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摘要：鉴于我国城市污水处理厂运行费用偏高而导致部分污水处理厂不能全产运行的状况，调查了新乡市两种常用污水处理工艺（A2/O、氧化沟）的实际运行状况，分析了其能耗构成及能耗损失的环节和原因，探讨了城市污水处理厂节能降耗的途径，为以后污水处理厂的设计和运行提供借鉴。
关键词：污水处理厂 能耗 节能降耗
近年来，我国建成了大量的城市污水处理厂，为削减污染物排放总量、减轻环境负担并改善水环境状况起到了关键性作用。但是由于系统能耗较大、运行费用偏高，尤其是在西北地区，因为经济和气候等差异造成处理工艺能耗水平差别较大，导致部分污水处理厂因经费问题不能全产运行[1]。据统计[2]，我国近20年来新建城市污水处理厂499座，其中有125座采用A2/O工艺，占到25.1%，有151座采用氧化沟工艺，占到30.3%，可见A2/O和氧化沟工艺是我国新建城市污水处理厂的常用工艺，因此本文就新乡市采用A2/O和氧化沟工艺的两座污水处理厂的实际运行状况进行了调查，分析了其能耗构成及能耗损失的环节和原因，探讨了城市污水处理厂的节能途径，旨在为今后的设计和运行提供借鉴。
一、工艺介绍及能耗点分析
A2/O工艺流程，其产生能耗的环节主要包括：格栅机、提升泵、沉砂池曝气、A2/O的O段曝气、A1段污泥回流、A2段混合液回流、污泥提升、污泥脱水等。氧化沟工艺流程，其产生能耗的环节主要包括：格栅机、提升泵、沉砂池、氧化沟曝气及污泥回流、污泥提升、污泥脱水等。
二、能耗结构分析
根据对实际运行状况的现场调查，将上述两种工艺的各环节设备运行功率进行统计，见表1，经计算得到两种工艺处理单位水量的耗电量分别为0.31kw.h/m3、0.37kw.h/m3。从各个环节电耗的比例来看，电耗主要发生在污水提升系统、生物处理单元的供氧系统、污泥处理系统，这三个环节电耗在A2/O工艺的总电耗中所占的比例为27.6%、54.1%、11.8%，在氧化沟工艺的总电耗中所占的比例为24.5%、55.4%、15.8%。
1.污水提升系统的能耗
污水提升系统主要将粗格栅后的原水提升至高位配水井以满足后续单元自流进水，所以提升系统的能耗受提升高度和提升泵运行效率的影响。由表1可知，所调查的A2/O工艺和氧化沟工艺的污水提升系统的电耗占污水处理系统总电耗的27.6%和24.5%。两种工艺的提升泵房都安装有5台同型号水泵（3用2备），是以最不利工况进行的水泵选型，即以最大流量和扬程作为主要考虑因素，再乘以保险系数进行选型的，从而使得富裕流量、功率、扬程大大增加。实际上，多数时间下污水厂的进水流量不是最大流量，导致水泵长时间处于低效区，这种情况必然造成投资和能耗都偏高。
2.曝气系统的能耗
曝气的主要目的是为了使生物处理单元内保持一定溶解氧浓度从而维持微生物的正常生理活动，一般情况下生化池内溶解氧浓度应保持在2.0～4.0mg/L[3]。
图3是2011年3月～2013年2月间对两种工艺的生物处理单元的溶解氧浓度实际检测值（每月检测3次共36组数据）。从中发现，氧化沟工艺溶解氧浓度保持在2.0～3.0mg/L，而A2/O工艺大部分时段内溶解氧浓度都偏高，其好氧池内溶解氧在多数时段内都远远超过4mg/L，甚至高达7mg/L，这不仅容易引起有机污物分解过快使微生物缺乏营养、污泥易于老化，而且将导致能耗较大，造成能源浪费。
3.污泥处理系统的能耗两种工艺的污泥处理系统的电耗占污水处理厂工艺总电耗的12%以上，也是主要的能耗点。所调查的A2/O工艺和氧化沟工艺的脱水车间分别有3台、4台带式压滤脱水机，采用轮流工作。通过对脱水机设计处理量与实际污泥处理量比较，发现两种工艺的压滤机大部分时间都不在高效段运转，明显存在能耗浪费。
另外，污泥脱水系统所投加的PAM也是引起污水厂运行费用高的主要原因，一般情况下，PAM投加比例约为污泥干重的0.2%～0.3%就能达到满意的絮凝效果，脱水后泥饼含水率能达到国家标准要求[4]。所调查两种工艺的PAM 投加量情况见图6，从图中可以看出，A2/O 工艺的PAM 投加比例约为0.37%～0.78%，氧化沟工艺PAM 投加比例约为0.35%～0.52%，两种工艺的PAM 投加量都偏大，是造成整体运行费用偏高的又一原因。
三、节能途径探讨
1.提升泵的节能途径
提升泵是污水处理厂动力消耗的重要部分，其节能首先应从设计入手，进行节能设计，途径包括：①精确计算水头损失，合理确定水泵扬程。②合理搭配定速泵和变速泵，以适应流量变化。污水厂进水量往往随时间、季节波动，如果按目前通行的以最大流量作为选泵依据，水泵全速运转时间约占10%，大部分时间都无法高效运转，造成能量浪费。
2.曝气系统的节能途径
由于曝气系统向曝气池供氧具有多变量、高相关、非稳态、大滞后等特点，国内大部分污水厂是通过操作人员对当前工艺运行情况和溶解氧测定值与设定值的偏差分析，根据经验调节曝气设备的开启度来控制池内的溶解氧浓度以适应微生物反应需求，这种方法对溶解氧的调整大大滞后于系统的需求变化，严重影响处理效果。为了保证处理效果，设计人员选择风机时往往要在计算需气量基础上加上一个足够大的安全系数，过量供氧以满足最大负荷时的需要，从而造成曝气量与实际需气量相差过大，使得曝气单元能耗较高。借鉴国外的经验[5]合理的方法是对溶解氧进行在线检测，及时反馈给供氧系统及设备以同步调整，将曝气系统设计为定速加变速相结合的组合方式：①定速设备按平均供氧量选择，定速运转以满足基本需氧量；②调速设备变速运转以适应需氧量的变化；③需氧量波动较大时通过增减运转台数作为补充。
3.污泥处理系统节能途径
污泥处理系统的能耗主要是由于脱水机选择过大而造成大部分时间不在高效段工作，同时，为了提高污泥的脱水性能而投加过量的絮凝剂。因此设计人员应该精确计算污泥产量及含水率等，合理选择脱水机的台数和能力，最好通过试验来确定絮凝剂的投加量。
四、结论
城市污水处理厂的能耗主要发生在污水提升系统、生物单元的供氧系统和污泥处理系统三部分，分别占工艺总电耗的24%、55%和12%以上，是污水处理厂节能降耗的主要环节。提升泵的扬程要通过精确计算水头损失来确定，不宜采取估算方法，并且采取定速泵和变速泵搭配组合的措施以适应流量变化和节能。供氧设备的运行应以生物处理单元对溶解氧的需求量为依据，采取在线检测并反馈控制曝气设备的开启数量及运行功率。脱水设备尽量控制在高效段运行，絮凝剂的投加量应结合污泥性质的变化通过实验及时调整。
参考文献
[1]徐晓宇，李春光.污水处理厂运行的节能降耗技术进展.给水排水，2009，35（12）：47～50.
[2]中国城镇供水排水协会排水专业委员会编.中国城镇污水处理厂汇编.北京：中国城镇供水排水协会排水专业委员会出版，2006.
[3]袁宏林，王晓昌.DE型氧化沟的脱氮除磷过程.西安建筑科技大学学报，2002，34（1）：34～37.
[4]高健磊，闫怡新，吴建平，等.城市污水处理厂污泥脱水性能研究.环境科学与技术，2008，31（2）：108～111.
[5]泉，佟庆远，李宁，等.基于节能的鼓风曝气系统溶解氧稳定智能控制方法.给水排水，2008，34（7）：116～119.
关键词：污水处理厂 能耗 节能降耗
近年来，我国建成了大量的城市污水处理厂，为削减污染物排放总量、减轻环境负担并改善水环境状况起到了关键性作用。但是由于系统能耗较大、运行费用偏高，尤其是在西北地区，因为经济和气候等差异造成处理工艺能耗水平差别较大，导致部分污水处理厂因经费问题不能全产运行[1]。据统计[2]，我国近20年来新建城市污水处理厂499座，其中有125座采用A2/O工艺，占到25.1%，有151座采用氧化沟工艺，占到30.3%，可见A2/O和氧化沟工艺是我国新建城市污水处理厂的常用工艺，因此本文就新乡市采用A2/O和氧化沟工艺的两座污水处理厂的实际运行状况进行了调查，分析了其能耗构成及能耗损失的环节和原因，探讨了城市污水处理厂的节能途径，旨在为今后的设计和运行提供借鉴。
一、工艺介绍及能耗点分析
A2/O工艺流程，其产生能耗的环节主要包括：格栅机、提升泵、沉砂池曝气、A2/O的O段曝气、A1段污泥回流、A2段混合液回流、污泥提升、污泥脱水等。氧化沟工艺流程，其产生能耗的环节主要包括：格栅机、提升泵、沉砂池、氧化沟曝气及污泥回流、污泥提升、污泥脱水等。
二、能耗结构分析
根据对实际运行状况的现场调查，将上述两种工艺的各环节设备运行功率进行统计，见表1，经计算得到两种工艺处理单位水量的耗电量分别为0.31kw.h/m3、0.37kw.h/m3。从各个环节电耗的比例来看，电耗主要发生在污水提升系统、生物处理单元的供氧系统、污泥处理系统，这三个环节电耗在A2/O工艺的总电耗中所占的比例为27.6%、54.1%、11.8%，在氧化沟工艺的总电耗中所占的比例为24.5%、55.4%、15.8%。
1.污水提升系统的能耗
污水提升系统主要将粗格栅后的原水提升至高位配水井以满足后续单元自流进水，所以提升系统的能耗受提升高度和提升泵运行效率的影响。由表1可知，所调查的A2/O工艺和氧化沟工艺的污水提升系统的电耗占污水处理系统总电耗的27.6%和24.5%。两种工艺的提升泵房都安装有5台同型号水泵（3用2备），是以最不利工况进行的水泵选型，即以最大流量和扬程作为主要考虑因素，再乘以保险系数进行选型的，从而使得富裕流量、功率、扬程大大增加。实际上，多数时间下污水厂的进水流量不是最大流量，导致水泵长时间处于低效区，这种情况必然造成投资和能耗都偏高。
2.曝气系统的能耗
曝气的主要目的是为了使生物处理单元内保持一定溶解氧浓度从而维持微生物的正常生理活动，一般情况下生化池内溶解氧浓度应保持在2.0～4.0mg/L[3]。
图3是2011年3月～2013年2月间对两种工艺的生物处理单元的溶解氧浓度实际检测值（每月检测3次共36组数据）。从中发现，氧化沟工艺溶解氧浓度保持在2.0～3.0mg/L，而A2/O工艺大部分时段内溶解氧浓度都偏高，其好氧池内溶解氧在多数时段内都远远超过4mg/L，甚至高达7mg/L，这不仅容易引起有机污物分解过快使微生物缺乏营养、污泥易于老化，而且将导致能耗较大，造成能源浪费。
3.污泥处理系统的能耗两种工艺的污泥处理系统的电耗占污水处理厂工艺总电耗的12%以上，也是主要的能耗点。所调查的A2/O工艺和氧化沟工艺的脱水车间分别有3台、4台带式压滤脱水机，采用轮流工作。通过对脱水机设计处理量与实际污泥处理量比较，发现两种工艺的压滤机大部分时间都不在高效段运转，明显存在能耗浪费。
另外，污泥脱水系统所投加的PAM也是引起污水厂运行费用高的主要原因，一般情况下，PAM投加比例约为污泥干重的0.2%～0.3%就能达到满意的絮凝效果，脱水后泥饼含水率能达到国家标准要求[4]。所调查两种工艺的PAM 投加量情况见图6，从图中可以看出，A2/O 工艺的PAM 投加比例约为0.37%～0.78%，氧化沟工艺PAM 投加比例约为0.35%～0.52%，两种工艺的PAM 投加量都偏大，是造成整体运行费用偏高的又一原因。
三、节能途径探讨
1.提升泵的节能途径
提升泵是污水处理厂动力消耗的重要部分，其节能首先应从设计入手，进行节能设计，途径包括：①精确计算水头损失，合理确定水泵扬程。②合理搭配定速泵和变速泵，以适应流量变化。污水厂进水量往往随时间、季节波动，如果按目前通行的以最大流量作为选泵依据，水泵全速运转时间约占10%，大部分时间都无法高效运转，造成能量浪费。
2.曝气系统的节能途径
由于曝气系统向曝气池供氧具有多变量、高相关、非稳态、大滞后等特点，国内大部分污水厂是通过操作人员对当前工艺运行情况和溶解氧测定值与设定值的偏差分析，根据经验调节曝气设备的开启度来控制池内的溶解氧浓度以适应微生物反应需求，这种方法对溶解氧的调整大大滞后于系统的需求变化，严重影响处理效果。为了保证处理效果，设计人员选择风机时往往要在计算需气量基础上加上一个足够大的安全系数，过量供氧以满足最大负荷时的需要，从而造成曝气量与实际需气量相差过大，使得曝气单元能耗较高。借鉴国外的经验[5]合理的方法是对溶解氧进行在线检测，及时反馈给供氧系统及设备以同步调整，将曝气系统设计为定速加变速相结合的组合方式：①定速设备按平均供氧量选择，定速运转以满足基本需氧量；②调速设备变速运转以适应需氧量的变化；③需氧量波动较大时通过增减运转台数作为补充。
3.污泥处理系统节能途径
污泥处理系统的能耗主要是由于脱水机选择过大而造成大部分时间不在高效段工作，同时，为了提高污泥的脱水性能而投加过量的絮凝剂。因此设计人员应该精确计算污泥产量及含水率等，合理选择脱水机的台数和能力，最好通过试验来确定絮凝剂的投加量。
四、结论
城市污水处理厂的能耗主要发生在污水提升系统、生物单元的供氧系统和污泥处理系统三部分，分别占工艺总电耗的24%、55%和12%以上，是污水处理厂节能降耗的主要环节。提升泵的扬程要通过精确计算水头损失来确定，不宜采取估算方法，并且采取定速泵和变速泵搭配组合的措施以适应流量变化和节能。供氧设备的运行应以生物处理单元对溶解氧的需求量为依据，采取在线检测并反馈控制曝气设备的开启数量及运行功率。脱水设备尽量控制在高效段运行，絮凝剂的投加量应结合污泥性质的变化通过实验及时调整。
参考文献
[1]徐晓宇，李春光.污水处理厂运行的节能降耗技术进展.给水排水，2009，35（12）：47～50.
[2]中国城镇供水排水协会排水专业委员会编.中国城镇污水处理厂汇编.北京：中国城镇供水排水协会排水专业委员会出版，2006.
[3]袁宏林，王晓昌.DE型氧化沟的脱氮除磷过程.西安建筑科技大学学报，2002，34（1）：34～37.
[4]高健磊，闫怡新，吴建平，等.城市污水处理厂污泥脱水性能研究.环境科学与技术，2008，31（2）：108～111.
[5]泉，佟庆远，李宁，等.基于节能的鼓风曝气系统溶解氧稳定智能控制方法.给水排水，2008，34（7）：116～119.