城鎮污水處理廠節能技術及對策研究

莊姍姍

（晉江市南港污水處理有限公司，福建 晉江 362211）

污水處理為能耗密集型產業，在日常運行中會消耗大量電力。在我國持續提高污水排放標準的背景下，污水處理中的藥耗及能耗相繼提升，這也是污水處理廠運行成本持續提高的原因之一。近年來，污水處理廠在日常發展中為實現節能減耗目標，積極引入各種新型設備和創新技術，但實施效果和預期目標依然存在一定差距，為此污水處理廠需要從多個層面入手，合理調整技術工藝。

1 我國城鎮污水處理廠的發展現狀

污水處理是保障公共衛生安全的主要策略，當前的污水處理主要以活性污泥法為主，該法能夠全面去除污水中的各種病菌元素、氮磷污染物以及有機物等。通過采取有效的污水處理措施，能夠更好地保障水質安全，優化水生態環境質量，使我國的水生態系統實現持續穩定發展。國內污水處理廠的數量在2006～2010年間呈現直線上升趨勢，2010年后相關上漲數據相繼下降；2006年后，城市污水處理總量也呈現持續上升趨勢，但從2012年后城市污水處理總量上升幅度減緩。結合住建部相關公布數據分析，到2019年底，全國城市污水廠數量總計達到3 717個，整體污水處理能力達到每天1.57×108立方米；全國范圍內有2 107座污水廠正式投入運行，相關污水處理綜合能力達到每天1.29×108立方米；全國總計1 402個縣城建有污水處理廠，占縣城總量的86.9%，總計建設污水廠1 610座，相關污水處理能力達到每天0.28×108立方米。由此可以看出，我國的污水處理廠初步覆蓋大部分城市，在未來發展中，污水處理廠建設速度將會進一步減緩，而在一定階段內，污水處理總量將呈現持續上漲趨勢［1］。

在污水廠自身處理能力持續提升的背景下，相關污水處理標準更加嚴格，對排放水質提出了更高要求。污水處理廠屬于高能耗產業，在水環境污染以及能源危機日益突出的背景下，行業進一步提出節能減耗要求。污水處理工作主要包括傳統污水處理、去除營養物、深度去除以及極限去除等環節，相關運行能耗可以進一步分成直接和間接能耗，其中直接能耗主要源于回流泵、曝氣鼓風機以及提升泵相關設備的運行電能；間接能耗涵蓋污泥脫水、化學除磷等相關化學藥物處理技術。通常在二級處理工藝中，相關電力能耗中污水提升耗能所占比例在10%～20%之間；污泥處理電力耗能比例在10%～25%之間；生物處理電能耗能比例在50%～71%之間，三個處理環節耗電比例超過70%。隨著國內污水處理標準的提升，大部分污水處理廠開始選擇深度處理技術，包括紫外消毒、砂濾、反硝化濾池等相關處理工藝［2］。

2 城鎮污水處理廠的主要工藝流程

城鎮污水處理廠在不同的污水處理環節使用不同的工藝技術，各個環節的水質排放標準存在一定差異。城鎮污水基礎處理流程普遍是污水率先流入粗格柵并初步實施粗略過濾；通過提升泵把污水進一步提升引流至細格柵，流經沉砂池以及初期沉淀池實施粗略沉淀處理；隨后針對污水實施生化處理，包括好氧活性污泥處理；進入二次沉淀池繼續針對污水開展深度處理；將污水引流至消毒池，最終將結束處理的污水排放到外部環境。城鎮污水處理工藝通常涵蓋氧化溝、A/O處理工藝以及MBR處理措施等，其中MBR即膜分離以及活性污泥融合處理措施，在處理后能夠得到較高的出水質量，整體處理效果較好；A/O處理技術即生物處理技術，是一種有效的污水脫氮除磷技術；氧化溝技術是好氧活性污泥處理技術，匯集曝氣、沉淀處理等工藝流程。結合城鎮污水廠實際狀況選擇恰當的處理技術，能夠提高污水處理的節能效果，污水處理廠可以綜合利用各種資源優勢，實現統籌協調設計及分配，提升污染物利用率，使污水處理廠在節能建設中獲得事半功倍的效果［3］。

3 城鎮污水處理廠項目簡介

3.1 目標污水處理廠概況

目標污水廠占地面積達100畝，處理水量達到每天10萬立方米，污水處理廠設計水質是結合實際要求提出的進水水質，且出水設計水質需要滿足城鎮污水排污標準中的一級A排放標準。城市污水經過市政管網流入進水口，并自流到粗格柵，經進水泵進一步提升到細格柵，并流入曝氣沉砂池實施全面除砂；污水進入多模式生物反應池實施除磷和脫氮，通過二次沉淀池對出水實施沉淀處理后，投加除磷藥劑以及在高效沉淀池中實施反應沉淀，沉淀池中出水流入纖維轉盤濾池內實施全面過濾；經次氯酸鈉實施徹底消毒后流入收納水體；對剩余污泥實施濃縮調理和脫水處理，并運輸到外部的污泥處理廠。

3.2 污水處理工藝分析

（1）格柵作為污水預處理中的核心設備，可以進一步分成細型及粗型兩種格柵，能夠有效過濾污水中的大顆粒以及漂浮雜質，更好地保護水泵，避免其出現損傷。通過格柵進行過濾，攔截下來的柵渣需要通過專門設備實施粉碎，整體耗能較高。（2）在污水處理過程中設置提升泵，主要用于后續污水處理，同樣會產生較高能耗；沉砂池內相關設備也會產生一定能耗。（3）在對城鎮污水進行處理時，實施預處理后，展開主要污水處理工藝，即活性污泥處理和二次沉淀，經過好氧活性污泥的污水從曝氣池內流入二次沉淀池中，實施污泥濃縮以及泥水分離，二次沉淀池內的污泥抽吸泵在運行中能耗較大，消毒池中所設置的消毒裝備在運行中也會造成較大能耗。（4）污泥處理作為城市污水處理的重要環節，需要合理設置傳輸裝置、攪拌裝置以及污泥脫水裝置［4］。

4 城鎮污水處理廠的能耗占比情況分析

結合上述內容分析城鎮污水處理各個環節的能耗占比，主要包括污泥處理、生化處理以及預處理三項能耗，其中能耗比例最高的是生化處理環節，在總體能耗中占比達到75.6%；污泥處理能耗占比為4.1%；預處理能耗所占比例為20.2%。為此，城鎮污水廠在污水處理節能建設中需要注重生化處理環節的節能轉型，其次是污水預處理環節，需要采取針對性策略，提升城鎮污水處理節能效果，降低污水處理成本［5］。城鎮污水處理廠能耗占比情況見表1。

表1 城鎮污水處理廠不同環節能耗占比情況

5 城鎮污水處理廠相關節能技術與對策分析

5.1 污水提升泵的運用

在污水處理廠中應用污水提升泵主要是為了進一步控制污水處理環節的電能消耗，為此需要技術人員根據污水處理需求，合理選擇污水提升泵，同時兼顧污水提升泵的操作性能。比如可以在污水提升泵內設置變頻設備實現全過程控制，合理調節污水提升泵整體操作揚程，提升節電效果；除此之外，還可以通過控制污水提升泵綜合水量消耗，提升電力運行效率，有效縮減維修量，實現設備節能減耗目標；設置變頻裝置還可以對污水處理速度實施自動調節，在保障出水質量的基礎上進一步縮減自動化泵整體操作揚程，優化提升泵運行效率。另外，在污水處理中應用提升泵會受到運行揚程、運行功率以及傳輸流量等因素的影響，從而影響提升泵運行效率。例如水流速度和提升泵運行效率之間是反比關系，而污水提升泵和運行功率呈現出三次方正比關系，相關人員針對污水提升泵實施綜合設計時需要合理選擇變頻裝置，適當擴大提升泵傳輸功率，確保提升泵處于內設變頻控制條件下并保持穩定運行，有效降低提升泵運行能耗［6］。

城鎮污水處理廠能耗較高的原因之一是電機運行效率過低，提升泵設計不符合設計運行要求，運行調控不足及存在巨大水量波動。從污水提升角度分析節能減耗，相關人員需要從污水提升泵入手，對當前基礎設施和管網系統實施綜合調研分析，有效減少高程差，考慮應用淹沒流方式；根據污水提升總量以及波動規律選擇恰當的泵組合方法，結合管道系統以及污水流量變化曲線選擇設置泵元件，提升泵運行效率；結合污水處理總量、泵運行功率、水頭損失以及實際揚程設置高效泵組合；優化調控功率固定泵以及變頻泵，降低水泵軸功率，延長泵使用壽命，保證泵和電機間的良好匹配，提升電機運行效率；優化管道設計，提升系統運行的流暢性和結構的完善性，適當縮減管道以及彎管長度，減少污水管道傳輸阻力，提升處理效率；針對相關工藝設備做好維護管理，改善污水處理中的機械磨損、設備結垢以及裝置滴漏等問題，提升系統設備的綜合運行效率。

5.2 合理布設曝氣系統

曝氣系統在城鎮污水處理中占據重要地位，屬于核心技術，合理選擇高效曝氣系統能夠提升城鎮污水節能處理效益，也是節能降耗的核心。為此，相關人員需要根據整個系統的實際運行狀況靈活調節鼓風機效率，比如設置離心式鼓風機設備可以進一步優化曝氣裝置的穩定性，設置高效鼓風裝置可以有效擴大氧氣輸送效率，支持鼓風機設備基于滿載條件下實現長期穩定運行。此外，在系統中設置離心鼓風機設備能夠發揮出良好的變頻調節效果，并對綜合曝氣量進行精準調控。相關工作人員需要結合曝氣需求合理制定應對措施，進一步改善微曝氣孔所存在的表面積過高問題。除此之外，還可以利用智能裝置調控曝氣流量，由于技術和資金的限制，導致大部分污水廠都是采取人工調節，比起智能化曝氣調控措施，人工調節勞動量大，依靠人工計算，整體調節效果較差；傳輸氣量以及閥門開度等方面也需要進行精準測算，借助智能調控系統可以輕易實施相關操作；智能調控系統可以針對污水處理中的裝置曝氣量實施全過程檢測，準確發現各種細微變化，從而為曝氣系統提供基礎智能工具；技術人員還可以借助智能系統來調控曝氣量，確保在城鎮污水處理中達到底物和曝氣平衡。

污水處理廠在微生物處理環節需要實施生化代謝，整個過程離不開電子受體，其主要由曝氣系統提供，因此合理曝氣是順利去除污染物和實施污水處理的基礎保障。在處理污水中的污染物質時，反硝化脫氮環節需要回流混合液供應硝態氮充當電子受體。在化學處理方面需要加入相應的化學藥劑實施反應沉淀，整個過程會造成較大能耗，曝氣控制在污水生物處理中發揮著重要作用，也是節能減耗的核心環節，包括曝氣供給、曝氣管排布以及曝氣設備優化等，合理選擇曝氣裝置能夠提升污水處理廠的節能效果。相關人員可以選擇在曝氣池內設置微孔式曝氣系統，進一步提升曝氣池內的氧綜合利用率，微孔系統能夠進一步縮減氧氣泡體積，并借助微孔曝氣擴散設備形成比表面積大、小體積的氧氣泡，提升氧氣綜合利用率，達到節能降耗目的。在曝氣供氧環節，因為流入曝氣池內的污水存在大量有機質，要徹底凈化相關污染物需要大量微生物，從而擴大了耗氧量，而靠近曝氣池對應出水口的污水內部有機質數量相對較少，無需過多微生物，對應區域內的耗氧量相繼降低。為此在安裝曝氣裝置時，需要根據各個區域的需氧特點，如果僅對曝氣裝置進行均勻布置，會影響進水口正常供氧，導致出水口產生過剩供氧的問題，降低污水處理質量和處理效率，造成大量能源浪費。為此可以針對進水口至出水口區段按照從密到疏的原則進行合理布置，針對溶氧處理環節設置自動調節系統，合理調節曝氣池內的整體溶氧量，最大程度提高生化處理效率。

曝氣量供給是節能設計的關鍵，曝氣量過低會降低出水質量，過高會導致能源浪費，影響活性污泥絮體的沉降性和整體結構。曝氣節能重點在于輔助生化處理環節順利消除污染物，優化出水質量，減少曝氣能耗浪費。立足于控制能耗層面分析，相關人員需要合理控制好氧區相關溶解氧，保持一種平衡狀態，避免出現過度曝氣問題，嚴格按照各個環節處理耗氧量設計階梯式控制指標，逐步縮減曝氣量，根據出水氨氮濃度合理調節曝氣量。

5.3 節約自來水耗費

在污水處理中節約自來水耗費是污水處理廠節水降耗、創新發展的核心目標，尤其是應用污泥脫水技術時易產生較大的水資源耗費，對于部分大城市而言，會進一步惡化缺水狀況。為此，企業需要創建完善的調節制度，對污水處理中的不同環節進行深入挖掘，及時發現降耗潛力。水耗費主要包括車間清洗水、反沖水、風機制冷水以及綠化加水等，為降低成本支出，需要管理部門明確各個環節的能源消耗，提出有效的減耗措施，擴大節水降耗宣傳力度，促使企業職工全面投入節能降耗的實踐當中。

5.4 綜合利用污泥

城鎮污水處理廠在實際操作中容易造成大量污泥淤積，產生二次污染，要改善這種現象，需要集中處理污水廠內的污泥污染。通常情況下，污水處理廠中的污泥主要采用焚燒、農用以及回填等處理措施，可有效減少環境污染，但無法促進污泥的綜合利用。要進一步提升污泥利用率，可以將其轉化為建材，挖掘污泥的潛在價值，并有效改善二次污染問題。針對污泥實施資源轉化可以實現循環利用的目標，減少能源消耗，促進社會效益和經濟效益的全面統一。

5.5 應用模糊神經網絡PID控制技術

城鎮污水處理廠在新時期節能發展中可以將模糊神經網絡PID控制技術融入整個曝氣系統當中，精準化輸入曝氣系統內各項運行參數，形成數據模糊化計算能力，促進模糊規則化發展，在對各項運行參數進行綜合處理過程中，實時觀察網絡權值并實施優化調整與合理校正，促進曝氣系統維持一種最佳狀態，降低污水處理成本，節約污水處理能耗。

6 結語

綜上所述，隨著城市建設的發展，城市人口數量上漲，導致城市污水問題愈加嚴重，污水處理環節大量耗能，嚴重浪費資源。為此，我們需要對相關污水處理技術進行深入研究，加強智能控制和低碳技術的研發，在減少能耗的同時，徹底解決污水處理問題，提升污水處理效率。