試論AO及AAO污水處理工藝單元運行能耗分析及節能運行策略

文_曹勇 廣東森海環保裝備工程有限公司

1 AO及AAO污水處理工藝單元運行能耗分析

1.1 AO及AAO污水處理工藝單元組成

典型的污水處理工藝單元一般由格柵、提升泵站、沉砂池、初沉池、二沉池、污泥處理處置單元、污泥泵組成。

1.2 主要能耗點

1.2.1 實例概括

為提升研究的實踐價值，本文選擇了某地采用AAO污水處理工藝的S污水處理廠作為研究對象，該污水處理廠的總處理量為10×104m3/d，為滿足當地污水處理需要，污水處理廠采用的AAO污水處理工藝增設了轉盤過濾系統（深度處理單元），并在好氧區中段新建了按照50%填充率投加的人工填料區，好氧區的活性污泥濃度、硝化速率、低溫條件下的硝化效果均得到較好保證。

1.2.2 能耗點分析

表1為S污水處理廠改造前后的各單元能耗比例，由此可直觀發現S污水處理廠AAO污水處理工藝單元的能耗點，即進水泵房、曝氣系統、污泥處置，因此節能運行改造必須重點圍繞進水泵房、曝氣系統、污泥處置環節展開。

表 1 改造前后的各單元能耗比例（%）

2 AO及AAO污水處理工藝單元節能運行策略

2.1 基本策略

2.1.1 充分利用新設備、新技術

（1）變頻節能的污水提升泵。AO及AAO污水處理工藝單元的污水提升泵的耗能較高，這是由于污水提升泵的設計往往僅考慮最大流量、揚程等最不利因素，水泵揚程偏高、偏離設計揚程等問題往往因此出現，這不僅會大量浪費電能，電機過熱還會直接影響污水提升泵的使用壽命。因此，本文建議采用變頻節能的污水提升泵，由此根據集水池水位、流量變化合理控制泵機轉速，即可保證污水提升泵始終處于高效區。適當提高泵前水位也能夠較好降低污水泵送過程能耗，這一目的可通過提高污水處理廠前端管網蓄水水位實現，在前端管網的蓄水能力支持下，污水泵送過程能耗可實現20%左右的降低。（2）高效率新型曝氣設備。曝氣池的能耗在AO及AAO污水處理工藝單元占比較大，因此本文建議引入高效率新型曝氣設備，如新型曝氣頭、混合曝氣方式等，新型曝氣頭包括淹沒式的多孔擴散頭或空氣噴嘴、可精確控制曝氣量的微孔曝氣頭，配合基于月份、季節、實際的污水處理廠曝氣量動態調整，即可有效降低曝氣設備能耗；混合曝氣方式指的是微孔曝氣與機械曝氣的結合，這種結合需要將曝氣池分為三個部分，依次為入口缺氧區、表面曝氣完全混合區、推流式漸減微孔曝氣區。（3）自動控制技術。基于自動控制技術的曝氣池供氧系統自動調節同樣可較好服務于AO及AAO污水處理工藝單元的節能運行，在現場PLC及相關算法的支持下，自動控制技術可根據曝氣池溶解氧濃度自動進行供氣量的調整，污水處理的“因變而變”目標也能夠由此實現，污水處理廠不僅能夠有效降低AO及AAO污水處理工藝單元能耗，其出水水質、經濟效益、環境效益也能夠得到較好保障。

2.1.2 探索、應用低碳處理工藝

低碳處理工藝同樣可較好服務于AO及AAO污水處理工藝單元的節能運行，反硝化除磷工藝、自養脫氮工藝、碳源循環利用工藝均屬于其中代表，以其中的反硝化除磷工藝為例，該工藝可實現生物脫氮與除磷的合二為一，且多余的COD能夠在該工藝支持下轉化為CH4能源，在DPB細菌的支持下，反硝化除磷也能夠由此同步實現，AO及AAO污水處理工藝的污泥回流量、硝化液回流量均可實現有效降低，低碳處理工藝的節能效果可見一斑。

2.1.3 優化AO及AAO工藝控制系統

為實現AO及AAO污水處理工藝單元節能運行，AO及AAO工藝控制系統的優化同樣不容忽視，這一優化需圍繞控制系統的結構、算法等方面展開。該典型結構下控制系統的優化需重點關注曝氣池的溶解氧設定值、內外回流量、外加碳源投加量、化學除磷藥劑投加量，而為了將這種關注轉化為合理高效的控制，遺傳算法的應用必須得到重視。

2.2 實例分析

2.2.1 進水泵房

S污水處理廠進水泵房的能耗控制可通過充分利用前端管網蓄水能力實現，由此減少泵的開啟臺數，進水泵房的能耗自然可實現有效降低，AAO污水處理工藝的穩定性與處理效果也能夠得到較好保障。S污水處理廠進水泵房由2臺115kW（1用1備）、5臺130kW（3用2備）的潛水排污泵組成，采用交替運行發那個是，無無變頻控制系統，泵吸水揚程為120kPa。污水處理廠前端管網存在主提升泵站4座，流量總和為19×104m3/d，泵站到污水處理廠最短管道的管徑、長度分別為1.5～2m、5km，污水管網坡度為0.05%，因此可確定污水處理廠到4座泵站管道的蓄水能力至少為15×104m3。

表2 S污水處理廠2016年進水泵房能耗

表2為S污水處理廠2016年進水泵房能耗，1、2、9、10、11、12月S污水處理廠進水泵房均開啟3臺130kW的潛水排污泵，其余月份則開啟3臺130kW的潛水排污泵及1臺115kW的潛水排污泵。而通過前端管網蓄水能力利用，可少運行3、4、5、6、7、8月的1臺115kW的潛水排污泵，由此即可實現20%的進水泵噸水耗電量，20%的節能效果證明了提高泵前水位策略的實踐應用價值。

2.2.2 曝氣系統

S污水處理廠曝氣系統存在鼓風機開啟完全基于運行管理人員經驗問題，進、出水水質變化未得到關注，這種情況屬于我國各地污水處理廠出現的普遍性問題，因此本文建議通過變頻改造降低曝氣系統能耗，這一改造需通過進水水質和水量實現季節性的曝氣系統控制。結合S污水廠的進、出水水質核算生物池曝氣系統需氧量，即可得出生物池曝氣系統節能結果。

2.2.3 污泥處置環節

對于正常運行的AAO污水處理工藝系統來說，進水水質、進水水量、溶解氧、污泥濃度則屬于其污水處置環節的主要工藝參數。考慮到進水水質、進水水量無法控制，S污水廠采用了控制污泥濃度的節能運行策略，污泥負荷率為污泥濃度的調控依據，S污水廠的污泥負荷率曾長期控制在0.15kgBOD5/(kgMLSS.d)以下，但由于BOD5的檢測耗時較長，這就使得污泥濃度的指導調控較為滯后，AAO污水處理工藝單元的能耗因此受到了較為負面影響。最終，S污水處理廠選擇了污泥的COD負荷率作為曝氣池內污泥濃度的控制指標，由此控制剩余污泥排放量、回流污泥比，污泥負荷率因此被控制在0.07～0.1kgCOD/(kgMLSS.d)區間，曝氣池氧氣供應量在表4的基礎上實現了進一步降低，降低幅度在10%～20%區間，由此降低的鼓風機能耗必須得到重視。

3 結論

AO及AAO污水處理工藝單元的節能運行具備較高現實意義，在此基礎上，本文涉及的變頻節能的污水提升泵、高效率新型曝氣設備、自動控制技術、反硝化除磷工藝等內容，則提供了可行性較高的節能運行路徑。而為了更好推動我國污水處理事業發展，需要對進水預測模型的建設、工藝沿程測量探頭的增設同樣更加重視。