污水处理厂能耗分析方法

金文杰，杨丹丹

污水处理是高能耗产业之一，其能源消耗主要是电量消耗，占总能耗的60%～90%。高能耗不仅加剧了我国当前的能源危机，也造成高处理成本，致使一些中小型污水处理厂难以正常运行，污水处理厂的减排效益得不到体现。对污水处理厂的能耗情况进行分析，在保障污水处理量和尾水达标排放的前提下，提高能源利用率，降低处理成本，对缓解我国当前的能源危机及保障污水处理厂正常运行具有重要意义。

1 污水处理厂采用的主要处理工艺及能源消耗状况

污水处理厂采用的主要技术有传统活性污泥法、前置反硝化生物脱氮(A/O)工艺、缺氧/好氧(A2/O)生物脱氮除磷工艺、氧化沟活性污泥法、序批式活性污泥法(SBR)、水解酸化-好氧活性污泥法、AB两段活性污泥法、生物接触氧化法、曝气生物滤池(BAF)以及其他生物膜法等。

虽然不同的污水处理厂采用的工艺不尽相同，但从总体看，污水处理厂能源主要消耗在4个方面: (1)污水提升系统:一般情况下，污水都需要提升泵提升到一定高度形成水位差，以便后续处理;(2)生物处理系统:生物处理过程需要用鼓风机、搅拌器等进行供氧，同时为了提高污水处理效果还需要一定量的回流，所以内外回流泵也会消耗一部分能量;(3)污泥处理系统:污泥处理阶段需要对污泥进行浓缩脱水以及外运;(4)污水处理厂照明用电系统:污水处理厂内各个单元的照明对用电量的消耗是必不可少的。

2 能量消耗分析方法

经过诸多学者数十年的研究，一些能量消耗分析方法逐渐形成，我国污水处理厂目前正在使用的能耗分析方法有比能耗分析方法、单元能耗分析方法、层次分析方法及生命周期评价法等。

2.1 比能耗分析方法

比能耗是指将每处理单位体积的污水所消耗的能量折算为电能(kW·h/m3)表示，或以去除单位重量的污染物(COD或BOD)所消耗的能量(kW·h/kg)来表示［1］。羊寿生［2］曾结合自己的设计经验，对国内典型一、二级污水处理工艺各单元过程作了电能估算，估算结果以处理单位体积污水的耗电量表示(kW·h/m3)，一级城市污水处理厂电耗值为0.072 kW·h/m3，二级处理厂电耗值为0.266 kW·h/m3(表1、2)。污水厂规模按25 000 m3/d计。

从表1、2可看出，我国污水处理厂能耗主要集中于污水、污泥的提升，生物处理的供氧，污泥处理等工艺过程，其中污水生物处理阶段的曝气池供氧设备和污泥处理的单元过程能耗要占污水处理厂直接能耗的65%左右。

表1 我国典型一级城市污水处理厂电耗

表2 我国典型二级城市污水处理厂电耗

2.2 单元能耗分析方法

单元能耗分析是指将污水处理厂按功能和能耗特征分成预处理、生化处理和污泥处理3个单元分别进行能耗分析，通过解析每一单元的能耗变化规律和主要影响因素，来确立针对污水处理厂的能耗分析方法，且该方法可以筛选出可行的节能途径。金昌权、汪诚文等人［3］采用该方法对北京一座污水处理厂进行了能耗分析，得出的结论是鼓风机系统的能耗比例最高达到56.5%，其次分别为污水提升泵19.2%，生化单元其他机械系统13.2%，污泥处理6.6%，泥泵系统3.8%和预处理单元附属设施0.7%。

常江、杨岸明等人［4］曾运用单元能耗分析方法对处理规模为6×105m3/d、采用A2/O工艺的某污水处理厂进行了能耗分析，对该工艺中一级处理、二级处理、污泥处理等各阶段的能耗以及各设备能耗进行统计计算的结果是，预处理单元各设备能耗占总能耗的20.52%:其中进水泵占预处理单元能耗的94.91%，占全厂总电耗的19.48%，是预处理单元最大的耗能设备，为该单元节能的关键设备;二级处理单元的能耗主要集中在鼓风机、搅拌器和内外回流泵上，占总能耗的68.96%，其中鼓风机占二级处理单元电耗的 75.13%，占总运行电耗的51.81%，是全厂最大的耗能处理单元，因而对于二级处理单元及全厂的节能重点应该在鼓风机的节能降耗上;污泥处理单元的能耗主要集中在污泥进泥泵和污泥浓缩脱水机上，占总能耗的6.66%，污泥进泥泵占污泥处理单元电耗的62.56%，占总运行电耗的4.16%，因而对于污泥处理单元的节能重点应该在污泥进泥泵及污泥浓缩机的节能降耗上。锅炉、照明等其他部分所占总能耗的比例为3.86%。由此可知，预处理与二级处理单元占总能耗的大部分比例，节能潜力最大，污泥处理单元次之。因此，节能应从这几个处理单元考虑，对其主要设备的运行状态及运行方法进行挖掘，从而实现整个污水处理系统的节能。

2.3 层次分析方法

层次分析方法［5］(Analytic Hierarchy Process，AHP)是美国著名运筹学家、匹茨堡大学教授托马斯·塞蒂(Thomas L Satty)于20世纪70年代创立的一种分析工具。

李为［6］曾针对在我国应用较多的氧化沟工艺污水处理厂和A2/O工艺污水处理厂在实际运行时的能耗状况进行了调查计算，发现所调查的城市污水处理厂的能耗构成为:预处理的能耗约占总能耗的28%，生物处理的能耗约占总能耗的60%，污泥处理的能耗约占总能耗的12%，其中曝气设备的电耗约占污水处理厂总电耗的50%。进而运用层次分析法对影响污水处理厂能耗因素的权重进行了定性分析与定量计算，建立了污水处理厂能耗评价表达式:

T=0.078 4 C1+0.028 0 C2+0.170 8 C3+ 0.025 6 C4+0.300 8 C5+0.160 0 C6+0.057 6 C7+ 0.089 6 C8+0.050 4 C9+0.020 8 C10+0.008 8 C11

其中:T为城市污水处理厂总能耗;C1为实际污水处理量指数;C2为实际污泥处理量指数;C3为处理能力利用率指数;C4为处理构筑物占地指数; C5为工艺稳定性指数;C6为污水处理系统高程布置指数;C7为设备实际利用率指数;C8为处理设备能量转化效率指数;C9为主要污染物去除率指数;C10为N和P等营养物去除率指数;C11为污水处理达标率指数。

李为的研究表明，城市污水处理厂的能耗发生重点在污水处理能力利用率、工艺系统稳定性、污水处理厂高程布置三方面，这三部分在能耗评价体系中所占权重最大，是污水处理厂在设计中和运行时应该注意的重点。

2.4 生命周期评价法

生命周期评价［7］(Life Cycle Assessment，LCA)起源于美国中西部资源研究所(MRI)于1969年针对可口可乐公司饮料容器的分析研究，从原材料的采掘到废弃物最终处理的全过程进行跟踪与定量分析。

生命周期评价以工艺设施为主线，针对污水处理系统的整个生命周期内各阶段所产生的所有能耗问题进行系统的量化分析，并以此为基础做出生命周期能耗的评估和完善化分析。一般将污水处理的生命周期分为3个阶段，即施工建设(包括建设材料和加工制造)、生产运行和废弃拆除阶段。生命周期评价从全过程的视角识别分析城市污水处理工艺在其生命周期各个阶段的能耗，找出能耗损失的原因以及能耗过程各个环节的影响因素，并在此基础上提出节能措施。

杨健［8］、熊艾玲［9］曾运用生命周期评价技术对普通活性污泥法、AB活性污泥法和厌氧水解活性污泥法三种污水处理系统从其原材料开采和加工直至污水厂施工建设、处理运行和废弃拆除的生命周期全过程能耗进行分析识别和量化分析，在此基础上提出改善其能耗的措施。

3 节能措施

3.1 生化处理阶段的节能

上述资料显示，污水处理厂生化处理阶段能源消耗所占比例最高，节能空间也最大。对于该阶段的节能途径以下两点可供参考:(1)活性污泥法系统中采用鼓风曝气供氧时，可采用高效风机如可调叶片的离心风机，在风压不变的条件下，根据需要改变风量，以适应不同的溶解氧需要，提高曝气扩散设备的氧利用率，以达到用量最少，效果最佳的目的。(2)生化处理阶段的曝气系统，在线检测设备也是很有效的节能潜力识别手段。以DO反馈为基础，结合积累的水质、水量变化规律，进行曝气控制。通过降低曝气量的方式，降低鼓风机的风量，优化鼓风机运行程序，使鼓风机在比较高的效率下运行，进而达到节能。

3.2 污泥处理阶段的节能

污泥处理阶段的能耗也占到相当大的比例，所以这一阶段的节能也不能忽视。污泥处理单元的能耗主要集中在污泥进泥泵和污泥浓缩脱水机上，污泥进泥泵的节能应从三方面考虑:(1)正确科学地选择泥泵，使其在高效率下工作;(2)合理利用地形，通过减小污泥的提升高度来降低泥泵的轴功率;(3)定期对泥泵进行维护，减少摩擦以降低电耗。

3.3 预处理阶段的节能

预处理阶段的能耗主要在污水的提升，所以想要使该阶段的能耗最低，首先，在选泵之前要分析水量变化情况，进而选用规格不同的水泵，来适应水量变化;或者采用变频调速机，根据 不同的流量需求控制水泵转速。其次，可以调整泵的运行编组使提升泵运转效率。此外，在污水厂高程设计中，尽量利用自然地势减少水头损失，避免跌水和二次提升，进一步节省能耗。

4 结语

以上所阐述的几种方法虽然在实际运行中都有应用，但是，比能耗指标反映了去除单位污染物所消耗的某种能量的数量，应用该指标对污水处理能耗进行分析还不够客观和严密;单元能耗分析方法应用的比较早也比较多，但是该方法应用于污水处理能耗研究还停留在调查汇总阶段，缺乏统一的理论支撑;层次分析法虽然在污水处理厂的处理工艺选择上具有一定的客观性、准确性和有效性，但是在污水处理能耗分析方面，理论还不够系统和完善;生命周期评价法是对污水处理系统从其原材料开采和加工直至污水厂处理施工建设、处理运行和废弃拆除的生命周期全过程能耗进行分析识别和量化分析，要用该方法对污水处理厂运行中产生的能耗问题进行分析，需要按20年的运行期限进行考虑，这样运用起来耗时较长，考察数据较多，应用过程中可能会遇到诸多问题。

迄今为止，污水处理能耗研究领域的基本理论、研究方法和研究框架在国内还无统一的认识，缺乏合理的、统一的评价指标。节能措施的制订和实施往往要超前于能耗的理论分析。多数节能途径和手段常常由污水处理厂的操作管理人员结合各处理设施实际情况提出，具有经验性和个别性，不一定能适用于其他污水处理厂甚至是工艺相似的污水处理厂。因此，相关人员应加强污水处理能耗理论研究。

［1］陈宏儒.城市污水处理厂能耗评价及节能途径研究［D］.西安:西安建筑科技大学，2009.

［2］羊寿生.城市污水厂的能源消耗［J］.给水排水，1984 (6):15-19.

［3］金昌权，汪诚文，曾思育，等.污水处理厂能耗特征分析方法与节能途径研究［J］.给水排水，2009(35):270-274.

［4］常江，杨岸明，甘一萍，等.城市污水处理厂能耗分析及节能途径［J］.中国给水排水，2011，27(4):33-36.

［5］Saaty T L.领导者:面临挑战与选择:层次分析法在决策中的应用［M］.张录，译.北京:中国经济出版社，1993.

［6］李为.城市污水处理工艺的能耗评价体系研究［D］.西安:西安建筑科技大学，2010.

［7］杨建新，王如松.生命周期评价的回顾与展望［J］.环境科学进展，1998，6(2):21-28.

［8］杨健，吴敏.3种活性污泥法处理工艺的生命周期能耗分析［J］.上海环境科学，2001，20(12):582-585.

［9］熊艾玲.城市污水处理工艺的生命周期能耗分析及节能试验研究［D］.重庆:重庆大学，2004.