ji)

，前(qian)者(zhe)主(zhu)要(yao)通(tong)過(guo)變(bian)頻(pin)控(kong)製(zhi)風(feng)量(liang)一(yi)般(ban)為(wei)中(zhong)小(xiao)型(xing)汙(wu)水(shui)處(chu)理(li)廠(chang)所(suo)采(cai)用(yong)
，而(er)後(hou)者(zhe)主(zhu)要(yao)通(tong)過(guo)風(feng)機(ji)導(dao)葉(ye)開(kai)度(du)和(he)開(kai)啟(qi)台(tai)數(shu)進(jin)行(xing)曝(pu)氣(qi)控(kong)製(zhi)。對(dui)於(yu)曝(pu)氣(qi)方(fang)式(shi)，現(xian)今(jin)A2O和SBR工藝一般采用微孔曝氣，而氧化溝一般采用轉刷曝氣或倒傘式曝氣等。微孔曝氣主要通過產生直徑為1.5～3.0 mm的(de)微(wei)氣(qi)泡(pao)強(qiang)化(hua)傳(chuan)氧(yang)效(xiao)率(lv)
，降(jiang)低(di)曝(pu)氣(qi)能(neng)耗(hao)。由(you)於(yu)微(wei)孔(kong)曝(pu)氣(qi)能(neng)夠(gou)強(qiang)化(hua)傳(chuan)氧(yang)效(xiao)率(lv)，所(suo)以(yi)現(xian)今(jin)很(hen)多(duo)氧(yang)化(hua)溝(gou)工(gong)藝(yi)的(de)升(sheng)級(ji)改(gai)造(zao)也(ye)開(kai)始(shi)采(cai)用(yong)底(di)部(bu)微(wei)孔(kong)曝(pu)氣(qi)。魏(wei)建(jian)文(wen)等(deng)[10]對氧化溝工藝進行改造，由豎軸表麵曝氣改造為可變微孔曝氣器和潛水推流器推流相結合的係統
，實現單位汙水處理能耗降低23%～45%。曝pu氣qi方fang式shi一yi般ban包bao括kuo單dan邊bian曝pu氣qi和he全quan麵mian曝pu氣qi。以yi往wang認ren為wei單dan邊bian曝pu氣qi能neng夠gou減jian小xiao風feng量liang，但dan實shi踐jian證zheng明ming全quan麵mian曝pu氣qi能neng夠gou實shi現xian均jun勻yun小xiao漩xuan渦wo，形xing成cheng局ju部bu混hun合he，強qiang化hua小xiao氣qi泡pao的de傳chuan遞di，具ju有you更geng好hao地di傳chuan氧yang效xiao率lv。魏wei全quan源yuan和he李li辰chen[11]認為當均采用微孔全麵曝氣時，采用微孔盤式曝氣頭比穿孔管節能20%以上。

除曝氣裝置與曝氣方式外，曝氣量的供給方式是節能降耗的關鍵研究對象。曝氣量過小
，將影響汙水處理出水水質;曝氣量過大，則造成能量浪費和影響活性汙泥絮體結構和沉降性。曝氣節能核心是在保證生化處理過程有效去除汙染物、baozhangchushuishuizhideqiantixia，anxutigongsuoxudianzishoutirongjieyang
，dadaosuoxuyugonggeizhijiandepingheng，bimianpuqinenghaodelangfei。congjiangdinenghaojiaodulaikan，zhuyaobaokuokongzhihaoyangquhengdingrongjieyangfangzhiguodupuqi

、按汙水處理流程需氧量逐漸降低設置梯度降低曝氣量(如35%、30%和25%)、根據出水氨氮濃度設置曝氣量等。傳統活性汙泥生化處理工藝中曝氣主要是去除COD和進行硝化反應，所以供氧量的計算也主要是考慮此兩個生化過程。黃浩華等[12]研究得到可以通過控製好氧區DO質量濃度在2～3 mg/L避免過度曝氣，或者通過工藝調節減少好氧區長度而降低能耗17.1%
，後者同時能夠提高TN去除效率。劉禮祥等[13]通過精確曝氣控製生化段，采用DO信號接入控製櫃並由編程轉化為風壓值，進而采用風壓控製曝氣量，實現節能27.95%;此外，對於氧化溝工藝采用轉刷時序控製也能降低處理單位能耗。張榮兵等[14]采用優化曝氣流量控製係統於A2O工藝
，有效控製好氧區DO質量濃度，其噸水處理能耗由改造前的0.149 3 kWh降低到改造後的0.132 6 kWh
，節能11.2%
，而且出水水質能夠很好地達到一級A標準。李建勇等[15]采用曝氣流量控製係統實現對DO的控製
，采用控製技術後處理能耗由0.38 kWh/m3降低到0.25 kWh/m3。謝繼榮等[16]針對常規曝氣控製係統存在進水波動條件下DO濃度波動範圍也較大的特征，提出了基於溶解氧和需氣量串級控製的曝氣優化控製方法
，能夠進一步降低工藝運行能耗8.8%。針對現有DO控製係統對低DO控製效果較差的特點

，楊新宇等[17]開發出新型DO控製係統，能夠很好地控製工藝中低DO濃度，應用於工藝後處理能耗由0.12 kWh/m3降低到0.096 kWh/m3。對於鼓風機控製，其中一個關鍵因素是避免曝氣鼓風機喘振問題。馬金峰等[18]指出控製鼓風機出口壓力是解決喘振現象從而實現DO自動控製的必要條件，並且采用低DO和出水氨氮濃度控製能夠實現係統的高效自動控製和節能降耗。此外，還可以通過ORP和pH控製汙水處理過程，實現精確曝氣目的

，但此方法波動較大並沒有得到很好的實際應用。

我國汙水處理工藝普遍存在曝氣量設計遠大於實際需求量的現狀，也即好氧段可以大大縮短以降低好氧能耗。鮑林林等[19]對氧化溝工藝好氧段進行改造
，主要是改造好氧段前段為缺氧區，控製出水DO質量濃度為1～1.5 mg/L

，不但提高了出水水質，而且處理能耗降低為0.241 kWh/m3，比改造前降低20%以上。此外
，通過工藝內設備優化運行也能有效降低能耗。原建光等[20]采用低氧(0.5～0.8 mg/L)條件下運行汙水處理工藝，也達到很好的汙水出水水質
，並實現節能的目標。楊敏等[21]對汙水處理工藝進行分析，通過降低生物池攪拌功率密度實現攪拌單元節能效率50%。除(chu)工(gong)藝(yi)優(you)化(hua)運(yun)行(xing)之(zhi)外(wai)，可(ke)以(yi)考(kao)慮(lv)電(dian)力(li)使(shi)用(yong)高(gao)峰(feng)低(di)穀(gu)時(shi)間(jian)段(duan)，結(jie)合(he)汙(wu)水(shui)處(chu)理(li)廠(chang)廠(chang)網(wang)綜(zong)合(he)調(tiao)控(kong)與(yu)協(xie)同(tong)優(you)化(hua)汙(wu)水(shui)處(chu)理(li)工(gong)藝(yi)的(de)運(yun)行(xing)，降(jiang)低(di)耗(hao)電(dian)費(fei)用(yong)。

2.3優化或革新的汙水處理節能降耗新技術研究

隨sui著zhe對dui汙wu水shui處chu理li工gong藝yi功gong能neng菌jun的de深shen入ru研yan究jiu，逐zhu漸jian提ti出chu能neng夠gou從cong工gong藝yi角jiao度du實shi現xian節jie能neng的de新xin型xing汙wu水shui處chu理li工gong藝yi。主zhu要yao包bao括kuo基ji於yu短duan程cheng硝xiao化hua的de汙wu水shui脫tuo氮dan工gong藝yi

、反硝化除磷工藝以及厭氧氨氧化工藝等。短程硝化工藝因為僅僅硝化氨氮到亞硝酸鹽而非硝酸鹽，所以可以節約能耗25%
，tongshi

，fanxiaohuayaxiaosuanyanerfeixiaosuanyanshiyenengjiangdituodanduitanyuandexuqiuliang，qianghuawushuituodanxiaolv。duiyuyanyanganyanghuagongyi，zhuyaoyingyongyugaoandanfeishui，yinweijinxu50%左(zuo)右(you)的(de)氨(an)氮(dan)氧(yang)化(hua)為(wei)亞(ya)硝(xiao)酸(suan)鹽(yan)，所(suo)以(yi)其(qi)需(xu)氧(yang)量(liang)更(geng)低(di)，能(neng)夠(gou)實(shi)現(xian)高(gao)效(xiao)節(jie)能(neng)。近(jin)期(qi)也(ye)開(kai)始(shi)考(kao)慮(lv)厭(yan)氧(yang)氨(an)氧(yang)化(hua)應(ying)用(yong)於(yu)汙(wu)水(shui)處(chu)理(li)工(gong)藝(yi)主(zhu)體(ti)流(liu)程(cheng)的(de)可(ke)行(xing)性(xing)
，並(bing)開(kai)展(zhan)了(le)係(xi)列(lie)探(tan)索(suo)性(xing)研(yan)究(jiu)[22]。反(fan)硝(xiao)化(hua)除(chu)磷(lin)工(gong)藝(yi)主(zhu)要(yao)以(yi)硝(xiao)態(tai)氮(dan)為(wei)電(dian)子(zi)受(shou)體(ti)
，實(shi)現(xian)同(tong)步(bu)脫(tuo)氮(dan)除(chu)磷(lin)，所(suo)以(yi)也(ye)能(neng)在(zai)很(hen)大(da)程(cheng)度(du)上(shang)節(jie)約(yue)曝(pu)氣(qi)能(neng)耗(hao)。與(yu)傳(chuan)統(tong)強(qiang)化(hua)生(sheng)物(wu)除(chu)磷(lin)相(xiang)比(bi)，反(fan)硝(xiao)化(hua)除(chu)磷(lin)技(ji)術(shu)提(ti)高(gao)碳(tan)源(yuan)利(li)用(yong)率(lv)50%

、節省曝氣30%
、減少汙泥產量50%。

汙wu水shui本ben身shen含han有you的de有you機ji物wu就jiu是shi能neng量liang載zai體ti
，所suo以yi除chu汙wu水shui處chu理li節jie能neng之zhi外wai
，可ke以yi考kao慮lv汙wu水shui能neng源yuan化hua的de實shi現xian。主zhu要yao途tu徑jing包bao括kuo汙wu水shui厭yan氧yang處chu理li

，新xin型xing工gong藝yi包bao括kuo膜mo厭yan氧yang處chu理li工gong藝yi等deng[23]。此外，能源回收的重點是強化汙水中碳源有機物轉化為生物體
，然後通過厭氧發酵實現汙水碳源的能源化[24]。此領域研究需要針對我國汙泥或汙水特征，進一步開發高效的反應器與處理技術工藝等。

3結語及展望

suizhewoguowushuichulichangjianshedewanshan，weilaiduiwushuichulichangyunxingjienengjianghaoxuqiuhuiyuelaiyueqianglie
，youqishijiyujingxihuaguanlihewushuichuliquanchengyouhuadelinianzhideshenrushijian。zhongdianneirongbaokuo：

1)建立基於汙水處理係統節能降耗的精細化綜合設計
、運行與管理模式。

2)kaifaxinxingjienengjianghaodewushuichuligongyi。shenruyanjiuwushuizhongwuranwuquchujizhijiqigongnengjundexunhua，kaifaxinxingwushuichuligongyi，shenrutuijinguanyuwushuichulinengyuanhuayuziyuanhuadeshijian

，yeshijienengjianghaodejishutujingzhiyi。

3)基(ji)於(yu)汙(wu)水(shui)處(chu)理(li)工(gong)藝(yi)過(guo)程(cheng)的(de)模(mo)擬(ni)與(yu)精(jing)確(que)控(kong)製(zhi)技(ji)術(shu)研(yan)究(jiu)與(yu)應(ying)用(yong)。針(zhen)對(dui)不(bu)同(tong)工(gong)藝(yi)
，建(jian)立(li)相(xiang)應(ying)的(de)關(guan)鍵(jian)能(neng)耗(hao)特(te)征(zheng)指(zhi)標(biao)，並(bing)開(kai)展(zhan)相(xiang)應(ying)的(de)評(ping)價(jia)與(yu)優(you)化(hua)運(yun)行(xing)，也(ye)是(shi)未(wei)來(lai)需(xu)要(yao)深(shen)入(ru)研(yan)究(jiu)的(de)對(dui)象(xiang)。

4)基(ji)於(yu)節(jie)能(neng)降(jiang)耗(hao)效(xiao)能(neng)的(de)綜(zong)合(he)評(ping)價(jia)方(fang)法(fa)與(yu)體(ti)係(xi)的(de)建(jian)立(li)與(yu)應(ying)用(yong)。需(xu)要(yao)建(jian)立(li)基(ji)於(yu)汙(wu)水(shui)處(chu)理(li)全(quan)流(liu)程(cheng)的(de)類(lei)似(si)生(sheng)命(ming)周(zhou)期(qi)評(ping)價(jia)的(de)理(li)念(nian)，全(quan)麵(mian)評(ping)價(jia)節(jie)能(neng)降(jiang)耗(hao)的(de)影(ying)響(xiang)，全(quan)麵(mian)評(ping)價(jia)能(neng)耗(hao)降(jiang)低(di)的(de)途(tu)徑(jing)。此(ci)外(wai)，也(ye)需(xu)要(yao)從(cong)可(ke)持(chi)續(xu)發(fa)展(zhan)角(jiao)度(du)，全(quan)麵(mian)分(fen)析(xi)能(neng)耗(hao)的(de)影(ying)響(xiang)，引(yin)入(ru)包(bao)括(kuo)環(huan)境(jing)

、經濟和技術等方麵指標的評價體係。