德陽市某污水處理廠能耗分析及節能降耗措施研究

張金梅 鄭兵 廖耿 劉保偉 徐載杰

摘要：以德陽市某污水處理廠（采用改良型A2/O+D型濾池工藝）為例，通過對污水廠的電耗和藥耗進行分析，提出了污水廠在運行環節、工藝環節及水泵運行和選型方面的節能降耗措施。結果表明：采取節能降耗措施后，污水廠的能耗有明顯下降。建議在水質穩定達標的基礎上，更換定頻泵，增設在線檢測儀表，優化運行參數，以期達到更好的節能效果。

關鍵詞：污水處理廠;能耗;節能降耗

中圖分類號：X703

文獻標識碼：A

文章編號：1674-9944（ 2019） 24-0120-04

1 引言

城市污水處理是一種能源密集的高耗能產業，其消耗的能源主要包括電能和藥劑等，其中電耗約占總能耗的60%～90%[1]。高能耗一方面導致污水廠的運行成本不斷上升，另一方面也和目前我國實行的“節能減排”大政方針背道而馳。污水處理效果及其運行能耗成為評價城鎮污水處理運行效能和技術經濟性的重要指標[2，3]。因此，根據污水廠的實際運行情況，進行相應的能耗分析，并提出節能降耗的措施，對污水廠的節能降耗具有十分重要的意義。

2 污水處理廠概況

2.1 概況

德陽市某污水處理廠（一期）設計規模為日處理城市生活污水5萬t，配套建設截污干管14 km，采用改良型AAO加D型濾池的三級生化處理工藝，占地100. 69畝，工程總投資18993萬元。該項目于2010年5月動工建設，2012年7月投入試運行。目前每天處理水量約5萬t，污泥處理量20 t，處理尾水各項指標達到國家《城鎮污水處理廠污染物排放標準》（GB 18918- 2002）一級標準的A類標準。

2.2 工藝流程

城市污水首先經過調流井，然后自流至粗格柵，由提升泵房提升后送至細格柵，再經過渠道送至曝氣沉砂池。污水沉砂后，經計量配水到改良型A/A/O生化池進行生化反應，出水進入沉淀池沉淀，上清液出水與PAC溶液混合后進入D型濾池，再經紫外線消毒渠消毒后，排入受納水體。剩余污泥由泵送入儲泥池，然后進入污泥濃縮脫水間經離心脫水后外運至垃圾填埋場進行衛生填埋（圖1）‘4]。

對比表2和表1后可以知道，進水COD在觀測的11個月里有5個月明顯低于設計值，BOD5的平均值還有46 mg/L，一直低于設計值，BOD5/TN的平均值僅為1. 62，由此可以判斷，碳源是嚴重不足的。

3 污水處理廠的能耗組成和分析

3.1 能耗組成

污水廠的能耗主要包括粗格柵、污水提升泵、細格柵、曝氣沉砂池、生化池好氧區曝氣系統、混合液回流泵、污泥脫水系統、D型濾池、紫外線消毒系統、碳源投加系統、除磷劑投加系統等。簡而言之，污水廠的能耗主要是電能消耗和藥劑消耗，如果能夠對這兩方面進行合理的調整和控制，那么污水廠的能耗將會大幅度降低。

3.2 電耗分析

污水廠的電耗是整個能耗的重要組成部分，其中電能消耗較大的是污水提升系統、生化池的鼓風曝氣系統和混合液的回流系統。根據2017年10月至2018年8月共11個月的實際運行情況，污水廠的噸水耗電量如圖2。

通過上圖可以看出，噸水耗電量均值為0. 275kWh/m3，高于我國典型二級污水廠0. 266 kWh/m3的污水處理比能耗[5]，電耗具有進一步的下降空間。

3.3 藥耗分析

碳源不足，為了保證TN的去除效果，必然要投加碳源。該污水廠的外部碳源均采用乙酸，投加在生化反應系統，其投加濃度為30～50×10^-6，噸水投加費用為0. 08元至0.1元，具體投加量見圖3，乙酸的投加均值為5. 55 t/月。除了2018年1月乙酸投加量偏高外，基本上是穩中有降的。

該污水廠的運行是在保證TN的去除后再考慮TP的去除，所以生物法能夠的去除的磷是有限的，TP的去除主要還是依靠化學法除磷。化學除磷劑采用的是聚氯化鋁（PAC）[6]，投加在沉淀池出口，其投加濃度為40～60×l0^-6，噸水投加費用為0. 04～0.06元，具體投加量見圖4，PAC的投加均值為94.8 t/月[7-9]。

絮凝劑采用的是PAM，投加濃度為40～50×10 -6，投加在污泥脫水系統中，具體投加量見圖5，PAM的投加均值為0.56 t/月。

4 節能降耗措施分析

4.1 污水廠運行節能分析

目前電力部門對于污水處理廠采用的是大工業電價計費方式，該計費方式分為峰、平、谷三個不同時段，單位電價分別為0. 7905元/kW.h、0.527元/kW.h、0. 2635元/kW.h。其中谷段（每日23點至次日7點）的電價是最低的，污水廠可以在這個時段加大進水量，并進行污泥的脫水等，從而可以降低單位電耗[10-12]。

污水廠晝夜進水水質波動較大，一般來講，2：OO -6：00水質很淡，11：30-19：00，濃度較高。該污水廠并沒有設置調節池，對水質沒有緩沖作用。所以污水廠應該采取“錯峰”運行，在水質淡的時候，可以適當超負荷（控制在1.3倍以內）運行，降低曝氣量，降低混合液的回流比，減少投藥量，進而降低單位電耗，同時還可以節省投藥量。

污水廠采用每日2：00～6：00以超設計處理負荷的20%運行后，污水處理的噸水耗電量由現在的0.275kWh/m3下降到了0. 23 kWh/m3，節能效果顯著[13]。

4.2 工藝環節節能降耗分析

4.2.1 格柵及曝氣除油沉砂池

當柵渣量和泥砂量較少且比較穩定時，將粗、細格柵和曝氣除油沉砂池設備的開啟模式從連續開啟改為間歇開啟，并適當延長間歇時間，以達到降低電耗的目的。

4.2.2 曝氣系統（含表曝機和池底微孔曝氣）

經過長期的工藝運行發現，廠區的實際進廠水質大部分時候遠遠低于設計值，導致實際需要的曝氣量遠低于設計風量，曝氣系統有較大的節能降耗空間。

根據進水水質及時調整曝氣設備（轉碟曝氣機、鼓風機）的運行頻率。以該污水廠多級離心鼓風機為例，每小時調低500立方風量，運行電流大約下降12安培，每小時節約電量約4.5 kW.h[14]。

污水廠采用了“低溶氧”工藝[2]優化運行模式，將好氧區分為三段，設置前置和后置缺氧區，將缺氧區DO控制在0. 2～0.5 mg/L，從而降低了曝氣量[15-17]。

風機選型時，盡量選擇小型號但是調整范圍大的風機，同時采用變頻風機的數量盡量達到50%以上，不同風量可以對應不同的電流，從而降低風機運行電耗。

4.2.3 污泥脫水系統

通過降低差速或增加轉鼓轉速來降低污泥含水率，以此降低PAM藥劑的消耗量。同時將污泥預濃縮（重力濃縮）后再進行污泥脫水工作，從而降低電耗。

4.2.4 D型濾池

根據沉淀池出水SS值和濾池過水量情況，及時調整反沖洗周期。適當延長反沖洗周期，以達到增加處理水量并減少電耗的目的。另外，可以考慮將處理后的中水作為反沖洗水源，這樣既降低了噸水電耗又提高了中水回用率。僅此一項技改，每日將減少約3000 t水量損耗，污水處理的噸水耗電量將由0. 27 kW.h/m3下降至0. 25 kWh/m3。

4.2.5 紫外線消毒系統

適當減少紫外線燈管的開啟數量，這樣既節省了電費又延長了燈管的使用周期。同時還可以采用更簡單、更經濟的消毒方式。以污水廠為例，紫外線消毒系統總功率23. 04 kW，噸水耗電量約為0.011 kW.h。如果投加次氯酸鈉，經反復試驗，次氯酸鈉的投加濃度在5～10×10^-6，既可滿足消毒要求，噸水投加費用僅為0.005～0. 01元。

4.2.6 碳源投加系統

污水廠采用“低溶氧”工藝[2]優化運行模式后，可以降低2/3的外部碳源投加量甚至不需要再投加外部碳源，實際運行結果也表明，這一措施能極大降低乙酸用量，2018年3月以來乙酸投加量一直在3t以下，6月和7月的用量為O。同時積極挖掘“內碳源”，通過工藝控制，使污泥進行自身氧化分解從而回收部分碳源，從而減少外加碳源的投加量。

4.2.7 除磷劑投加系統

積極尋求更為低廉優質的除磷藥劑（如生物制劑），以降低單位投加費用。另外強化生物除磷工藝運行，縮短污泥的系統停留時間，也可以減少除磷劑的投加量。

4.3 水泵節能降耗分析

污水廠中的污水提升、混合液回流、污水污泥排放等據需要水泵，水泵的能耗僅次于曝氣設施。

4.3.1 污水提升泵

水泵選型時，可以將定頻泵和變頻泵進行合理搭配，通過兩種泵的聯合運行，以更好地適應流量的變化。污水廠進水流量往往隨時間、季節波動，要及時調整變頻泵的運行頻率，確保水泵高效運行。以該廠1#變頻泵為例，每調低1赫茲頻率，運行電流大約下降4安培，節能效果明顯。

在進水量足夠、進水水質沒有大幅度超過設計值、工藝運行正常時，可以適當調高變頻泵運行頻率增加處理污水量，進而降低噸水電耗。

4.3.2 混合液回流泵

當總氮的削減壓力不大時，可以降低內回流泵的運行頻率和開啟臺數，也可以將內回流比由200%降低至150%左右，但是污水廠采用的回流泵還是定頻泵，無法調節運行頻率，后期將會通過技術改造升級為變頻泵。變頻泵可以根據進水TN及混合液硝態氮的濃度，及時調整混合液回流泵的頻率和啟停數量，從而降低電耗。

4.4 后期運行效果分析

通過對2018年9月至2018年12月4個月的運行數據進行分析，對比2017年10月至2018年8月11個月的運行數據，發現噸水電耗平均值由0. 275 kW.h/m3下降至0. 265 kW.h/m3，PAC的投加均值由94.8 t/月下降至71.2 t/月，PAM的投加均值由0.56 t/月下降至0. 44 t/月，只有乙酸的投加均值由5.55 t/月上升至15 t/月（表4）。

以上數據表明，通過對工藝參數進行優化，合理控制水泵的運行，污水廠的電耗和藥劑耗量確實有明顯下降，但是由于進水碳源在2018年9月至2018年12月嚴重不足（BOD5/TN=l. 21），導致乙酸投加量上升。

5 結論與建議

（l）德陽市某污水廠本著“先優化工藝，再技術改造”的原則，不斷優化運行參數，調整生化池中好氧區的溶解氧量，采用“低溶氧”工藝，同時在運行中對藥劑進行精確投加，并對水泵進行相應的更新，以此來降低污水廠的運行成本，實際運行情況表明，以上措施可以顯著降低污水廠的能耗，節能效果明顯。

（2）曝氣設備能耗和污水提升能耗在污水廠的能耗中占比都很大，目前采用的提升泵、回流泵都是定頻泵，變頻風機的占比也不足50%，建議在后期技術改造時對定頻設備進行更換，提高設備運行效率。

（3）目前污水廠檢測的水質指標主要是進水和出水指標，缺乏對中間環節水質指標的檢測，建議在后期技術升級改造中增加在線儀表的安裝數量，加強對水質指標的實時監測，進而及時調整設備的運行情況，降低藥劑投加量和電能消耗。

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收稿日期：2019-11-13

作者簡介：張金梅（1980-），女，碩士，副教授，主要從事水污染控制理論與技術方面的研究。