1 我國城鎮(zhèn)污水處理發(fā)展現(xiàn)狀
污水處理是保障人類社會衛(wèi)生安全的重要措施。現(xiàn)今污水處理主要采用活性污泥法為主的工藝，能有效去除有機物、氮磷等污染物和致病菌等。
我國污水處理廠從2006年起數(shù)量直線增加，而2010年后增長速度有所降低。截至2014年底，全國設(shè)市城市、縣累計建成污水處理廠3 717座，污水處理能力1.57×108 m3/d，我國城鎮(zhèn)污水處理廠建設(shè)已覆蓋大部分生活范圍，未來污水處理廠建設(shè)數(shù)量將會放緩，但污水處理量在一定時期內(nèi)仍會有所增加。
按照楊凌波等[1]統(tǒng)計的我國污水處理平均能耗為0.29 kWh/m3，根據(jù)國家能源局發(fā)布的2014年全社會用電總量為55 233億kWh，得到污水處理占全社會用電量的比例約為0.3%。
污水處理廠能耗主要包括直接能耗和間接能耗，其中直接能耗為用于曝氣鼓風(fēng)機、提升泵、回流泵等運行所需要的電能，間接能耗包括化學(xué)除磷以及污泥脫水等投加的化學(xué)藥品等。一般而言，在二級處理工藝電耗中，污水提升占10%～20%，生物處理占50%～70%，污泥處理處置占10%～25%，此三部分所占比例在70%以上[2]?，F(xiàn)今我國污水處理隨著排放標(biāo)準(zhǔn)的提高，很多污水處理廠開始采用深度處理工藝，包括反硝化濾池、砂濾和紫外消毒等工藝。以包括混凝過濾和紫外消毒深度處理工藝的昆明某污水處理廠運行能耗為例，其前處理、二級處理、深度處理和污泥處理能耗所占比例分別為8.2%、65.7%、20.7%和5.4%，其中污水提升泵所占比例為8.0%，二級處理工藝回流泵所占比例為4.7%，曝氣能耗所占比例為56.2%。因此，污水處理廠節(jié)能降耗關(guān)鍵點在提升泵和鼓風(fēng)曝氣兩個方面。
2 污水處理節(jié)能降耗發(fā)展現(xiàn)狀
根據(jù)以上分析，現(xiàn)有節(jié)能降耗的可能包括對現(xiàn)有工藝或者設(shè)備運行進行完善，降低運行能耗。此外，節(jié)能降耗也可以從污水處理工藝優(yōu)化和其所含能源進行回收，由此降低污水處理廠運行能耗。
2.1 污水提升泵節(jié)能降耗研究及其應(yīng)用
污水處理廠進水均處于管網(wǎng)系統(tǒng)末端，其高程相對較低，所以需要用提升泵將污水提升至處理系統(tǒng)中，此過程耗能較多，是節(jié)能降耗的重要節(jié)點之一。目前我國污水處理廠泵能耗較高的原因包括電機效率低、設(shè)計能力與運行能力不符、水量波動大和運行控制管理能力低等。污水提升角度的節(jié)能降耗需要從污水提升系統(tǒng)進行全面的分析。首先，在污水處理工藝設(shè)計階段，需要全面調(diào)研現(xiàn)有管網(wǎng)系統(tǒng)和污水處理全流程設(shè)施，盡可能降低需要提升的污水隨處理設(shè)施的高程差，并考慮采用淹沒流模式。其次，需要根據(jù)污水提升量及其變化特征，選擇合適的泵及其組合方式。根據(jù)管道系統(tǒng)尤其是污水流量的變化特性曲線選擇合適的泵，滿足泵運行的高效運行效率區(qū)間并在高水位條件下運行。根據(jù)污水處理量、揚程、水頭損失和泵功率等，選擇合適高效的泵組合，包括設(shè)置帶變頻調(diào)速器等的變頻泵與固定功率泵之間的配比與調(diào)控，降低水泵運行軸功率，同時避免泵的頻繁開啟而降低其使用壽命。再者，注重泵和電機之間的匹配度，強化電機的高效運行。另外，注重管道設(shè)計，保障系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊與運行流暢，減少彎管和管道長度，降低管道輸運系統(tǒng)的阻力和能耗。最后，需要注重工藝運行管理與設(shè)備維護，降低運行系統(tǒng)的滴漏、結(jié)垢與機械磨損等，保障設(shè)備和系統(tǒng)在高效條件下運轉(zhuǎn)。
我國各污水處理廠設(shè)計和運行中，對提升泵的改進主要是采用變頻控制技術(shù)。許光濘等[3]采用部分變頻泵作為調(diào)速泵的控制，可以使水泵平均轉(zhuǎn)速比工頻轉(zhuǎn)速降低20%以上，綜合節(jié)能效率可達20%～40%，對中小型污水處理廠，一年左右就可收回投資成本。沈曉鈴等[4]采用超聲波液位計監(jiān)測進水水位并結(jié)合出水管流量計反饋控制潛水泵變頻運行，實現(xiàn)節(jié)能10%左右。原建光等[5]采用變頻調(diào)速技術(shù)，以調(diào)節(jié)電動機轉(zhuǎn)速方法代替調(diào)節(jié)閥門或擋板，降低水位大幅變化和實現(xiàn)高水位運行，節(jié)電率為15%。謝添等[6]研究對提升泵房，采用3臺潛水泵，其中一臺為變頻泵，并設(shè)置1臺超聲波液位計控制實際水位，得到變頻控制節(jié)能效率為39%～56%。對于變頻器的選擇與否，劉禮祥等[7]認(rèn)為當(dāng)處理水量變化較大且后續(xù)處理抗沖擊負(fù)荷能力較弱時，需要設(shè)置變頻泵，反之則不一定設(shè)置變頻器，因為變頻器本身耗能比例為3%～5%。郭思遠(yuǎn)等[8]采用基于泵站編組輪換算法和動態(tài)液位控制算法的進水提升泵智能控制方法，實現(xiàn)泵站運行節(jié)能9.6%，全廠節(jié)能2.5%左右。此外，李鵬峰等[9]研究得到通過利用前端管網(wǎng)的蓄水能力減少水泵運行臺數(shù)，達到節(jié)能效率20%。
2.2 污水生物處理曝氣節(jié)能降耗技術(shù)及其應(yīng)用
污水中污染物去除主要通過微生物生化代謝過程實現(xiàn)。我國污水處理生化工藝主要包括A2O工藝、氧化溝工藝和SBR工藝[8]。微生物去除污染物的生化代謝過程需要存在電子受體，此過程主要通過曝氣供氧提供。因此，有效曝氣是實現(xiàn)污染物去除和污水有效處理的重要保障手段。此外，在污染物去除的過程中如A2O反硝化脫氮需要混合液回流提供硝態(tài)氮作為電子受體，而在化學(xué)除磷過程中需要投加化學(xué)藥劑強化化學(xué)沉淀等也會產(chǎn)生一定的能耗。曝氣控制是污水生物處理過程中節(jié)能降耗的關(guān)鍵節(jié)點，途徑包括曝氣裝置、曝氣管布置、曝氣供給模式等方式的優(yōu)化。
曝氣風(fēng)機主要包括羅茨風(fēng)機和TURPO風(fēng)機，前者主要通過變頻控制風(fēng)量一般為中小型污水處理廠所采用，而后者主要通過風(fēng)機導(dǎo)葉開度和開啟臺數(shù)進行曝氣控制。對于曝氣方式，現(xiàn)今A2O和SBR工藝一般采用微孔曝氣，而氧化溝一般采用轉(zhuǎn)刷曝氣或倒傘式曝氣等。微孔曝氣主要通過產(chǎn)生直徑為1.5～3.0 mm的微氣泡強化傳氧效率，降低曝氣能耗。由于微孔曝氣能夠強化傳氧效率，所以現(xiàn)今很多氧化溝工藝的升級改造也開始采用底部微孔曝氣。魏建文等[10]對氧化溝工藝進行改造，由豎軸表面曝氣改造為可變微孔曝氣器和潛水推流器推流相結(jié)合的系統(tǒng)，實現(xiàn)單位污水處理能耗降低23%～45%。曝氣方式一般包括單邊曝氣和全面曝氣。以往認(rèn)為單邊曝氣能夠減小風(fēng)量，但實踐證明全面曝氣能夠?qū)崿F(xiàn)均勻小漩渦，形成局部混合，強化小氣泡的傳遞，具有更好地傳氧效率。魏全源和李辰[11]認(rèn)為當(dāng)均采用微孔全面曝氣時，采用微孔盤式曝氣頭比穿孔管節(jié)能20%以上。
除曝氣裝置與曝氣方式外，曝氣量的供給方式是節(jié)能降耗的關(guān)鍵研究對象。曝氣量過小，將影響污水處理出水水質(zhì);曝氣量過大，則造成能量浪費和影響活性污泥絮體結(jié)構(gòu)和沉降性。曝氣節(jié)能核心是在保證生化處理過程有效去除污染物、保障出水水質(zhì)的前提下，按需提供所需電子受體溶解氧，達到所需與供給之間的平衡，避免曝氣能耗的浪費。從降低能耗角度來看，主要包括控制好氧區(qū)恒定溶解氧防止過度曝氣、按污水處理流程需氧量逐漸降低設(shè)置梯度降低曝氣量(如35%、30%和25%)、根據(jù)出水氨氮濃度設(shè)置曝氣量等。傳統(tǒng)活性污泥生化處理工藝中曝氣主要是去除COD和進行硝化反應(yīng)，所以供氧量的計算也主要是考慮此兩個生化過程。黃浩華等[12]研究得到可以通過控制好氧區(qū)DO質(zhì)量濃度在2～3 mg/L避免過度曝氣，或者通過工藝調(diào)節(jié)減少好氧區(qū)長度而降低能耗17.1%，后者同時能夠提高TN去除效率。劉禮祥等[13]通過精確曝氣控制生化段，采用DO信號接入控制柜并由編程轉(zhuǎn)化為風(fēng)壓值，進而采用風(fēng)壓控制曝氣量，實現(xiàn)節(jié)能27.95%;此外，對于氧化溝工藝采用轉(zhuǎn)刷時序控制也能降低處理單位能耗。張榮兵等[14]采用優(yōu)化曝氣流量控制系統(tǒng)于A2O工藝，有效控制好氧區(qū)DO質(zhì)量濃度，其噸水處理能耗由改造前的0.149 3 kWh降低到改造后的0.132 6 kWh，節(jié)能11.2%，而且出水水質(zhì)能夠很好地達到一級A標(biāo)準(zhǔn)。李建勇等[15]采用曝氣流量控制系統(tǒng)實現(xiàn)對DO的控制，采用控制技術(shù)后處理能耗由0.38 kWh/m3降低到0.25 kWh/m3。謝繼榮等[16]針對常規(guī)曝氣控制系統(tǒng)存在進水波動條件下DO濃度波動范圍也較大的特征，提出了基于溶解氧和需氣量串級控制的曝氣優(yōu)化控制方法，能夠進一步降低工藝運行能耗8.8%。針對現(xiàn)有DO控制系統(tǒng)對低DO控制效果較差的特點，楊新宇等[17]開發(fā)出新型DO控制系統(tǒng)，能夠很好地控制工藝中低DO濃度，應(yīng)用于工藝后處理能耗由0.12 kWh/m3降低到0.096 kWh/m3。對于鼓風(fēng)機控制，其中一個關(guān)鍵因素是避免曝氣鼓風(fēng)機喘振問題。馬金峰等[18]指出控制鼓風(fēng)機出口壓力是解決喘振現(xiàn)象從而實現(xiàn)DO自動控制的必要條件，并且采用低DO和出水氨氮濃度控制能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)的高效自動控制和節(jié)能降耗。此外，還可以通過ORP和pH控制污水處理過程，實現(xiàn)精確曝氣目的，但此方法波動較大并沒有得到很好的實際應(yīng)用。
我國污水處理工藝普遍存在曝氣量設(shè)計遠(yuǎn)大于實際需求量的現(xiàn)狀，也即好氧段可以大大縮短以降低好氧能耗。鮑林林等[19]對氧化溝工藝好氧段進行改造，主要是改造好氧段前段為缺氧區(qū)，控制出水DO質(zhì)量濃度為1～1.5 mg/L，不但提高了出水水質(zhì)，而且處理能耗降低為0.241 kWh/m3，比改造前降低20%以上。此外，通過工藝內(nèi)設(shè)備優(yōu)化運行也能有效降低能耗。原建光等[20]采用低氧(0.5～0.8 mg/L)條件下運行污水處理工藝，也達到很好的污水出水水質(zhì)，并實現(xiàn)節(jié)能的目標(biāo)。楊敏等[21]對污水處理工藝進行分析，通過降低生物池攪拌功率密度實現(xiàn)攪拌單元節(jié)能效率50%。除工藝優(yōu)化運行之外，可以考慮電力使用高峰低谷時間段，結(jié)合污水處理廠廠網(wǎng)綜合調(diào)控與協(xié)同優(yōu)化污水處理工藝的運行，降低耗電費用。
2.3 優(yōu)化或革新的污水處理節(jié)能降耗新技術(shù)研究
隨著對污水處理工藝功能菌的深入研究，逐漸提出能夠從工藝角度實現(xiàn)節(jié)能的新型污水處理工藝。主要包括基于短程硝化的污水脫氮工藝、反硝化除磷工藝以及厭氧氨氧化工藝等。短程硝化工藝因為僅僅硝化氨氮到亞硝酸鹽而非硝酸鹽，所以可以節(jié)約能耗25%，同時，反硝化亞硝酸鹽而非硝酸鹽時也能降低脫氮對碳源的需求量，強化污水脫氮效率。對于厭氧氨氧化工藝，主要應(yīng)用于高氨氮廢水，因為僅需50%左右的氨氮氧化為亞硝酸鹽，所以其需氧量更低，能夠?qū)崿F(xiàn)高效節(jié)能。近期也開始考慮厭氧氨氧化應(yīng)用于污水處理工藝主體流程的可行性，并開展了系列探索性研究[22]。反硝化除磷工藝主要以硝態(tài)氮為電子受體，實現(xiàn)同步脫氮除磷，所以也能在很大程度上節(jié)約曝氣能耗。與傳統(tǒng)強化生物除磷相比，反硝化除磷技術(shù)提高碳源利用率50%、節(jié)省曝氣30%、減少污泥產(chǎn)量50%。
污水本身含有的有機物就是能量載體，所以除污水處理節(jié)能之外，可以考慮污水能源化的實現(xiàn)。主要途徑包括污水厭氧處理，新型工藝包括膜厭氧處理工藝等[23]。此外，能源回收的重點是強化污水中碳源有機物轉(zhuǎn)化為生物體，然后通過厭氧發(fā)酵實現(xiàn)污水碳源的能源化[24]。此領(lǐng)域研究需要針對我國污泥或污水特征，進一步開發(fā)高效的反應(yīng)器與處理技術(shù)工藝等。
3 結(jié)語及展望
隨著我國污水處理廠建設(shè)的完善，未來對污水處理廠運行節(jié)能降耗需求會越來越強烈，尤其是基于精細(xì)化管理和污水處理全程優(yōu)化的理念值得深入實踐。重點內(nèi)容包括：
1)建立基于污水處理系統(tǒng)節(jié)能降耗的精細(xì)化綜合設(shè)計、運行與管理模式。
2)開發(fā)新型節(jié)能降耗的污水處理工藝。深入研究污水中污染物去除機制及其功能菌的馴化，開發(fā)新型污水處理工藝，深入推進關(guān)于污水處理能源化與資源化的實踐，也是節(jié)能降耗的技術(shù)途徑之一。
3)基于污水處理工藝過程的模擬與精確控制技術(shù)研究與應(yīng)用。針對不同工藝，建立相應(yīng)的關(guān)鍵能耗特征指標(biāo)，并開展相應(yīng)的評價與優(yōu)化運行，也是未來需要深入研究的對象。
4)基于節(jié)能降耗效能的綜合評價方法與體系的建立與應(yīng)用。需要建立基于污水處理全流程的類似生命周期評價的理念，全面評價節(jié)能降耗的影響，全面評價能耗降低的途徑。此外，也需要從可持續(xù)發(fā)展角度，全面分析能耗的影響，引入包括環(huán)境、經(jīng)濟和技術(shù)等方面指標(biāo)的評價體系。