产业密集型城镇污水处理厂能耗基准确定方法研究

沈昌明，刘战广

(上海市政工程设计研究总院(集团)有限公司，上海市 200092)

产业密集型城镇污水处理厂能耗基准确定方法研究

沈昌明，刘战广

(上海市政工程设计研究总院(集团)有限公司，上海市 200092)

产业密集型城镇污水处理厂进水水质水量波动大、能耗偏高，合理确定能耗基准对于开展节能工作非常重要。对某地区89座污水处理厂的历史数据进行统计分析，结果表明，单位能耗受规模、负荷率、进水水质、温度等因素的共同影响，且单位能耗随着实际处理规模和负荷率的增大而减小，不同规模污水处理厂平均单位能耗最多可相差1倍。根据负荷率对污水处理厂的实际处理规模进行分类，可建立不同规模污水处理厂的能耗基准参考值，进而以污水处理厂月平均数据为基础进行能耗评价。对该地区某污水处理厂的案例分析表明，该厂全年平均节能空间为8.42%。

能耗基准;污水处理厂;产业密集型城镇;节能

0 引言

产业密集型城镇以工业生产为主，通常设有不同规模的高新区和工业园区，产生的污水水质和水量波动较大，直接导致产业密集型城镇污水处理厂的运行能耗偏高，因此开展此类污水处理厂的节能工作非常重要。由于产业密集型污水处理厂能耗的影响因素较多，缺乏能耗基准将无法科学评估节能工作的成效。目前对于产业密集型城镇污水处理厂尚无系统的能耗基准制定方法，开展相关研究将为高效开展节能工作奠定基础。

本文通过对某产业密集地区89座城镇污水处理厂的历史数据进行统计分析，在探讨污水处理厂能耗与规模、负荷率、进水水质、温度等影响因素之间关系的基础上，提出了产业密集型城镇污水处理厂能耗基准的确定方法，并进行了具体的案例分析。本文对于类似地区的污水处理厂确定能耗基准、提高能耗管理水平具有重要意义。

1 产业密集型污水处理厂能耗影响因素

能耗水平是衡量污水处理厂运行质量和水平的重要方面，污水处理厂的运行能耗同该厂的处理规模、工艺设计、关键设备和进水水量水质关系密切。产业密集型城镇污水处理厂普遍具有进水中工业废水比例高、水质水量变化大等特点，对运行能耗的影响较大。

1.1 规模

污水处理厂规模是影响单位能耗的重要因素。由于影响因素较多，不同污水处理厂之间的单位能耗很难直接比较，现有文献表明，污水处理厂单位电耗随污水处理厂规模的增大而减小[1，2]。污水处理厂的总能耗包括电耗及药耗、设备损耗、人力等因素的电耗当量，其中电耗一般占全厂能耗的90%以上[3]，因此以电耗作为污水处理厂能耗的表征是可行的。产业密集型地区污水排放量变化较大，因此按实际处理规模划分污水处理厂更具实际意义。根据某产业密集型地区89座城镇污水处理厂的实际处理水量(Q)，将该地区污水处理厂分为五类，如表1所示。按实际处理水量划分的各类污水处理厂数量逐月略有变化。表1按设计规模给出了各类污水处理厂的数量分布情况以供参考。总体而言，该地区污水处理厂数量众多，但单个厂的处理能力普遍偏小，规模在4万m3/d以下的厂约占75%～80%，10万m3/d以上的厂仅占5%左右。该地区污水处理厂出水均执行一级A标准。

表1 某地区污水处理厂2014年平均能耗汇总

通过统计该地区不同实际规模污水处理厂2014年的月平均能耗，形成图1所示的全年单位能耗柱状分布图。图1中的能耗数据均为实测平均值，包括污水处理及污泥浓缩脱水的电耗。如图1所示，单位能耗具有随污水处理量的增加而减小的趋势。五类污水处理厂的年平均能耗列于表1，其中处理量大于10万m3/d的污水处理厂平均单位能耗最低，仅为处理量小于1万m3/d的污水处理厂的65.4%。因此规划污水处理厂建设时应考虑单位能耗的因素，集中建设几座规模较大的污水处理厂。此外从标准偏差值可以看出同规模的污水处理厂能耗也存在较大差异，表明部分污水处理厂的运行管理仍需进一步加强。

图1 不同规模污水处理厂2014年的月平均单位能耗

将五类污水处理厂年平均单位能耗与实际年平均处理水量的对应关系进行拟合，得到的曲线如图2所示。该地区污水处理厂单位能耗与规模的关系基本符合公式y=0.47x-0.15(R2=0.90)的描述。文献[4]给出了国内处理规模为3 600 m3/d和32.3万m3/d的两座污水处理厂单位能耗分别为0.5 kW·h/m3和0.22 kW·h/m3，而采用上述公式计算得到的单位能耗分别为0.55 kW·h/m3和0.28 kW·h/m3。从图1可以看出，不同规模污水处理厂之间的平均单位能耗变化不尽相同，而同一规模范围内的污水处理厂之间单位能耗变化更大，说明单位能耗除受规模的影响之外，其它的影响因素也较多，因此上述公式仅可作为不同规模污水处理厂之间单位能耗的趋势判断，但不能作为具体的单位能耗数值预测。

图2 污水处理厂吨水耗电量与处理量之间的关系

1.2 负荷率

负荷率是指实际处理水量与设计规模之比，由于产业密集型城镇污水处理厂水量变化大，在进行此类污水处理厂能耗分析时，应根据具体负荷率下的实际处理规模进行归类分析，而非单纯考虑污水处理厂的设计规模。

对上文所述地区89座城镇污水处理厂负荷率进行统计分析，规模较小的污水处理厂实际负荷率偏低，对实际处理水量在2万m3/d以内和2万m3/d以上的污水处理厂2014年的月平均负荷率进行计算，结果如图3所示。规模小于2万m3/d的污水处理厂的月平均负荷率在55%～73%，比处理量大于2万m3/d的污水处理厂(69%～92%)小14%～21%。此外，产业密集型城镇污水处理厂的实际负荷率随季节变化明显，夏季负荷率普遍较高，冬季较低，该规律与集水区域各工厂的生产特点密切相关，也在一定程度上解释了夏季污水处理厂单位耗电量较小;冬季单位耗电量较大的现象。

图3 某地区不同规模污水处理厂2014年的月平均负荷率

统计表明，Q≤2万m3/d的污水处理厂月平均负荷率不足50%的比例较高，这一方面使处理量较小的污水处理厂单位能耗相对较高，另一方面也对这些污水处理厂的运行策略形成影响，使此规模范围的污水处理厂之间的单位能耗差异较大。如图4所示，对污水处理厂月平均单位能耗和月平均负荷率统计数据之间关系的拟合结果表明，两者之间具有较好的线性关系。实际上，从图4可以看出，Q≤2与Q>2两类污水处理厂的负荷率相差较大，重叠范围很小，因此可以不考虑处理规模的影响，对图4中的所有点进行线性拟合，结果表明，单位能耗与负荷率之间符合公式y=-0.004x+ 0.776(R2=0.903)的描述，充分说明负荷率对污水处理厂单位能耗的影响。

1.3 进水水质

在进水量一定的情况下，水质直接决定了污水处理厂的理论需氧量，对具体污水处理厂而言，COD、TN等污染物浓度越高，污水处理能耗越高。进水水质对污水处理厂能耗的影响可以用COD去除量(kg COD/m3)与单位能耗(kW·h/m3)之间的关系表征，如图5所示，污水处理厂能耗并未与污染物去除量呈正相关，部分污水处理厂在有机污染物去除量基本相同的情况下，平均能耗变化差异很大，这一方面是由于水质水量的变化较大所导致的，同时也表明污水处理厂在运行管理方面的水平参差不齐，许多污水处理厂存在较大的节能空间。

图4 某地区污水处理厂吨水耗电量与负荷率之间的关系

图5 污水处理厂吨水耗电量与单位COD去除量之间的关系

鉴于污水处理厂规模对单位能耗的影响较大，通过统计分析单位有机物处理能耗在不同规模污水处理厂的分布情况，对于研究污水处理厂节能的空间和目标具有更大的意义。如表1所示，单位COD能耗随着污水处理厂规模的增大而逐渐减小，处理量在1万m3/d以内的污水处理厂单位COD能耗约是处理量大于10万m3/d的污水处理厂的2倍。此外，由图6所示，规模较小的I、II类污水处理厂冬季的单位COD能耗较夏季(4～10月)高，且处理量越小，冬季与夏季的差异越大，这与冬季温度较低，可能需要更多的曝气以满足出水水质的要求有关。需要指出的是，夏季和冬季是以月平均气温大于或小于15℃来进行划分的。

图6 不同规模污水处理厂的单位COD耗电量

1.4 产业密集型城镇污水处理厂能耗总体评价

从上文分析可以看出，产业密集型污水处理厂能耗水平与规模、负荷率、进水水质等因素密切相关，但这些因素对污水处理厂单位能耗的影响权重不尽相同，而且实际污水处理厂的能耗水平还与污水处理工艺、关键设备质量和运行管理水平等因素直接相关，即使是同等规模的污水处理厂，其能耗水平也相差较大，因此，对于水质水量波动大、设备和运行水平各异的产业密集型污水处理厂而言，要从历史经验数据的统计分析获得直观的能耗基准比较困难。

尽管如此，对于整个地区污水处理厂能耗数据的统计分析，仍然可以得到符合该地区的一些基本规律，有助于正确评估和确定污水处理厂的能耗基准。首先，污水处理厂的单位能耗随着污水处理厂规模的增大而减小。以苏州为例，该地区污水处理厂规模偏小，约95%在10万m3/d以下，其中80%以上小于4万m3/d，规模偏小是导致该地区污水处理能耗偏高的重要原因。第二，该地区污水处理厂的单位能耗随着污水处理厂负荷率的增大而显著降低，且规模较小的污水处理厂负荷率普遍较低，在进行能耗基准分析时，应充分考虑负荷率的波动所引起的实际处理规模的变化，而不是单纯考虑污水处理厂的设计规模。第三，污水处理厂的单位能耗与单位COD去除量之间没有显著相关性，但单位COD处理能耗随着污水处理厂规模的增大而减小，这也反映了污水处理厂规模对单位能耗影响的一个机制。第四，温度在一定程度上影响污水处理厂的能耗水平，温度较高时，产业密集型地区污水排放量也较大，使得污水处理厂负荷率提高，单位能耗降低。综上所述，除污水处理工艺、关键设备质量和运行管理水平等固定因素外，产业密集型污水处理厂的能耗水平受规模、负荷率、进水水质和温度等因素的共同影响，而负荷率、进水水质和温度对污水处理厂能耗的影响又与污水处理厂规模这一因素密切相关，因此确定产业密集型污水处理厂的能耗基准时应该综合考虑上述因素。

2 产业密集型污水处理厂能耗基准确定方法

污水处理厂开展节能工作首先必须要确定一个合理的能耗基准。对于规模偏小的产业密集型城镇污水处理厂，由于水量水质波动大，实际能耗变化较大且缺乏规律，以历史同期数据或同类污水处理厂作为比较基准非常困难。对整个地区而言，应根据统计结果确定各规模污水处理厂的指导能耗，同时对于高能耗和低能耗的污水处理厂进行更为全面的分析，并参考行业数据统计分析结果进行综合考虑。

产业密集型污水处理厂节能工作的第一步是根据该地区行业数据进行统计分析，建立不同规模污水处理厂的能耗基准参考表，然后通过分析该厂的进水条件，制定全厂的节能目标。第二步是收集该厂主要工艺过程的运行模式及关键耗能设备的功率组成和能耗数据，分析全厂的能耗组成，建立该厂在不同进水条件下的运行工况-能耗基准矩阵，进而制定污水处理厂各环节的节能分目标。第三步是通过总结该地区污水处理厂在节能方面的措施和经验，提出实现各环节节能目标的运行优化方案和设备控制方法，最后明确方案执行者的权责和考核方法。

2.1 进水条件分析

进水水量和水质的波动导致产业密集型城镇污水处理厂的能耗变化较大，确定单个污水处理厂短期的能耗基准比较困难，无法直接与历史同期数据或同类污水处理厂进行比较。尽管如此，对整个地区的污水处理厂能耗数据进行统计分析，仍然可以得到污水处理厂能耗与规模、负荷率、进水水质和温度之间的一些基本关系，这些关系是确定污水处理厂能耗基准的基础。但不同规模污水处理厂的能耗随负荷率、进水水质和温度的变化趋势不尽相同，而且负荷率、进水水质和温度之间也互相影响，如温度较高的夏季负荷率较高，而进水水质可能较淡，因此有必要根据上述影响因素的重要性进行排序或权重赋值，并列出不同进水条件范围内的基准参考值，得到一个地区污水处理厂不同实际处理规模条件下的能耗基准表，然后以污水处理厂的月平均数据为基础进行能耗评价，必要时根据次要因素的影响对能耗基准进行适当修正。能耗评价周期过短，可能无法真实反映不同因素对于污水处理厂能耗的影响。

2.2 工艺技术分析

对整个地区的污水处理厂能耗数据分析得到的能耗基准，有助于了解单个污水处理厂与该地区行业平均水平之间的差距，对于确定全厂的节能目标具有直接的指导意义，但还不能反映污水处理厂各工艺环节的节能空间。对单个污水处理厂而言，进水条件的波动可能导致污水处理厂关键工艺过程运行工况的变化，进而影响整体能耗。因此，单个污水处理厂的能耗基准还需要考虑污水处理厂工艺技术现状，分析污水处理厂能耗组成，从工艺设计、设备性能和控制方式等三个方面，根据污水处理厂现有工艺技术的能耗水平，与行业内普遍采用的工艺技术的能耗水平进行比较，评估节能空间的大小和可能采用的高效节能措施。

污水处理厂的能耗由主要污水处理的机械设备产生，统计发现，曝气、提升、搅拌和污泥处理是采用活性污泥工艺的污水处理厂的主要耗能单元，机械设备包括提升泵、回流泵、鼓风机/表曝机、搅拌器、污泥脱水机等。产业密集型污水处理厂不同进水条件下可能对应着不同的运行工况，如负荷率小于40%时，鼓风机和污泥脱水机的使用功率可能减半。将不同进水条件下关键工艺过程的运行工况进行分类整理，并与该厂历史能耗数据进行耦合，得到不同进水条件下的运行工况-能耗基准矩阵，从而对污水处理厂的运行控制进行指导，也可为制定污水处理厂各环节的节能分目标提供参考。

2.3 案例分析

以上述地区某设计规模为8万m3/d的污水处理厂(STP-X)为例，其进水中工业废水的比例约为70%，该厂2014年的负荷率、吨水能耗和单位COD能耗数据如表2所示。首先确定污水处理厂的实际处理规模，该厂2014年的负荷率最低时出现在1月份，为48.7%，属于表1中III类，其它月份的负荷率在53.0%～81.9%，属于表1中的IV类。负荷率反映了污水处理厂的实际处理水量，因此在通常以水量为单位能耗计算基准时，不再单独考虑负荷率的影响，而应以污水处理厂实际处理规模来确定能耗基准，但负荷率可准确表现单位能耗变化的趋势，对于判断异常能耗数据及其出现的原因具有指示意义。确定了实际处理规模之后，可参考表1给出的平均单位能耗作为基准进行比较，结果见表2。从表2可以看出，该厂上半年的单位能耗明显较该地区平均单位能耗高，但下半年相差不大，全年平均节能空间为8.42%。

尽管以水量为计算基础的单位能耗通常作为基准用于污水处理厂能效评估，但对于水量水质变化大的产业密集型城镇污水处理厂，以进水中有机质的量为计算基础确定能耗基准可能更为准确。生化需氧量(BOD5)是一个准确反映可生化降解有机质的单位，但由于化学需氧量(COD)数据更易获取，也是城镇污水处理厂的主要控制指标，以单位COD能耗为基准是可行的。参考表1中给出的平均单位COD能耗作为基准进行比较的结果列于表2，以单位COD能耗为基准计算的节能空间与以单位能耗为基准计算的结果不尽相同，两者的变化趋势大致相同，但前者明显较高，而且不同月份之间的差异相对缩小。以平均单位COD能耗为基准计算的全年平均节能空间为20.77%。

表2 某污水处理厂2014年能耗数据分析

以上案例分析还可以根据温度的影响对能耗评价的结果进行修正，这里不再列举。根据以上分析可以看出，该厂具有明显的节能空间。进一步分析该厂的能耗组成发现，曝气系统的能耗占全厂能耗的比例为40%～50%，以上文单位COD能耗20.77%的节能空间计算，对曝气系统进行优化可节约能耗约8.3%～10.4%。对曝气系统的节能改造可从风机、电机、供风管道、曝气盘等设备性能及溶解氧系统的自动控制等方面进行考虑。

3 结论

本文对某产业密集地区89座污水处理厂2014年运行数据进行了统计分析，结果表明，污水处理厂的单位能耗随着污水处理厂实际处理规模的增大而减小。除污水处理工艺、关键设备性能和运行管理水平等固定因素外，产业密集型城镇污水处理厂的能耗水平受规模、负荷率、进水水质和温度等因素的共同影响，而由负荷率决定的实际处理规模对单位能耗具有显著影响。产业密集型污水处理厂可以该地区不同实际处理规模污水处理厂平均单位能耗作为能耗基准，确定全厂节能空间，并进而根据该厂不同进水条件下的运行工况确定工况-能耗基准矩阵，然后以污水处理厂的月平均数据为基础进行全面的能耗评价，为该类污水处理厂节能降耗和运行优化提供参考。

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TU992.3

B

1009-7716(2015)11-0103-05

2015-06-01

国家重大水专项课题(2011ZX07301-003)

沈昌明(1980-)，男，江苏扬州人，博士，高级工程师，主要从事水污染控制方面的研究工作。