污水处理厂曝气系统节能降碳综述

摘要：曝气系统节能是污水处理厂碳减排的关键，研究曝气系统节能对推进污水处理行业的碳减排具有重要意义。分析我国污水处理厂曝气系统能耗较高的原因，总结曝气系统节能的主要技术途径，为污水处理厂曝气系统低碳运行提供参考。经分析，主要原因有3点，即进水负荷低，曝气设备和推流搅拌设备配置不合理，曝气设备效率低。主要技术途径有3条，即利用高效曝气设备进行替换，表面曝气替换为底部微孔曝气，开展间歇曝气和精确曝气。

关键词：污水处理厂；节能降碳；曝气系统；间歇曝气；精确曝气

中图分类号：X703 文献标识码：A 文章编号：1008-9500（2024）06-0-05

DOI：10.3969/j.issn.1008-9500.2024.06.066

Review of Energy Conservation and Carbon Reduction in Aeration Systems of Sewage Treatment Plants

CUI Dandan1， YIN Huasheng2，3， XIONG Haitao2，3

（1. Changsha Liantai Water Purification Co.， Ltd.; 2. Hunan Academy of Building Research Co.， Ltd.;

3. Hunan Provincial Trenchless Engineering Technology Research Center， Changsha 410011， China）

Abstract： The energy-saving of aeration system is the key to carbon reduction in sewage treatment plants， and studying the energy-saving of aeration system is of great significance for promoting carbon reduction in the sewage treatment industry. The reasons for the high energy consumption of aeration systems is analyzed in sewage treatment plants in China， and the main technical approaches for energy conservation are summarized in aeration systems， thus providing reference for low-carbon operation of aeration systems in sewage treatment plants. After analysis， there are three main reasons， namely low inlet load， unreasonable configuration of aeration equipment and push flow mixing equipment， and low efficiency of aeration equipment. There are three main technical approaches， namely using high-efficiency aeration equipment for replacement， replacing surface aeration with bottom microporous aeration， and carrying out intermittent aeration and precise aeration.

Keywords： sewage treatment plant; energy conservation and carbon reduction; aeration system; intermittent aeration; accurate aeration

截至2020年底，我国县级以上城市污水处理厂有4 326座，年处理污水655.9亿m3，年消耗的电量为337.7亿kW·h，占社会用电量的0.45%[1]。2020年，我国执行《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB 18918—2002）一级A及一级A以上排放标准的污水处理厂的单位水量电耗为0.405 kW·h/m3，执行一级A以下标准的污水处理厂的单位水量电耗为0.375 kW·h/m3[1]，比发达国家的平均单位水量电耗高很多[2]。我国污水处理厂平均进水污染物浓度不到发达国家的50%[3]，但单位污染物消减电耗至少比发达国家高出100%。所以，我国污水处理厂的节能降碳空间还很大。

污水处理厂的碳排放包括直接排放和间接排放，根据《污水处理厂低碳运行评价技术规范》（T/CAEPI 49—2022），污水处理厂的直接碳排放主要包括CH4、N2O和消耗石化燃料产生的CO2，间接碳排放包括外购的电能、热能和化学药剂所对应的碳排放量[4]。根据联合国政府间气候变化专门委员会（Intergovernmental Panel on Climate Change，IPCC）的定义，污水处理生物降解过程排放的CO2不计入碳排放范围[5]。污水处理厂碳排放要素中，比例最高的是电耗。蒋富海等[6]以10座污水处理厂为样本，研究发现，电耗的碳排放量贡献权重为31%～64%。胡香等[7]对巢湖流域22座污水处理厂的碳排放进行统计，研究发现，电耗引起的碳排放占比为61.55%～73.56%。污水处理厂进水浓度越低，出水标准越高，直接碳排放特别是电能消耗产生的碳排放占比越高。曝气系统消耗的电能占污水处理厂电耗的50%以上[8-9]。曝气系统的运行效果直接影响污水处理厂脱氮除磷效果，若曝气过量，则会导致污水内源性碳源的不必要消耗，导致生物脱氮除磷效率的降低，需要的外加碳源和除磷药剂投加量增加，导致药耗产生的碳排放量增加。所以，曝气系统节能是污水处理厂碳减排的关键，研究曝气系统的节能技术具有重要意义。

1 我国污水处理厂曝气系统能耗偏高的原因

1.1 实际进水负荷低于设计进水负荷

进水负荷低包括进水量小和进水浓度低两种情况。进水负荷低是导致曝气系统过量曝气的重要原因。过量曝气不仅导致电耗偏高，还会造成污水中的内源碳源被过度消耗，并造成厌氧池、缺氧池溶解氧浓度偏高，影响脱氮除磷效果，这就需要投加更多的碳源和除磷药剂，使药剂投加引起的碳排放量增加。

1.1.1 进水量小

一般来说，在污水处理厂刚建成的前几年，由于城市发展滞后或污水管网建设滞后，进水量难以达到设计规模。此外，在合流制城区或雨污混接严重的城区，旱天污水量比雨天污水量小很多，水量波动大，这就需要更精确地调节和控制曝气量，否则很容易导致低水量时曝气过量，影响脱碳除磷效果，导致电耗和药耗的增加。长沙市旱季和雨季污水处理量的变化如图1所示。雨季污水处理量比旱季大30%～40%，季节性因素引起污水处理量变化，这就需要更精确地调控曝气系统。

1.1.2 进水浓度低

我国城镇污水处理厂实际进水污染物浓度普遍远比设计值低。在污水处理厂设计中，设计进水水质一般是按中远期污水管网完善情况考虑的，根据《室外排水设计标准》（GB 50014—2021），生活污水的五日生化需氧量（Biochemical Oxygen Demand after 5 days，BOD5）按40～60 g/（人·d）计算[10]，一般取40 g/（人·d），大部分城市人均污水排放量为200～350 L/（人·d），设计BOD5浓度一般在110～200 mg/L。据统计，我国68%的污水处理厂的实际年均进水BOD5低于100 mg/L，其中40%的污水处理厂年均进水BOD5浓度小于50 mg/L[3]。从进水浓度与所需曝气量看，我国大部分污水处理厂的曝气系统在设计上存在“大马拉小车”的情况，即配置的曝气设备风量大，实际所需风量小。曝气设备“大马拉小车”的配置极易导致曝气过量，增加能耗。

1.2 曝气设备台数配置不合理

由于未考虑在实际运行中低进水负荷比较多的情况，很多污水处理厂在设计曝气设备台数时存在配置不合理的问题。例如，很多中小型污水处理厂在鼓风机房的设计中通常采用2台常用、1台备用（共3台）的方式配置鼓风机，这是在设计水量和设计进水水质条件下的最优方案。但在低进水负荷条件下，开启1台风机并按最小风量运行，也可能出现曝气过量，增加电耗。通过加装变频器或其他调节手段减小风机的供气量，可以避免曝气过量，但是这些措施也会导致鼓风机运行工况偏离高效区间，导致效率降低和能源浪费。在污水处理厂进水污染物浓度普遍偏低的情况下，应考虑采用增加风机台数、减小单台风机风量的策略配置风机，以满足在污水处理厂低进水水质或低进水量时段的风量调节需要。另外，以前我国经济条件较差，而高性能鼓风机需要进口，为节省投资，一般采用风机台数较少的方案。随着国产高性能鼓风机技术的成熟，高性能鼓风机的价格已经下降很多。所以，现在具有实施鼓风机配置优化的条件，以实现节能降碳。

1.3 曝气设备效率低

一些污水处理厂建成时间较早，在当时技术水平下，选用的曝气设备效率低，能耗高。从现在的技术和节能标准看，罗茨鼓风机、多级低速离心鼓风机、转碟曝气机、转刷曝气机等设备都属于效率较低的曝气设备，它们的效率一般只有40%～65%，比目前较先进的高速离心鼓风机效率低15%～40%。此外，部分污水处理厂采用底部微孔曝气的厌氧-缺氧-好氧（Anaerobic-Anoxic-Oxic，A2O）工艺、缺氧好氧（Anoxic Oxic，AO）工艺等，曝气器老化、堵塞等原因也将导致充氧效率降低、阻力增大，增大鼓风机的能耗。

1.4 生化池的推流搅拌器设置不合理

在表面曝气氧化沟工艺中，表面曝气机不仅具有曝气功能，还有搅拌推流功能。在设计进水负荷条件下，这是很合理的设计方案。但是，在低进水负荷情况下，可能需要减少曝气量或停止曝气，但为了防止污泥沉降或泥水分离，氧化沟必须保持足够的推流速度，曝气机不得不继续开启，因而造成过量曝气，导致脱氮除磷效果差和电能浪费。为了在低进水负荷时更节能地运行，氧化沟应该合理设置推流器。

A2O工艺和AO工艺的好氧池一般按满池布置微孔曝气器，不设置推流器，所以需要依靠足够的曝气量来保证不发生泥水分离或污泥沉降现象。在低进水负荷条件下，为避免过量曝气，要减小曝气量或间歇曝气。但是，这种运行方式容易发生污泥沉降或泥水分离现象，影响处理效果。为了在低进水负荷下更节能地运行，A2O工艺和AO工艺的好氧池应该合理地增加推流器。

2 污水处理厂曝气系统节能降碳的技术途径

2.1 高效曝气设备替换

对于还在使用效率较低的罗茨鼓风机、多级低速离心鼓风机、转碟曝气机和转刷曝气机等曝气设备的污水处理厂，或曝气设备已经严重老化、效率下降严重的污水处理厂，应从节能降碳的角度对老旧低效曝气设备进行能效评估，及时更换节能效果好的新型高效曝气设备。当前，大型污水处理厂使用的单级高速鼓风机、磁悬浮鼓风机和空气悬浮鼓风机等高速风机的效率一般介于80%～85%。但是，目前市场上还没有小功率的高速离心鼓风机产品，规模在2 000 m3/d以下的污水处理厂依然只能使用效率较低的罗茨鼓风机等曝气设备，这些曝气设备的效率一般只有40%～65%，还有很大的节能空间。所以，研发更高效的小型曝气设备对小型污水处理厂的节能降碳很有意义。

2.2 表面曝气改为底部微孔曝气

在水深合适的情况下，底部微孔曝气比表面曝气更节能。因此，把氧化沟的曝气方式由表面曝气改为底部微孔曝气，可以带来较好的节能效果。从已实施表面曝气改为底部微孔曝气的改造项目看，这种改造不仅取得较好的节能降耗效果，还提高生物脱氮除磷效率。陈超[11]研究指出，某污水处理厂将表面曝气改为底部微孔曝气，改造后，污水处理厂总电耗降低24.7%，氨氮、化学需氧量和总磷的去除率分别提高30.39%、5.39%与2.09%。谢继慈等[12]研究指出，某污水处理厂将表面曝气改为底部微孔曝气，改造后，污水处理厂能耗节省0.09～0.12 kW·h/m3水，生物脱氮除磷效率显著提高。在底部微孔曝气中，氧的传递效率与水深呈线性正相关，当水深小于某一临界值时，底部微孔曝气的效率反而比表面曝气更低。一般认为，水深大于4 m是氧化沟适合改成底部微孔曝气的一个条件。

2.3 间歇曝气技术

对于进水浓度较低的污水处理厂，采用连续流间歇曝气可以很好地解决过量曝气导致的脱氮除磷效果差和能耗高的问题。连续流间歇曝气是指生化池处于连续进水和连续出水状态，曝气系统按周期性的曝气/停止曝气方式运行。1986年，ARAKI等[13]进行氧化沟间歇曝气脱氮的研究，之后很多学者做了氧化沟连续流间歇曝气的试验研究。侯红勋等[14]在污水处理厂（设计处理规模10万m3/d）进行氧化沟间歇曝气的生产性试验，采用连续流间歇曝气的方式运行后，总氮和总磷的去除率提高20%和49%，全厂能耗节省21%。何全等[15]在污水处理厂（设计处理规模4万m3/d）进行氧化沟间歇曝气的生产性对比试验，氧化沟按曝气2 h、停止曝气2 h的方式运行，结果发现，在冬季低温条件下，相比连续曝气方式，采用连续流间歇曝气运行，曝气系统能耗节省42%，总氮去除率提高9.6%，总磷去除率提高6.9%。郑琬琳等[16]在污水处理厂（设计处理规模4万m3/d）进行连续流间歇曝气运行的生产性试验，A2O池改为连续流间歇曝气方式（曝气3 h，停止曝气3 h）运行后，污水处理厂出水水质依然可以稳定达标，并节省18.3%的电耗。目前，连续流间歇曝气运行的工程应用案例还不多，还有一些技术难题需要解决。

对于采用底部微孔曝气的A2O工艺来说，限制连续流间歇曝气推广应用的原因有两点。一是高速离心鼓风机在启动时会产生高分贝、尖锐的噪声，按连续流间歇曝气方式运行，频繁启停会产生噪声而扰民。二是如果按间歇曝气方式运行，空气悬浮鼓风机和磁悬浮鼓风机频繁启停，会造成风机的无接触悬浮轴承频繁与壳体接触，容易引发悬浮轴承受损，提高故障率，甚至影响风机寿命。

氧化沟和A2O工艺采用连续流间歇曝气时，应充分考虑好氧池在停止曝气阶段的推流速度，必要时应考虑增加推流搅拌器，以防止污泥沉降或泥水分离。在停止曝气阶段，出水氨氮浓度上升很快，容易出现氨氮超标。因此，要更加深入地开展研究，科学地设置和及时调整曝气/停止曝气的周期，更好地提高节能降耗效果和污染物去除效果，避免出现出水氨氮瞬时超标现象。

污水处理厂担心采用连续流间歇曝气可能导致出水氨氮瞬时值超标，这是限制连续流间歇曝气推广应用的主要原因。2022年1月，生态环境部办公厅发布《关于征求〈城镇污水处理厂污染物排放标准〉（GB 18918—2002）修改单（征求意见稿）意见的函》[17]，本次修改内容主要是增加一次监测最高允许排放浓度，该一次监测最高限值在原日均值基础上有了大幅提高，但日均值仍然维持不变。例如，一级A排放标准的氨氮一次检测值低于10 mg/L（水温低于12 ℃时为15 mg/L），日均浓度低于5 mg/L（水温低于12 ℃时为8 mg/L），则仍然可认定出水氨氮达标。若该修改单最终能发布实施，则有利于解决连续流间歇曝气造成瞬时氨氮超标的监管问题，有利于氧化沟工艺连续流间歇曝气的推广应用。

2.4 精确曝气技术

污水处理厂的水量和进水浓度波动较大，同一天的不同时间段差别也很大，所需曝气量随水量和水质而波动。如果只依靠人工经验调节曝气系统曝气量，就很难做到精确，甚至会影响水质稳定达标。随着大数据和人工智能的发展，人们提出污水处理厂精确曝气的理念。精确曝气技术已经在一些污水处理厂有了应用，曝气系统节能率一般为10%～20%[18]。如果精确曝气与其他工艺改造相结合，就可以取得更好的处理效果。朱洁等[19]对某污水处理厂多段AO工艺进行精确曝气改造，曝气系统节能率可达49.8%。精确曝气和智能曝气是未来污水处理厂节能降碳的重要发展方向。目前，精确曝气和智能曝气在数据采集分析的实时性、准确性方面还存在不足，需要更多的技术突破，风机、阀门的实时精准调控和气量精准分配等还需要更多的研究与突破。

3 结语

曝气系统的节能是污水处理厂碳减排的关键。污水处理厂进水负荷偏低是我国污水处理厂曝气系统能耗偏高的主要原因。污水处理厂进水负荷偏低容易导致过量曝气，既浪费电能，还导致电耗和药耗的碳排放增加。曝气系统能耗高的其他原因还包括曝气设备老化低效、曝气设备和推流搅拌设备配置不合理等。采用高效曝气设备替换低效曝气设备，利用底部微孔曝气替代表面曝气，运用连续流间歇曝气、精确曝气等技术方法是实现污水处理厂曝气系统节能降碳的有效手段。

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17 生态环境部办公厅.关于征求《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB 18918—2002）修改单（征求意见稿）意见的函[EB/OL].（2022-01-30）[2024-02-26].https：//www.mee.gov.cn/xxgk2018/xxgk/xxgk06/202201/t20220130_968675.html.

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作者简介：崔丹丹（1980—），女，湖北钟祥人，硕士，高级工程师。研究方向：生活污水处理理论与技术。

通信作者：尹华升（1979—），男，湖南隆回人，硕士，教授级高级工程师。研究方向：水污染防治理论与技术。