污水處理廠電氣設計和節能策略

盧文峰，盧 陽

（桂潤環境科技股份有限公司，廣西 南寧 530000）

近些年，我國城鎮污水處理事業迅猛發展，但面臨污水排放量增加和處理要求提高的挑戰。為此，《“十四五”城鎮污水處理及資源化利用發展規劃》提出，需解決設施發展不均衡問題，增強處理效能，推進資源化利用，并提升運維水平。同時，因污水處理能耗高，新建、改擴建再生水產能將加大能源壓力，故建議構建基于物聯網的能效管理平臺，以科學管理能源，實現節能減排[1]。

1 污水處理廠能耗特征

1.1 污水處理廠基本信息

為深入了解我國典型城鎮污水處理廠的能耗狀況及主要電耗分布，筆者對多個地區的代表性污水處理廠進行實地考察。經過篩選，選擇7 座持續穩定運行超過兩年且負荷率不低于80%的污水廠作為研究對象，并對其進行了區域性的電量消耗監測。污水廠基本情況詳見表1。

表1 污水處理廠基本情況

1.2 污水廠處理單元能耗特征分析

針對7 座嚴格執行《城鎮污水處理廠污染物排放標準》（GB 18918—2002）一級A 出水標準的污水廠，進行為期一年的詳盡電耗記錄研究。這些污水廠根據其工藝流程被細致地劃分為一級處理、二級處理、深度處理、污泥處理及再生水五個關鍵功能分區，每個分區均獨立安裝電量統計裝置。

研究數據揭示，2021 年間，7 座污水廠的噸水電耗平均值穩定維持在0.2～0.45 kW·h/m3的范圍內。在處理工藝為A2O 的5 座污水廠中，觀察到噸水電耗與處理規模之間存在顯著的統計學相關性。具體來說，處理規模較小的E 廠，其噸水電耗為0.43 kW·h/m3，而處理規模超過10 萬 m3/d 的污水廠則表現出更低的噸水電耗，平均值低于0.3 kW·h/m3。

在電耗分布方面，數據顯示二級處理段占據了總電耗的顯著比例，高達50%～65%，主要歸因于該階段涉及的多個能耗密集型操作，包括生物反應和混合攪拌等。一級處理和深度處理段電耗占比分別為19%和16%。此外，部分污水廠的再生水處理段電耗占比超過5%，與該過程中所需的加藥量、加藥量控制精度以及膜處理技術等復雜操作有關。

為了深入了解污水處理廠的能耗分布，本次研究選取具有代表性的A 廠，對其全流程主要設備進行了為期一年的用電計量統計。通過系統分析各設備的耗電量，發現不同處理段和設備的電耗存在顯著差異。在一級處理段，進水提升泵是主要的耗電設備，其能耗占據了該段總能耗的絕大部分。進入二級處理段，風機、推進器和回流泵成為能耗主力，其中鼓風機的能耗尤為突出，占該單元電耗的59%，占全廠工藝總電耗的43%，體現出鼓風機在二級處理中的重要能耗地位。深度處理段的二次提升泵也表現出一定的能耗，但相較于前兩個處理段，其占比相對較低。在污泥處理段，污泥脫水機是主要的能耗設備。而再生水段則主要依靠提升泵進行水的提升和輸送。對A 廠各單元和設備電耗的詳細統計結果表明，二級處理單元和污水提升能耗較大，二者合計占整個污水處理廠總能耗的80%左右。一級處理電耗比例達到20%，其中進水提升泵電耗占該單元電耗的85%，凸顯了其在該段能耗中的主導地位。

2 節能降耗途徑分析

2.1 設備選型及優化

在我國，為滿足較大流量需求，許多城鎮污水處理廠，尤其是早期建設的那些，常常存在設備選型偏大、配置單調及恒速運行等不合理的配置問題，導致能耗的不必要增加，影響污水廠的整體能效。數據顯示，設備配置的不合理可使能耗增加高達20%以上，這顯然與節能減排的目標背道而馳。因此，提高設備配置水平、合理進行設備選型成為降低污水廠能耗的關鍵。通過精確評估流量需求，科學選擇設備型號和配置，以及引入變速運行等節能技術，污水廠可以滿足處理需求，還能顯著降低能耗，實現經濟效益和環境效益的雙贏[2]。

2.2 錯峰用電

為應對我國城市電力供應中出現的用電高峰時段負荷超載、電網峰谷差大等挑戰，國家層面已推出相關政策進行宏觀調控。具體而言，各省市結合本地用電負荷的實際情況，實施差異化的電價策略，如設置峰、平、谷三檔或尖、峰、平、谷四檔電價，以經濟手段引導用電行為，其中收費標準隨用電時段的緊張程度依次遞減。在對城鎮污水處理廠的調研中發現，部分先進的污水廠在保證出水水質穩定達標的同時，積極響應國家的電力調峰填谷政策，通過科學運行管理，在電網負荷較低的時段增加自身運行負荷，充分利用低谷電力資源。在用電高峰期，則通過減少設備運行數量或降低設備運行頻率減輕電網壓力。這種策略的實施，有效地將電網高峰時段的部分負荷轉移至低谷時段，降低電網的峰谷負荷差，對于緩解城市電力供應緊張局面也起到了積極作用。從經濟角度看，這種運行模式的調整還有助于降低污水處理廠的運行成本，提高其經濟效益。更重要的是，這一做法符合社會資源優化配置的原則，通過市場機制和科技創新，高效、合理地利用電力資源[3]。（見圖1）

圖1 某廠峰平谷用電情況

某廠作為一座設計規模達到20 萬 m3/d 的污水處理廠，其水量變化系數設計值為1.3，運行負荷保持在80%的水平。該廠采用氧化溝工藝進行污水處理，嚴格遵守《城鎮污水處理廠污染物排放標準》（GB 18918—2002）一級A排放標準，確保出水水質達標。在能耗方面，某廠的平均噸水電耗為0.24 kW·h/m3，表現出較高的能源利用效率。

針對城市電力需求的特點，某廠所在地區將用電時段劃分為峰期、平期和谷期，每個時段各為8 小時。根據圖1 的數據分析，某廠在峰期的用電量相對穩定，月均約為40 萬 kW·h，占總用電量的25.7%；平期用電量均衡，占總電量的30.6%；而主要電耗集中在谷期，占總電量的43.7%。這一用電模式充分利用了電網負荷較低的谷期時段，降低了運行成本。

根據某廠所在城市的電費收費標準，大工業用電電費峰值為1.0167 元/kW·h（6—8 月為1.0788 元/kW·h），平值為0.675 元/kW·h，谷值為0.4203 元/kW·h。通過實施錯峰用電策略，某廠在保障生產穩定的同時，有效節約電費。據統計，某廠每年可節省電費約100 萬元，為企業的可持續發展提供了有力支持。

在污水處理過程中，某廠注重各功能分區的電耗控制。二級處理段作為能耗占比最大的部分，主要涉及生物反應、混合攪拌等能耗密集型操作。為降低這部分能耗，某廠采取優化曝氣系統、調整污泥回流比等多種措施。

此外，一級處理和深度處理段也占有一定的電耗比例，合理配置設備、調整運行參數等方式，有效控制全廠能耗[4]。

3 污水處理廠節能技術

3.1 進水提升泵房

在污水處理系統中，水泵作為核心組件，其運行效率對系統整體能耗有著顯著影響。為了提升水泵的運行效率并降低能耗，變頻技術的應用顯得尤為重要，旨在精準調控水泵電機轉速，根據實際需求調整水泵的流量和揚程，避免不必要的能耗[5]。

為了更深入地理解水泵的能耗特性，引入水泵軸功率的計算公式至關重要：N=ρQH/η。在這個公式中，N 代表水泵的軸功率；ρ 代表流體密度；Q 代表水泵的實際流量；H 代表有效揚程；η 則代表水泵的運行效率。根據這一公式發現，在水泵安裝并運行后，流體密度ρ 和水泵運行效率η 通常可視為恒定值。因此，水泵的軸功率N 主要與實際流量Q 和有效揚程H 呈現正比例關系。在不改變實際流量Q 的條件下，降低水泵的運行有效揚程H 會導致其軸功率N 的相應減小，表明提升水泵前水位的方式有效降低水泵的能耗。因為水位的提升能夠降低水泵的吸水揚程，進而減少其運行負荷和能耗，既簡單又經濟。

3.2 高效濾池設計

為確保處理后出水水質符合國家一級A 排放標準，在改造工程中可以引入高效濾池環節，使沉淀池出水在經由中間水池提升至高效濾池后，通過消毒處理即能達到嚴格的排放標準[6]。

在污水廠的污水處理工藝中，共設有15 個獨立的池體單元。為正常運行各單元并強化使用效率，建議采取定期沖洗策略。具體而言，每個池體每天會進行兩次沖洗，每次沖洗時間嚴格控制在15 分鐘內。分析近幾年運行數據，每年池體的可運行總天數約為230天。以2022 年為例，實際運行天數僅為125 天。基于這些數據計算出該處理單元的節能效率達到顯著的45.7%。

節能優化策略體現出污水廠對環保和能源效率的重視，也帶來實實在在的經濟效益。精確監測和靈活調整處理流程，能夠在保證出水水質達標的同時，有效降低電能消耗，實現環保與經濟效益的雙贏。隨著技術的進步和環保要求的提高，污水廠將不斷探索和引入更先進的節能技術和方法。例如考慮采用更高效的濾池技術、優化沖洗策略或引入智能控制系統等，進一步提升節能效率和出水水質。

4 結束語

在污水處理廠的電氣設計與節能策略中，深刻認識到平衡處理效率與能源消耗的重要性。高效設計電氣工程能夠進一步保證污水處理廠安全穩定運行能力，優化能源配置，提高設備使用效率。另外，節能策略的實施顯著降低了運營成本，減少了資源浪費，為污水處理廠的可持續發展注入了新動力。