目前城市污水处理厂主要采用活性污泥处理技术, 其中A/O、A²/O、氧化沟及SBR等工艺占据主导地位, 其数量和处理能力所占比例约为60%^[1]。资料表明^[2], 我国污水二级处理能耗为0.19～0.36 kW·h/m³。杨凌波^[3]等对城镇污水处理厂能耗状况及其影响因素进行分析, 结果表明目前我国城市污水处理厂平均能耗为0.29 kW·h/m³, 82%以上的污水处理厂能耗不超过0.44 kW·h/m³。而美国污水处理厂平均能耗为0.2 kW·h/m^3[4], 日本 (不包括污泥深度处理) 为0.204～0.254 kW·h/m^3[5]。总体上看, 我国在污水处理中的节能降耗、优化运营方面起步晚, 还存在很大的节能降耗空间。在污水处理厂电耗中, 污水提升占10%～20%, 生物处理 (主要用于曝气供氧) 占50%～70%, 污泥处理占10%～25%, 三者能耗之和占直接能耗的70%以上^[6]。

　　 吉林某污水处理厂分两期建设运行, 其中一期于2005年投入运行, 二期2015年建设, 2016年投入运行。

　　 一、二期分别采用A/O和A²/O工艺, 处理能力均为10万m³/d, 出水分别执行国标二级和国标一级B排放标准。污水处理厂一、二期所采用的A/O、A²/O工艺也是目前国内城市污水处理厂的主要工艺, 对其进行能耗分析具有一定的代表意义。

　　 根据污水处理厂能耗分布, 结合污水处理厂全流程节能降耗技术理念。在承建二期过程中, 公司技术团队对能耗较高的鼓风机、脱水机、消毒设备及厂区照明装置在选型和操作方面进行了优化, 力求实现污水处理的节能降耗。设备形式如表2所示。

　　 由表2可以看出:

　　 (1) 鼓风机优化后采用单级高速离心空气悬浮鼓风机, 与设计和一期相比, 空气悬浮鼓风机配有直流永磁电机, 转速可高达10万r/min。采用先进的变频技术, 风量可在40%～100%范围内调节, 并能够保证风机效率处于最佳状态。

　　 (2) 脱水机优化后采用叠螺式脱水机, 与设计和一期的卧螺离心脱水机相比具有电耗低、易于维修、无需配置专门清洗装置等优点。并且二期采用的叠螺式脱水机前端设有管道混合器, 并增加了过滤筛, 在增加处理能力的同时处理后污泥含水率可稳定保持在80%以下。

　　 (3) 消毒设备采用紫外消毒。一期采用液氯消毒, 由于项目所在地液氯已被禁售。二期设备选型优化采用目前行业内电光转化效率最高的紫外灯管, 与普通紫外灯管相比能耗更低, 属于节能灯管, 并且采用可拆卸的紫外灯管模块。该系统电光转化效率达50%, 老化系数高达0.98, 在保证12 000 h的可靠运行寿命的基础上, 极大减少运行维护费用。

　　 (4) 厂区照明采用具有高效、安全、节能、寿命长、响应速度快等优点的LED高杆灯和路灯。

　　 由于风机、脱水机、消毒等为能耗及使用频率较高设备, 为减少运营成本, 设备选购时公司优先采用进口或国产知名品牌, 以提高污水处理的可靠性。从表3可以看出, 优化后与设计相比 (同等档次) 鼓风机、紫外线消毒及厂区照明投资分别增加72万元、29万元和5.5万元, 设备总投资增加76.5万元。由于选用能耗低的设备, 在运营过程中通过节省电费可收回设备投资增加部分。

　　 通过对比发现:

　　 (1) 二期使用的空气悬浮鼓风机, 与设计相比能耗降低7%, 而风量增加近14%。与一期相比能耗降低近20%, 风量仅减少7.5%。此外单级高速离心空气悬浮鼓风机风量调节范围较大 (40%～100%) , 在调试和运行阶段能够满足需要, 并最大限度的节约能耗。

　　 (2) 二期采用耗能较低的叠螺式脱水机, 单台功率仅为4.13 kW。与设计相比, 能耗降低90.8%, 处理量增加28.5%, 与一期相比处理量相近的情况下, 能耗仅为一期的1/10。

　　 (3) 二期采用的紫外线消毒设备为39.3 kW, 与设计相比在处理能力相同的情况下能耗降低了近50%。

　　 (4) 二期使用耗能较低的LED高杆灯和路灯, 其中高杆灯2组 (6×200 W) , 路灯40组 (29 W) 。与设计相比 (6×800 W/100 W) 能耗降低73.8%, 与一期相比能耗降低41.1%。

　　 按照设计, 风机为3用1备, 污泥脱水机3台运行时间为16 h, 紫外线消毒24 h运行。当达到设计条件时风机风量为390 m³/min, 污泥脱水机处理污泥1 972.8 m³/d。当设备达到设计的处理能力时, 设备耗能情况见表5。

　　 从表5可以看出优化后二期鼓风机、脱水机、紫外线消毒设备及厂区照明装置与设计相比能耗降低分别为18.6%、92.9%、48.3%、73.8%。厂区总能耗降低达到近30%。

　　 一期采用的液氯已被禁止, 目前临时采用过一硫酸氢钾复合盐进行消毒。优化后二期鼓风机、脱水机及厂区照明装置与一期相比能耗降低分别为11.8%、91.3%和41.1%。厂区能耗降低14.7%的同时出水水质达到了一级B标准, 出水水质见表6。

　　 污水处理厂二期于2016年10月调试, 2017年3月通过省环境监测中心站监测, 5月通过省环保局验收。二期调试过程中, 对进出水水质进行化验分析, 其中进水COD、氨氮及总磷指标如图1所示。

　　 由图1可以看出进水COD最大为345.2 mg/L, 最低为87.8 mg/L, 平均为144.5 mg/L, 中值为124.75 mg/L, 对COD统计发现进水COD低于270 mg/L的保证概率达到95%。

　　 进水氨氮和总磷如图2所示, 进水氨氮最大为33.12 mg/L, 最低为4.34 mg/L, 平均为12.55 mg/L, 中值11.96 mg/L。进水总磷最大为3.25 mg/L, 最低为0.899 mg/L, 平均为1.45 mg/L, 中值1.33 mg/L。进水氨氮和总磷低于25 mg/L和2.3 mg/L的保证率达到95%。

　　 实际进水与设计偏差较大, 进水平均COD、氨氮约为设计水质的40%, 总磷约为设计水质的70%, 造成这种现象的原因可能是由于排水管网中混入了部分地下水。

　　 由于进水水质好于预期, 导致二期在运行过程中生化耗氧量及污泥量明显减少。运行时对鼓风机、脱水机及紫外消毒设备运行电流进行了检测, 结果见图3。

　　 由图3可以看出, 鼓风机平均运行电流为239.87 A, 污泥脱水机平均运行电流为6.58 A, 紫外消毒设备平均运行电流为70.09 A。上述设备运行时, 实际功率分别为134.2 kW、3.68 kW和39.2 kW。设备优化后实际节能情况见表7。

　　 从表7可以看出, 二期鼓风机、脱水机、消毒设备实际耗电量约为设计耗电量的25.7%、57.2%、100%。

　　 以污水处理厂的能耗特征分析为出发点, 针对污水处理厂能耗大的处理单元, 通过设备优化减小市政污水处理厂运营费用, 降低污水处理成本。

　　 二期设备优化后, 厂区能耗降低达到近30%, 可使污水处理能耗降低0.059 kW·h/m³, 全年节省用电210多万kW·h, 节省成本153.03万元, 污水处理厂运营半年即可收回设备优化时增加的投资。与一期相比厂区能耗降低14.7%的同时出水水质达到了一级B标准。

　　 由于进水水质好于预期, 实际运行电耗与设计相比全年减少用电356万kW·h, 减少成本253万元, 通过对进水水质分析, 在保证率95%时进水COD、氨氮及总磷分别为270 mg/L、25 mg/L和2.3 mg/L, 设计时应适当考虑冗余, 有助于降低能耗和投资。 (电费单价按0.71元/kW·h 计算) 。