城市環境污水處理過程節能優化控制方法分析

洪濤HONG Tao

（廣州市凈水有限公司，廣州 510000）

0 引言

隨著我國人口數量的不斷增長，居民及商業、工業的用水量也急劇增加。在早期的工業化進程中，由于對污水排放的不重視，加劇了水資源污染。為了解決這個問題，國家為污水處理項目提供了重要的政策和財政支持，并建立了許多污水處理廠。由于技術、經濟、行政管理的限制，我國污水處理廠的運行成本高，能源消耗大，能耗效率低，很難創造出高額的社會效益。因此，污水處理行業過程分析及節能優化控制具有十分重要的意義。

1 污水節能優化控制方法研究的重要性

1.1 降低能源消耗

自21 世紀以來，節能減排已成為世界各國的熱門話題。因此，如何減少能源的消耗，并了解人類的長期可持續性是重要關注的問題。其中，節能優化型廢水治理是降低能源消耗的重要途徑[1]。污水處理可以通過優化相關項目流程的運行管理并創建可行的處理計劃來提高城市污水處理的效率，從而盡可能地將有限的能源消耗最小化。這樣就可以實現城市的發展目標，并建設生態文明城市。

1.2 優化城市環境污水處理的條件

在機械加工方面，根據城市環境污水處理要求，對過程基礎結構的升級改造和節能優化提出了較高的要求。如果無法通過過程連接來控制節能優化，則污水處理的成本會增加，并且在某些情況下會消耗過多的資源和能源，影響污水處理的效果。因此，必須繼續使用城市污水處理連接過程的條件，有效地將節能優化與污水處理相結合使用，從而實現污水廠的經濟發展目標。

1.3 促進經濟效益的增長

通過繼續使用先進的節能優化，使城市環境污水處理過程得到控制，為污水處理的各個方面創建科學且適當的項目計劃，并將其應用于真實的城市污水處理，不僅可以節省成本，還可以開發其他節能優化控制器技術。促進國家的發展經濟利益的不斷增長。

2 項目概況介紹

大沙地污水處理系統服務面積107 平方公里，服務范圍西起車陂涌流域，與獵德污水處理系統東區邊界接壤，東至夏港大道，北起科學城廣汕路，南至珠江前航道，主要收集深涌流域、烏涌流域的污水和科學城部分地區的污水，當中包含科學城以南地區面積80.9 平方公里，科學城地區面積26.1 平方公里。大沙地分公司主要分為一期廠區（一期原廠區以及提標改造廠區）和二期廠區（大沙地分公司擴建部分），總污水處理規模為45 萬m3/d。其中一期廠區處理規模為20 萬m3/d，二期廠區處理規模25 萬m3/d；同時，大沙地分公司尾水排放標準執行《城鎮污水處理廠污染物排放標準》（GB18918-2002）一級A 標準和地標V 類水較嚴標準，其進出水水質設計值如表1 所示。

表1 大沙地污水廠進出水水質設計值

一期廠區采用的污水處理工藝是改良A2/O 工藝，提標三級處理采用生物濾池和砂濾池工藝；二期采用的污水處理工藝是MBR 膜工藝，其工藝流程圖分別如圖1、圖2所示。

圖1 一期及提標工藝流程圖

圖2 二期工藝流程圖

3 城市環境污水處理過程節能優化控制措施

為了有效降低城市環境污水處理的成本并改善水質，必須通過找到影響系統性能改善的關鍵因素來優化運行管理技術，其關鍵在于流程管理。

3.1 合理調整提升泵投用臺數

當處于進水低負荷時段，大沙地污水廠一、二期提升泵運行數量在滿足控制特定泵房液位的情況下，可盡可能減少其運行臺數，從而避免出現如一期可以只開一臺3#或4#提升泵滿足當時提升量的情況下，實際情況卻是同時運行1#和2#提升泵，造成生產能耗的增加。同時，可以通過增加進水低負荷時期的一、二期粗格柵運行次數，防止泵房液位過低造成提升泵低液位，保護跳泵。

圖3 為2021 年1-7 月大沙地污水廠一二期提升泵月度單位水位電耗趨勢，由圖可以看出，大沙地污水廠一二期提升泵單位水位電耗趨勢均較為平穩，且單耗值較低，特別是二期提升泵，月度單位水位電耗僅為0.02-0.03 度/噸水。根據實時泵房水位變化合理調節提升泵運行頻率和臺數，既可以穩定泵房水位，防止提升泵低水位空轉，又可以降低提升泵的用電量，從而提高污水廠能源利用效率。

圖3 2021 年1-7 月污水廠月度提升泵單位水位電耗趨勢圖

3.2 根據實際水量調整一期二期各級回流泵的使用

按設計標準運行，大沙地污水廠一期生化池混合液回流比應控制在100%-200%，污泥回流比控制在50%-100%；二期生化池缺氧至厭氧區回流比控制在100%-200%，好氧至缺氧區回流比控制在200%-300%，膜池至好氧區回流比控制在400%-500%。

當處于進水低負荷時段，一期以1#線生產線處理為主而2#線減少進水，2#線混合液、污泥回流泵調整至各運行一臺；二期則調整至只有單邊生產線進水，另一邊生產線少量甚至停止進水。少量或停止進水的生產線各級回流只保留一臺回流泵運行，并且調整運行頻率使各級回流按照設計回流比運行。根據實際處理水量及時調整生產線，從而降低機械用電能耗，不僅可延長機械的壽命，還能使污水處理單耗電量降低，提高經濟效益。

3.3 適時調整一、二期鼓風機的投用數量

按設計標準運行，大沙地污水廠一期生化反應池好氧中段DO 應控制在1-2mg/L 之間，末段DO 控制在1mg/L 以下；二期生化反應池好氧段3#DO 計控制在1-2mg/L 之間，末端4#DO 計控制在0.5mg/L 左右。

當進水處于低負荷時段，一期生產線視池面曝氣情況和DO 計數值，盡可能減少鼓風機投用臺數；二期單邊生產線進水，另一邊生產線少量甚至停止進水，此時段內打開生化池鼓風機連通閥，運行一臺生化池鼓風機保證單邊進水的生產線好氧段DO 盡可能滿足上述控制值要求，少量或停止進水的生產線則在保證好氧段有攪拌效果的前提下盡量降低曝氣量。鼓風機電耗是污水處理廠電耗的主要來源之一[2]，因此，根據實際情況調節鼓風機的投用，對污水廠電耗降低有關鍵作用。圖4 為大沙地污水廠2021 年1-7 月一二期鼓風機月度單位水位電耗趨勢，由圖可以看出，隨著工藝調控的科學化和精準化，一二期生化池鼓風機用電量單耗逐漸降低，其中6 月份用電量單耗最低，一期生化池僅為0.05 度/噸水，二期生化池為0.06 度/噸水，污水廠鼓風機用電量約占總用電量的30%左右。因此，根據水質水量適時調整鼓風機的投用，可以有效地起到節能減排的作用。

圖4 2021 年1-7 月污水廠月度鼓風機單位水位電耗趨勢圖

3.4 應用污水生物脫氮法

在城市環境污水處理過程中，水體的富營養化是一個較突出問題。從污廢水中去除氮和磷已經成為眾多污水處理廠面臨的普遍問題[3]。為了解決水體的富營養化問題，許多污水處理廠采用了生物處理的方法，通過生物化學反應實現污水脫氮除磷。同時，在污水處理過程中，有必要根據污水中不同類型的氮而選擇適當的生物和反應池進行處理。例如，污水中不溶于水體的氮，可以通過沉淀過濾的方式進行處理，從而減少后續生物硝化反應和反硝化反應的負荷，降低生物反應池的能耗，同時達到污水處理的效果。

3.5 采用反硝化除磷技術達到節能優化目標

生物除磷技術是通過聚磷菌的吸磷作用，將污水中的磷聚集在聚磷菌中，并通過排放剩余污泥的形式將其排出，從而降低水中磷的含量。目前研究表明，聚磷菌分為兩種：一種是好氧聚磷菌，以氧為電子受體；另一種是反硝化聚磷菌，以硝酸鹽為電子受體。反硝化聚磷菌在厭氧環境下與好氧聚磷菌一樣，釋放磷并產生ATP。在缺氧段，反硝化聚磷菌以硝酸鹽為受體進行吸磷，并將硝酸鹽轉化為N2，從而實現脫氮除磷。目前最具代表性的反硝化除磷工藝有三種，分別是：BCFS 工藝、Dephanox 工藝、A2NSBR 工藝。其中BCFS 工藝屬于單級工藝，Dephanox 工藝、A2NSBR 工藝屬于雙級工藝。BCFS 工藝已在歐美多個污水處理廠投入使用[4]，而雙級工藝也在我國的一些污水處理廠試驗成功。如鄒偉國創造了PASF 工藝并應用于上海某污水處理廠，結果表明，該工藝出水效果穩定，對氨氮和總磷的去除率分別達到95%和90%[5]。反硝化除磷不僅能實現高效脫氮除磷，而且還能節省部分的碳源和溶解氧，從而促進污水處理廠節能減排。研究表明，實現反硝化除磷可節省50%的COD 和30%的O2消耗量，相應減少50%的剩余污泥排放量[6]。將反硝化脫氮和除磷合二為一，真正地為污水廠節省部分的能源和資源，是一個可持續發展的綠色工藝。

3.6 進一步提升電氣節能優化能力

除水危機外，我國也正在遭受能源危機。我們必須盡力節約能源，減少排放并做好維護和控制工廠電路的工作。此外，注意有關電源線的損耗并選擇質量好的電纜線路，從而減少維護成本。在污水處理廠中，應選擇合適的變壓器并處理三相變壓器電路，污水處理廠的建設所需的工作量相對較小。因此，有必要縮短傳輸線并注意總體分配中的功率損耗。電阻與線的長度成正比，與線的橫截面成反比。因此，通過選擇合適的變速箱可以減少電阻并節省動力。另外，可以增加電線中鋁和黃銅的強度，由于污水處理圈幾乎是恒定的，因此銅線是最佳選擇,同時必須注意確保中央負載變壓器之間的距離不要太大。通過詳細研究提升電氣節能優化能力并應用與污水處理，可以有效節省能源和成本。（如圖5 所示）

圖5 遺傳算法在污水處理廠的應用原理

3.7 做好污水處理單元的條件優化工作

優化對象沿污水處理過程的位置是節能優化和污水處理過程控制的重要部分，其內容主要包括以下三點：①為了實現提高各個污水處理鏈接的污水處理效率的目標，需要根據處理率目標要求開發實用的解決方案；②對于其他污水處理設備，必須及時有效地分析所選設備，并對其進行合理控制以實現最終目標；③為提高我國污水處理技術水平奠定基礎，有必要最終確定污水處理控制平臺的優化方案，并且需要不斷改進污水處理控制平臺。

4 結語

生活用水量不斷增加和工業廢水涌入的廢水處理是否會成功，是我國水資源可持續發展的關鍵。節能優化控制不僅可以節省污水處理成本，還可以節省電力資源并減少能源消耗。因此，使用智能污水處理技術，應用先進的控制方法技術以及提高污水處理效率是非常重要。