0前言

随着城市化进程的不断加快，我国城镇污水处理规模持续增长。截至2019年底，全国城镇污水处理设计规模达到19 171万m³/d^[1]，自2009年以来年均增长约4.6%。污水处理为能耗密集型行业^[2]，在美国等发达国家，采用传统活性污泥工艺的城镇污水处理厂单位水量能耗约为0.2～0.4kW·h/m³，城镇污水处理能耗占全国总用电量的1%～3%^[3]。因此，在污水处理厂稳定运行和出水安全达标的前提下，提高能源有效利用率、降低运行能耗对降低污水处理成本、提升污水处理厂运营水平具有重要意义。然而，我国污水处理厂对运行能耗的评估与优化重视不够，缺乏能耗采集、评估和运行优化控制的工具。

污水处理厂的运行能耗主要包括电耗及燃料、药剂等的电耗当量，其中电耗可占总能耗的65%至90%以上^[4]，污水处理厂能耗可采用电耗进行表征^[5]。污水处理厂的主要用电设备包括污水提升泵、曝气系统、机械搅拌及污泥脱水设备等，其中曝气系统电耗约占总电耗的50%～90%^[6,7]，是能耗控制的关键环节。曝气系统节能是一项系统工程，包括曝气设备、进水条件、运行工况等方面，其中供氧效率是一项关键的评价参数，但目前对曝气系统供氧效率分析工具和方法的研究仍然较少。本文针对某城镇污水处理厂，通过电表读数和在线采集电量数据对运行能耗及能耗构成进行分析，同时采用脱气法氧转移效率（Oxygen Transfer Efficiency,OTE）测定装置评估曝气系统供氧效率，进而针对性的实施设备改造、运行优化等节能措施，并对节能效果进行定量分析。

1 研究方法

1.1 污水处理厂概况

研究对象为华东地区某城镇污水处理厂，该厂位于工业园区，总设计规模8万m³/d。该厂一期、二期分别建成于2003年和2009年，设计规模合计4万m³/d，此后经升级改造达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB 18918-2002）一级A标准，目前工艺流程为混凝沉淀-水解酸化-CASS-深度处理，主要接纳园区印染纺织、电子电镀等工业废水及园区生活污水，其中工业废水的比例占70%以上。该厂三期建成于2013年，设计规模4万m³/d，采用AAO工艺，主要接纳附近片区的城镇生活污水，出水执行GB 18918—2002一级A标准。

1.2 能耗数据采集

污水处理厂日均用电量数据取自生产报表中的总电表读数及该厂建立的能耗采集与评估系统，该系统采用三相四线多功能电表（安科瑞ACR220E）、互感器（安科瑞AKH-0.66/K）、电量采集器（威胜FKGA44-WFET1000）采集上传不同用电单元的电量，并通过中控室配置的服务器、工作站和能效管理系统，实现污水处理厂电耗自动采集、远传、存储、预处理、展示、统计分析等功能。

1.3 氧转移效率测定

采用脱气法测定OTE，该方法基于气相质量平衡的原理，通过测试曝气过程中气体通入液体前后氧含量的变化分析曝气系统的氧转移能力^[8,9]。测试装置包括气体收集、氧气检测和主控显示等单元。假设可以忽略CO₂和水蒸气的影响，或采用吸收装置等方法去除了CO₂和水蒸气，可由式（1）计算OTE^[10]:

式中Y_i、Y_e分别为进气和出气中氧气的摩尔分数（或体积分数），Y_i可采用空气中氧气的体积分数21%计算。

2 结果与讨论

2.1 能耗和供氧效率评估

2.1.1 用电量

根据污水处理厂生产报表，对该厂2011—2014年的历史能耗进行分析，如图1所示。根据各年总用电量和处理水量计算得到2011—2014年的单位水量电耗分别为0.31kW·h/m³、0.32kW·h/m³、0.47kW·h/m³、0.38kW·h/m³。该厂三期工程于2013年建成投产，由图1可知，三期工程投产之前，该厂的月均总用电量和处理水量逐年上升，其中2013年由于三期工程施工，用电量显著增加，导致计算的单位水量电耗偏高。2014年，随着三期工程正常投产，单位水量电耗显著下降，但较2011—2012年仍然偏高。

2.1.2 能耗构成

该厂分三期建设，一期、二期工程与三期工程的建设时间、工艺流程、设备性能和进水水量水质不同，能耗水平可能不同。污水处理流程各工艺单元的用电量也不同。因此，污水处理厂能耗构成分析对评估污水处理厂不同用电单元的能耗水平、识别重点优化对象具有重要意义。但由于长期缺乏能耗采集手段，污水处理厂能耗构成往往难以定量评估。利用该厂2016年建成的能耗采集与评估系统，对该厂2016年4月至2017年3月的能耗进行统计分析。如表1所示，该厂一期、二期工程的日均用电量显著高于三期工程，占全厂日均用电量的63.0%。这主要是由于一期、二期工程的污水处理量较大，同时段一期、二期工程和三期工程的日均污水处理量分别约为3.8万m³/d和2.4万m³/d。污水处理厂单位水量能耗受污水处理量的影响较大，通常污水处理量较大时，单位水量能耗较低^[5,6,9]。如表1所示，该厂一期、二期工程的单位水量能耗平均值略高于三期工程。但由于一期、二期工程的进水中工业废水占比大，进水COD浓度较高，其单位COD能耗显著低于三期工程。

图1 污水处理厂月均总用电量和处理水量的变化   

Fig.1 The variation of monthly electricity consumption and wastewater quantity of the wastewater treatment plant

表1 污水处理厂分期能耗统计

Tab.1 Electricity consumption statistics of the wastewater treatment plant

如图2所示，按工艺段划分，该厂一期、二期工程预处理、生化处理和深度处理的用电量分别占其总用电量的32.0%、50.3%和16.4%，三期工程预处理、生化处理和深度处理的用电量分别占其总用电量的16.4%、54.3%和25.7%。生化处理段是污水处理厂的最大用电单元。按主要用电设备划分，该厂一期、二期工程鼓风机、提升泵和调节池搅拌机的用电量分别占其总用电量的43.0%、27.5%和19.8%，三期工程鼓风机、紫外消毒、进水提升泵的用电量分别占其总用电量的38.4%、23.6%和12.2%。鼓风曝气系统是污水处理厂用电量最大的设备，其中一期、二期采用三叶罗茨鼓风机，三期工程采用多级离心鼓风机。与三期工程相比，一期、二期工程的污水提升环节较多，提升泵的用电量较大，消毒采用次氯酸钠，消毒设备用电量较小。

图2 污水处理厂各工艺段日均用电量   

Fig.2 Daily electricity consumption of each treatment phase in the wastewater treatment plant

2.1.3 氧转移效率

一期、二期工程生化处理采用CASS工艺，曝气系统控制难度较大，容易造成曝气过度。采用曝气系统供氧效率监测装置，对CASS池的OTE和DO进行了测定，结果如图3所示。CASS池采用连续进水的方式，每周期工作4h，具体分配为进水/曝气2h-进水/沉淀1h-进水/滗水1h。图3中T1和T2为两个独立的曝气周期，T1和T2曝气周期CASS池进水中根据COD和NH₃-N计算的总需氧量分别为287 mg/L和276 mg/L。开始曝气后，OTE迅速上升并维持在较高水平，随着污染物的降解，OTE逐渐下降，CASS池的DO逐渐上升。曝气周期的中后期，OTE显著降低，DO上升到2mg/L以上。从OTE和DO的变化曲线可以看出，两者之间存在较高的关联性。与T1相比，T2的OTE较低，CASS池DO较高。测试过程中T1和T2的OTE均低于20%，其中T2曝气周期最后10min,OTE仅为10.5%～11.0%,DO升至3.5～3.7mg/L，一期、二期工程曝气系统供氧效率较低，且存在曝气过度的现象。

2.2 节能优化措施与效果

2.2.1 节能措施

根据能耗评估结果，该厂用电量逐年上升，单位能耗偏高，其中一期、二期工程能耗占全厂能耗的比重在60%以上。在能耗采集与评估的基础上，针对该厂一期、二期工程设备老化、运行控制水平不高等问题，从设备改造、运行优化等方面实施节能措施。该厂一期、二期工程鼓风曝气系统能耗占比最高，供氧效率显著下降，且埋地风管腐蚀严重，出现大量点蚀穿孔现象。为此，该厂2015-2016年对一期、二期工程的曝气器、供风管道等曝气设备分批进行更换。其中，曝气器采用300 mm盘式微孔曝气器，供风管道由碳钢管道更换为DN300不锈钢管道，并增设气体流量计。

图3 曝气系统改造前CASS池曝气过程中OTE和DO的变化   

Fig.3 The variation of OTE and DO during the aeration period of CASS tank before the energy-saving renovation

同时，自2016年3月对曝气系统、调节池搅拌机等设备的运行方案进行优化。根据CASS池曝气过程中OTE和DO的变化规律，将CASS池曝气时间从120min缩短至105min，但在曝气105min后DO小于3.0 mg/L时，曝气时间顺延至120 min。在保证供氧效率的前提下，可配合降低鼓风机运行频率进一步降低能耗。进水流量较小时，CASS池曝气系统优化运行条件下仍可能存在DO过高的情况，因此在低于设定进水条件下，可适当延长CASS池静置时间或暂时关闭其中一组CASS池，在达到高效运行的同时实现节能。一期、二期工程预处理段提升泵和调节池搅拌机的能耗仅次于曝气系统。调节池共安装了4台功率18kW的搅拌机，通过水力负荷计算，将搅拌机运行方案由全开调整为开2h/关1h，运行时间缩短1/3。

2.2.2 节能效果

根据污水处理厂生产报表中的处理水量和高压侧电表手抄数据，计算该厂2013-2016年的月平均电耗和年平均电耗，结果如图4所示。由于进水水量、水质变化等因素的影响，该厂的月平均能耗波动较大，且具有一定的季节性变化规律。夏季水量较大时，月平均能耗较低；冬季水量下降，月平均能耗上升。2015-2016年实施优化节能措施后，该厂年平均单位水量电耗分别降至0.31kW·h/m³和0.30kW·h/m³。2013年上半年由于进行三期扩建工程建设，能耗异常偏高，因此以2014年的能耗数据为基准对该厂节能降耗效果进行分析。与2014年相比，该厂2015年的单位水量电耗降低19.2%,2016年较2015年进一步降低3.0%。

图4 污水处理厂节能优化前后单位水量电耗的变化   

Fig.4 The variation of specific electricity consumption before and after optimization of the wastewater treatment plant

根据污水处理厂在线采集的用电量数据，进一步分析该厂针对一期、二期工程曝气系统和调节池搅拌机等设备优化运行后的节能降耗效果。如图5所示，2016年2月春节期间一期、二期工程处理水量骤降，用电量显著降低，单位水量电耗有所上升。2016年3月运行优化期间与2016年1月运行优化前的处理水量相近，因此以2016年1月的能耗数据为基准进行分析。与2016年1月相比，2016年3月预处理段用电量约减少529kW·h，单位水量电耗下降12.7%；生化处理段用电量约减少334kW·h，单位水量电耗下降4.5%；一期、二期单位水量总电耗下降7.3%。

图6为一期、二期工程曝气系统更换供风管道及部分曝气器后，CASS池2个曝气周期Y1和Y2的OTE和DO的变化情况，Y1和Y2曝气周期CASS池进水中的总需氧量分别为247 mg/L和310mg/L。如图6所示，曝气系统改造后，Y1和Y2曝气前期约1h内，OTE可提升至25%以上并维持较长时间，DO达到2.0 mg/L以上。此后，随着耗氧污染物的逐渐降解，在维持曝气量不变的前提下，OTE逐渐下降，DO逐渐上升。曝气105 min后，Y1和Y2的OTE分别为21.6%和17.3%,DO分别为3.6 mg/L和5.0 mg/L。由此可见，当OTE较高时，按105min曝气时间运行，仍有可能曝气过度，表明该厂曝气系统存在进一步优化运行节能降耗的潜力。

图5 污水处理厂一期、二期工程运行优化前后用电量和单位水量电耗的变化   

Fig.5 The variation of electricity consumption and specific electricity consumption before and after operational optimization for PhaseⅠandⅡproject of the wastewater treatment plant

3 结论

(1）通过电量在线采集对污水处理厂运行能耗及能耗构成进行定量分析，采用脱气法直接测定氧转移效率，结合溶解氧等运行参数评估曝气系统供氧效率，进而针对性的实施设备节能改造、运行优化控制等措施，可有效降低污水处理厂运行能耗。

(2）按工艺段划分，生化处理段是污水处理厂的最大用电单元，其能耗占总能耗的50%以上。按用电设备划分，曝气系统、提升泵、机械搅拌、紫外消毒等设备用电量占总用电量的90%以上，是能耗控制的主要对象。

图6 曝气系统改造后CASS池曝气过程中OTE和DO的变化   

Fig.6 The variation of OTE and DO during the aeration period of CASS tank after the energy-saving renovation

(3）更换部分曝气器及供风管道，结合曝气系统和机械搅拌等设备的运行优化，OTE最大值从15%～20%提升至25%～28%，污水处理厂单位水量电耗从0.38kW·h/m³降至0.30～0.31kW·h/m³。通过运行优化，一期、二期工程单位水量电耗降低7.3%。

(4)OTE和DO之间存在较高的关联性。CASS工艺曝气周期前期，OTE维持在较高水平，随着耗氧污染物的降解，OTE逐渐下降，CASS池DO逐渐上升。曝气周期后期，OTE显著降低且DO高于设定值时，可能出现曝气过度。OTE和DO的在线监测可为曝气系统效能评估和运行控制提供支持。

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刘战广