城市污水處理廠節能減排的路徑分析

文_苑建立 牛紀娥 山東省城建設計院

截止2021年10月底，山東省建成城市污水處理廠325座，其中正常運行323座、正在調試2座，全部達到一級A排放標準。經計算，山東省全省污水處理廠日消耗電能約高達920萬kWh/d，需要消耗標準煤3128t/d，產生二氧化碳8004t/d。一年消耗的標準煤量高達114萬t，產生二氧化碳292萬t。而每m2成年樹林每天僅可吸收0.1kg的二氧化碳，全省污水廠每日消耗電能所產生二氧化碳需12萬畝成年樹林才能吸收。可見污水處理廠運行中減碳的重點之一就是降低能耗。

1 污水處理廠電耗組成分析

以山東省某新建5.0萬m3/d生活污水處理廠為例，該污水處理廠出水標準達到一級A標準，處理工藝包含預處理、生化處理、深度處理、消毒處理及污泥處理等五部分，計算有功功率1281.1kW。各單體計算計算有功功率及電耗占比詳見表1。

經表1分析可知，污水處理廠能耗最大的地方在污水提升（包含一次提升及二次提升）、生化處理的曝氣、濾池（含反洗風機、反洗泵）及污泥脫水這四個部分，分別占比16.4%、35.3%、12.8%及14.7%，能耗總和可以占到全廠總電耗的79.4%。主要高能耗設備是曝氣風機、反洗風機、提升和反洗水泵、污泥脫水機等設備，因此污水處理工藝與設備的選擇是污水處理廠設計的核心，也是決定污水處理廠能耗高低的關鍵因素。

表1 污水處理廠各單體計算計算有功功率及電耗占比

2 污水處理廠內部控制節能

2.1 設計節能

（1）精準設計計算優化設計參數

精準計算停留時間、水泵揚程、曝氣風量、設計負荷等，選擇高效節能的處理設備。

（2）合理布置總圖降低水頭損失

將污水處理構筑物布置在地勢較低和鄰近排放水體處，減少工藝線內的水頭損失，總圖布置緊湊、流暢，縮短管道輸送長度，減少管道的轉折、迂回，減少跌水。

（3）設計多組水處理構筑物應對水質水量變化

多組水處理構筑物，對水質、水量的適應能力強，在低負荷時可以僅運行一組，節省能耗。

（4）水泵選擇優化

城市污水處理廠的污水來源通常比較復雜，不同時段的水量變化比較大。設計前應盡量做好調研工作，掌握水量變化規律，選擇適當的水泵數量及流量組合。水泵選型時，應仔細研究泵的性能曲線，所選擇泵的工況點應落在高效區內。配合正確的調控方式，可以避免提升泵的頻繁啟停。

（5）曝氣設計

主要包括：合理選擇曝氣設備；準確計算曝氣量；智能調節曝氣風量，間歇曝氣。

2.2 工藝節能

開發應用新型節能新型處理工藝，如昌邑市某污水處理廠采用自養反硝化技術。某些無機化能營養型、光能營養型的硫氧化細菌，可在缺氧或厭氧條件下利用還原態硫（S2-，S0，SO32-，S4O62-，S2O32-等，不同硫化物的反硝化能力由強至弱分別為S2O32-＞FeS＞FeS2＞S）作為電子供體，通過還原態硫獲取能量，同時以硝酸鹽作為電子受體，將其還原為氮氣，完成自養反硝化的過程。去除1g硝態氮需要2.514g硫，產生0.08g有機氮，生成7.54g硫酸根離子，需要0.34g無機碳，0.08g氨氮合成反硝化菌；需要消耗堿度4.57g（以CaCO3計）（試驗測試消耗比例2.9～4.6）。

由表2分析，可知自養反硝化經營成本較異養節省約60%，年節省運行成本約717萬元。

表2 自養反硝化與異養反硝化經濟效益分析對比表

2.3 控制節能

通過傳感技術、大數據技術、云計算技術和物聯網等數字化技術創建工藝模型，工藝模型主要包括除磷加藥模型、污泥回流模型、精準曝氣模型及加碳脫氮模型等，快速感知水質變化，及時智能診斷，精確控制設備，作出智慧決策，實現智能控制。

智慧化管控平臺建設完成后，待運行穩定后，預計可實現能耗、藥耗、水耗以及設備維修等直接費用降低15%以上。

以山東省某10萬t/d水廠為例，應用效益分析如下。

（1）人工成本

參照定員配置標準，預計可節約60%以上人工成本。

（2）關鍵設備用電

該污水處理廠處理關鍵設備總計算有功功率為1256kW，工作時間為24h，應用智能曝氣系統控制系統、智能污泥回流控制系統前，日耗電費30144元。應用后，預計節約電費4521.6元/d，節約率達15%以上。

（3）藥劑用量

藥劑主要包括除磷劑和碳源，應用智能加藥除磷控制系統、智能加碳脫氮控制前，藥劑投加運行費用為8000元，應用后，至少節約藥劑費1200元/d，節約率達15%以上。

（4）運行成本分析（表3）

表3 智能系統應用后節約運行成本分析表

本產品全部應用后，預計節約運行成本7750元/d，折合年創經濟效益282.8萬元。

（5）智能曝氣與智能加藥實例

山東某污水處理廠的處理規模為40萬m3/d，技術特點是精確曝氣控制系統升級，增加氨氮優化模塊和低負荷模塊，進一步降低曝氣環節電耗。

與初設相比，生物處理段電耗可降低15%以上，約每天節電7000kWh。通過智能曝氣可達到年碳減排量約2013tCO2·eq/yr。

該項目中，對于智能加藥環節采用的技術有除磷加藥和尾水消毒，與初設相比藥耗降低了30%～50%，其中PAC減少了7227t/a，次氯酸鈉減少了1840t/a。通過智能加藥可以達到年碳減排量2293tCO2·eq/yr。

2.4 再生水回用

2021年1～10月份，山東省共利用城市污水處理廠再生水25.76億t，同比提高32.44%，主要用于工業企業、城市綠化、道路清掃、景觀環境、濕地環境、補充水源等。

此外，中水還可作為污水源熱泵熱源。冬季污水廠尾水溫度可達7℃，該部分熱能可用于地源熱泵。可用于大約150萬m2的住宅供熱需求，相較于城市集體供熱，單位熱能可節省1/4～1/3的煤耗。

2.5 污泥資源化處置

2021年1～10月份，山東省無害化處理污泥86.84萬t（絕干污泥），主要采用焚燒發電、制磚、制肥、衛生填埋等資源化利用方式處置。污泥制作環保磚，污泥摻比量20%～40%，每塊磚可降低0.04～0.06元。

根據熱電廠焚燒數據顯示，每噸絕干污泥經過焚燒后，可產生約900kWh的電能，相當于消耗了306kg的煤炭。可在完成污泥減量化、無害化、資源化的同時，對外輸出電力、蒸汽和建材，從而實現污泥的“轉廢為能”。全省2021年1～10月份的污泥可經焚燒后產生78156萬kWh的電能，可滿足約20000戶家庭的日常用電需求。

2.6 設備節能

污水處理廠主要耗電設備為風機和水泵，提升泵的電耗一般占全廠電耗的10%～20%，是污水處理廠的節能重點。提升泵的節能首先應從設計入手，進行節能設計；對于已投產的污水處理廠，仍能通過加強管理或更換部分設備進行節能。曝氣風機電耗一般展全廠電耗的20%～30%，鼓風設備主要用于生化池的曝氣，目前國內污水處理行業所用的鼓風機主要有磁懸浮鼓風機、多級離心鼓風機和羅茨鼓風機三種。實施時可采用節能型的磁懸浮鼓風機。

3 “污水處理廠+光伏”項目的應用

3.1 “污水處理廠+光伏”項目可行性

國家明確提出鼓勵污水處理企業綜合利用場地空間，采用“自發自用、余量上網”模式建設光伏發電項目的指導性意見。污水處理廠建設太陽能發電具有集約化用地、自發自用、用電負荷高、就地消納、穩定性好、融資環境佳、與水處理廠生產工藝完美結合等優點。國家針對太陽能發電在用電負荷區的建設和使用提供了大力的政策支持和經濟補助，這也為項目順利實施提供了有利的前提條件。

3.2 “污水處理廠+光伏”項目工程案例

山東省某污水處理廠工程總規模為4萬m2/d，近期建設規模為2萬m2/d，預留遠期2萬m2/d。設計出水水質標準為地方標準，主要指標介于地表水Ⅲ類和Ⅳ類之間。采用先進的“預處理+改良AA/O生化池+二沉池+芬頓氧化+芬頓沉淀池+活性炭濾池+接觸消毒池”的污水處理工藝。全廠總裝機容量1141.65kW(包括照明、非生產用電及檢修)，運行功率842.71kW，計算有功功率 613.95kW，視在功率為643.16kva(經補償后)。

廠區規劃用地面積為49447.8m2，預留遠期用地面積15475.6m2，可安裝光伏的主要為水池上部空間及建筑物屋面，可用于安裝太陽能板的建筑面積為7100m2。

光伏項目選用單晶硅高效半片光伏組，利用污水處理廠屋頂，水解酸化池、生化池、接觸消毒池、二沉池、芬頓反應池及芬頓沉淀池、活性炭濾池池頂上方空間進行布置。有效面積為7262m2，可安裝容量1452kW。

光伏發電系統的生命周期為25年，合計發電量4239.25萬kWh，年均發電量為169.57萬kWh。

按年均光照有效利用小時數按照1600h計算，光伏年均發電量為QZ=169.57萬kWh。

污水廠有功功率620.39kW。年均光伏發電中的自用電量Q1=620.39×1600=99.3萬kWh；年均光伏發電的余電上網量Q2=QZ-Q1=70.27萬kWh，自用電量占光伏發電總量的比例N=Q1÷QZ=58.6%。

4 結語

①為加快發展低碳經濟，實現經濟發展模式轉型，打造清潔能源綜合示范基地，開展城市污水處理廠節能減排項目是十分必要的。

②城市污水處理廠能耗最大的地方在污水提升（包含一次提升及二次提升）、生化處理的曝氣、濾池（含反洗風機、反洗泵）及污泥脫水，電耗占全廠總電耗的79.4%。

③污水處理廠內部節能控制措施主要包括設計節能、工藝節能、控制節能、再生水回用及污泥資源化利用等措施。

④污水處理廠建設太陽能發電具有集約化用地、自發自用、用電負荷高、就地消納、穩定性好、融資環境佳、與水處理廠生產工藝完美結合等優點，具有很廣闊的應用前景。