水質凈化廠能耗分析與節能措施研究

摘要：以廣東省深圳市橫崗水質凈化廠（二期）為研究對象，通過收集其2023年運行資料，針對不同處理單元能耗分布情況進行分析，并研究相應的節能措施。從設備設施改進與高效運行管理等方面著手，優化污水處理工藝，以期降低全廠能耗，滿足可持續發展的需求。

關鍵詞：污水處理；能耗；節能措施

引言

水質凈化廠在保護城市環境、提升水環境質量上起著關鍵作用。水質凈化廠的能耗主要體現在藥耗、電耗、燃料等方面，其設備眾多，往往是耗電大戶，電能消耗占總能耗比例高達60%～90%[1]。本研究針對廣東省深圳市橫崗水質凈化廠（二期）運行能耗情況進行分析，并提出具體可行的節能措施，以提高能源使用效率，優化運營成本，推動水質凈化廠向更環保、更經濟的方向發展。

1水質凈化廠概況

1.1 水質凈化處理工藝流程介紹

橫崗水質凈化廠（二期）采用改良型A2/O工藝，處理規模10萬m3/d，出水水質執行《地表水環境質量標準》（GB 3838-2002）地表水準Ⅳ類排放標準。其水質凈化處理主要工藝流程為“改良型A2/O生化池+矩形二沉池+纖維濾池+高密度沉淀池+紫外線消毒”，如圖1所示。

1.2 進水水量水質變化情況

水質凈化廠進水水量水質與能耗之間的關系受多種因素影響，能耗分析需要綜合考慮這些因素，有針對性地采取相應措施進行優化和調整。本研究選取了橫崗水質凈化廠（二期）2023年全年的實際進水情況進行分析。

1.2.1 水量變化情況

橫崗水質凈化廠（二期）2023年總處理水量為3091.57萬t，月平均處理257.63萬t，耗電量合計6290610kWh，根據運行數據繪制水量噸水電耗變化圖如圖2所示。

橫崗水質凈化廠（二期）2023年全年僅有2個月達到滿負荷，處理水量隨著季節變化有明顯波動，噸水電耗在0.174～0.251kWh/m3之間。據研究，水質凈化廠負荷率越高，則其單位能耗越低[2]，由圖2可見，當水量負荷達到100%時，噸水電耗有明顯降低。據統計[3]，2016年，我國1291座污水處理廠（水質凈化廠）中，僅有55%的污水處理廠（水質凈化廠）負荷率達到80%。目前，低負荷率仍是污水處理廠（水質凈化廠）提高單位能耗的一個較大阻力。

1.2.2 進水水質變化情況

進水水質差異和污染物負荷會直接影響能源的消耗情況。2023年，橫崗水質凈化廠（二期）平均進水水質低于設計標準，具體如表1所示。其中，每月進水平均濃度COD為設計標準的46%～79%，氨氮為設計標準的39%～82%。水質指標長期低于設計標準意味著原本設計的停留時間與曝氣量不符合現有水質規律，同時污水處理系統低污染物負荷可能導致運行效率低下，造成不必要的電能消耗，因此需要重新分析能耗分布并對運行工藝進行優化。

2 能耗分布

橫崗水質凈化廠（二期）耗電單元主要包括預處理區（粗格柵、細格柵、提升泵、曝氣沉砂池）、生化處理區（鼓風機、回流泵、剩余污泥泵及二沉池刮泥機等）、深度處理區（纖維濾池、高密沉淀池等）、辦公區域照明及其他用電。通過統計分析，繪制出該廠主要設備及各處理單元的電耗分布，如圖3所示。

根據橫崗水質凈化廠（二期）能耗分析，首先，生化處理區為最大電耗單元，占總能耗的比例為52.57%。從設備電耗來看，鼓風機占設備總能耗的44.72%，在節能降耗方面潛力最大。這主要是由于生化處理區的曝氣系統在生化處理過程中需提供足夠的氧氣以維持微生物的正常代謝活動，從而完成有機物的降解，是污水處理工藝中必不可少的環節，而生化處理階段的處理規模較大，所需電力相對較高，占據了總能耗的50%以上。其次，排在第2的是預處理區的提升泵能耗。提升泵在污水處理過程中主要用于輸送水流和提供所需的壓力，而大型泵組作為高耗能設備，對總能耗也有一定的貢獻。由圖3可見，提升泵占設備總能耗的18.47%，其所在單元能耗也占據了總能耗的顯著比例。再次，深度處理階段能耗也不容忽視，包括纖維濾池反沖洗、高密度沉淀池進水二次提升等在內的深度處理工序產生了一定電耗，深度處理區電耗占總能耗的17.86%。最后，其他單元電耗占總能耗的比例在10%左右。

綜上所述，橫崗水質凈化廠（二期）耗電最大的環節是生化處理區的曝氣系統，預處理區的提升泵組次之，然后是深度處理區，因此節能措施研究應重點關注這些環節，從而采取相應的措施降低能耗，提高能源利用效率，進而實現節能降耗目標。

3 水質凈化廠節能措施研究

3.1 曝氣系統節能措施

曝氣階段是橫崗水質凈化廠（二期）中能耗較高的部分，其中鼓風機占據設備總能耗的44.72%。通過替換舊的鼓風機設備，引入更高效率和更低能耗的新型設備，可對設備能耗優化起到一定的效果，同時對現有曝氣設備進行改造也是節能降耗的一個可行途徑。

目前，橫崗水質凈化廠（二期）通過工藝改造，安裝了一系列微孔曝氣裝置。微孔曝氣裝置是一種通過微小孔洞釋放氣體進入曝氣池的技術，能將氣體分散均勻，提高氣泡的利用率。曝氣池中的微孔曝氣裝置密度增加后，可在相同氣泡數量的情況下，達到更大的曝氣表面積，提高氣泡在污水中的接觸效果。同時，橫崗水質凈化廠（二期）還配置了精準曝氣系統。精準曝氣系統是一種基于先進氣體分配設備、高效曝氣器和智能控制系統，用于提供所需氧氣以滿足污水處理過程中有機物的降解需求，并能在保證生化處理單元穩定運行的同時，實現對目標溶解氧濃度的穩定控制，從而節省大量人力并穩定出水水質[4]。

然而，精準曝氣系統在設計和操作中存在一些限制，使得能耗與效率之間產生了矛盾。首先，精準曝氣系統的設計參數對其能耗和效率的影響非常大。曝氣策略選擇和曝氣器的尺寸、形狀等因素會直接影響氧氣傳遞效率，進而影響能耗。當前的精準曝氣系統設計存在曝氣器布置不合理、曝氣孔直徑不匹配等參數配置不合理的問題，導致部分污水處理單元的氧氣傳遞效率較低，大量能源被浪費。其次，控制系統的智能化水平也是影響能耗和效率的重要因素。通過提高控制系統的智能化水平，如實時監測氧氣傳遞效率、自動調整曝氣策略、及時報警和故障處理等，可彌補人為操作的不足，并最大限度地降低能耗。經進一步研究分析得出，通過優化曝氣策略和提高控制系統的智能化水平，預計能降低約15%的能耗[5]。在調整過程中，要充分考慮進水水質變化、污泥負荷變化和水流動態等因素，確保曝氣過程的穩定性和可靠性。

3.2 提升泵組節能措施

水泵作為污水處理的核心能耗單元，其效率對整體能耗有顯著影響。在泵組節能降耗措施上，橫崗水質凈化廠（二期）引入了變頻器技術，實現了對提升泵運行速率的動態調整。已有研究證實[6]，通過變頻器根據實際需要調整水泵的運行速率，可以有效降低能耗，實現節約能源的效果。

水質凈化廠運行過程中，每日來水量往往出現波動，需要實時調整水泵運行速率。當進水水量增多，泵組尚未達到滿負荷運行條件時，可將變頻泵與定頻泵搭配聯合運行，調整進水液位至經濟水位，讓水泵維持在高效運轉區間。當進水水量減少，則可通過調低變頻泵運行速率來維持經濟水位。以橫崗水質凈化廠（二期）1#變頻泵為例，每調低1Hz變頻器頻率，可降低運行電流5A以上，節能效果明顯。同時，利用自動化控制系統（如PID控制算法），通過分析計算出水位差與泵組閉臺數調節的關系來自動調整水泵參數，有利于運行操作人員快速、精確地對泵組進行調節[7]。另外，應加強設備的日常管理，水泵要定期維護保養，使其保持良好運行狀態，定期清理水泵房內的淤泥與砂粒，防止細小固體隨著污水提升系統進入后續處理系統，導致推流器、攪拌器的電耗增大，影響設備的使用壽命。

3.3 深度處理區節能措施

深度處理區節能措施主要集中在纖維濾池與高密沉淀池2個處理單元上。日常運行中，需根據二沉池出水SS值和濾池過水量情況，及時調整纖維濾池反沖洗周期，以達到增加處理水量并減少電耗的目的。根據橫崗水質凈化廠（二期）運行調試規律可知，當氣水比約為2∶1時，可以實現較好的反沖洗效果。因此，建議對濾池運行反沖洗時間配比進行優化，將反沖洗流程設置為氣洗3min、氣水洗10min、水洗4min比較合適。

對于高密沉淀池，一是通過監控液位數據，自動調整二次提升泵組開啟數量、頻率，穩定進水水量，避免因進水量大幅波動而導致的效率低下；二是定期清理污泥，預防斜板與出水堰堵塞，以及管道堵塞，避免因堵塞而影響設備電耗；三是盡可能多采用再生水溶解固體藥劑，提高再生水在廠區雜用水的使用比例，減少自來水資源的消耗；四是通過對PAC、PAM加藥系統的自動化升級，減少人工投入；五是引入智能化管理系統，優化加藥量，合理投加凈水化學藥劑，達到精準投加的效果，以在穩定出水水質的同時，降低電耗與藥耗。

結論

深圳市橫崗水質凈化廠（二期）能耗分布主要集中在曝氣系統、進水提升泵組及深度處理工藝上，經研究分析提出了通過引入自動化控制系統對曝氣系統、提升泵系統進行精準調節，并在管理上及時反饋運行數據，實時調整工藝參數等措施。這些措施不僅涉及硬件設施的優化設計，還包括運行模式的調整、節能方法的研究與應用等多個方面，既有利于企業的經濟發展，又有助于減少對環境的負面影響。在未來的工作中，應當繼續深入研究并完善這些措施，進一步提高能源利用效率和環境保護水平，推動水質凈化行業的可持續發展。

參考文獻

[1]黃浩華，張杰，文湘華，等.城市污水處理廠A2/O工藝的節能降耗途徑研究[J].環境工程學報，2009，3（1）：35-38.

[2] MIZUTA K，SHIMADA M.Benchmarking Energy Consumption in Municipal Wastewater Treatment Plants in Japan[J].Water Science and Technology，2010，62（10）：2256-2262.

[3]中國城鎮供水排水協會.城鎮排水統計年鑒（2016年）[R].北京：中國城鎮供水排水協會，2016.

[4]李升，胡曉東，許飛飛，等.馬頭崗污水廠精確曝氣系統的實施及應用效果[J].中國給水排水，2016，32（15）：26-31.

[5]沈曉鈴，薛敏，李大成，等.無錫惠山污水廠的優化運行與節能降耗[J].中國給水排水，2011，27（22）：45-47.

[6]原建光，孫娟，苑麗，等.污水處理廠節能降耗的運行措施[J].中國給水排水，2013，29（18）：149-150，153.

[7]肖楚漢.污水提升泵站的節能方法研究（碩士論文）[D].長沙：湖南大學，2014.

作者簡介

曾子軒（1994—），男，漢族，廣東深圳人，助理工程師，大學本科，研究方向為污水處理技術。

加工編輯：王玥

收稿日期：2024-05-14