地下式污水處理廠能耗指標(biāo)分析及節(jié)能方向
在對(duì)國(guó)內(nèi)現(xiàn)行節(jié)能評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行梳理的基礎(chǔ)上，通過具體的工程案例，對(duì)地下式污水處理廠的能耗特點(diǎn)和能耗指標(biāo)進(jìn)行了分析，提出了單位能耗指標(biāo)的合理區(qū)間，并建議地下式污水處理廠的單位能耗指標(biāo)以不超過0.45~0.6 kW·h/m3為宜。通過數(shù)據(jù)對(duì)比，得出在同樣處理標(biāo)準(zhǔn)下，國(guó)內(nèi)污水處理廠在運(yùn)行能耗方面與歐美發(fā)達(dá)國(guó)家處于同一水平的結(jié)論。最后在分析地下式污水處理廠能耗組成變化的基礎(chǔ)上，提出了全方位節(jié)能降耗的工程措施和運(yùn)行管理措施。
1 引言
污水處理廠的能源消耗包括水、電、氣等，其中電耗約占總能耗的70%~90%，因此也是污水處理廠節(jié)能研究的重點(diǎn)。過去十來年，國(guó)內(nèi)污水處理廠的建設(shè)經(jīng)歷了一個(gè)飛速發(fā)展的過程。污水處理標(biāo)準(zhǔn)從早年的二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，歷經(jīng)一級(jí)B、一級(jí)A直到現(xiàn)在地表水準(zhǔn)Ⅳ類、準(zhǔn)Ⅲ類的逐次提標(biāo)。污水處理廠的建設(shè)形式也從早年單一形式的常規(guī)地上式污水處理廠，到現(xiàn)在高標(biāo)準(zhǔn)地下式污水處理廠的廣泛推廣。從單純強(qiáng)調(diào)水處理到現(xiàn)在的水、泥、氣并重。應(yīng)該說不論是污水處理廠的建設(shè)理念和建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)，還是技術(shù)和裝備都經(jīng)歷了飛躍式的發(fā)展。但對(duì)于污水處理廠節(jié)能評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)的研究卻與污水處理廠的高速發(fā)展不相適應(yīng)，國(guó)內(nèi)目前缺少一個(gè)合適的節(jié)能評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)。污水處理廠的單位能耗達(dá)到一個(gè)什么樣的水平算是節(jié)能的？難以研判。國(guó)內(nèi)諸多文獻(xiàn)中都提到國(guó)內(nèi)污水處理廠的能耗水平明顯高于歐美發(fā)達(dá)國(guó)家，但事實(shí)是否如此也值得商榷。
2 國(guó)內(nèi)目前的節(jié)能評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)
對(duì)于污水處理廠的節(jié)能評(píng)估，目前國(guó)內(nèi)有據(jù)可查的全國(guó)標(biāo)準(zhǔn)只有2001年由建設(shè)部發(fā)布的《城鎮(zhèn)污水處理工程項(xiàng)目建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)》（修訂）。該標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定二級(jí)污水處理廠電耗不宜超過0.15~0.28 kW·h/m3。國(guó)內(nèi)很長(zhǎng)一段時(shí)間都以此指標(biāo)作為污水處理廠節(jié)能評(píng)估的標(biāo)準(zhǔn)。但顯然該指標(biāo)已不能適應(yīng)目前高標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)的污水處理廠。
北京市2015年發(fā)布了一個(gè)地方標(biāo)準(zhǔn)《城鎮(zhèn)污水處理能源消耗限額》（DB11/T 1118-2014），該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定出水一級(jí)B標(biāo)準(zhǔn)的城鎮(zhèn)污水處理廠單位污水處理電耗的限定值為0.229~0.367 kW·h/m3，先進(jìn)值為0.211~0.349 kW·h/m3。可以看出，該標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)對(duì)建設(shè)部的節(jié)能評(píng)估指標(biāo)做了適當(dāng)提高。
但以上標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于目前高標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)的污水處理廠尤其是地下式污水處理廠均不適用。地下式污水處理廠的建設(shè)形式近十年來在國(guó)內(nèi)得到了迅速的推廣，國(guó)內(nèi)已建和在建的地下式污水處理廠目前已超過100個(gè)，應(yīng)該說是今后污水處理廠建設(shè)的一大發(fā)展方向。由于建設(shè)形式的特殊性，地下式污水處理廠的能耗必定會(huì)高于常規(guī)地上式污水處理廠。如何對(duì)地下式污水處理廠進(jìn)行節(jié)能評(píng)估，并在此基礎(chǔ)上確定污水處理廠的節(jié)能提升方向是一個(gè)值得研究的問題。
3 地下式污水處理廠的能耗特點(diǎn)及分析
3.1 地下式污水處理廠的能耗特點(diǎn)
現(xiàn)有的節(jié)能評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)均是針對(duì)出水一級(jí)B標(biāo)準(zhǔn)的常規(guī)二級(jí)污水處理廠。相對(duì)于此標(biāo)準(zhǔn)，地下式污水處理廠的能耗增加主要在兩個(gè)方面。第一個(gè)方面是目前的出水標(biāo)準(zhǔn)普遍為優(yōu)于一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)，需要在二級(jí)處理工藝流程的基礎(chǔ)上增加深度處理工藝，通常需要增加二級(jí)提升，以及高效沉淀和過濾等工藝段，相應(yīng)帶來能耗的增加。第二個(gè)方面是在采用地下式布置形式后，污水處理廠在照明、通風(fēng)及除臭等方面的需求都大大增加。如廠區(qū)照明，常規(guī)污水處理廠僅需廠區(qū)路燈和少量建筑物內(nèi)的夜間照明，但地下污水處理廠由于全部設(shè)施都位于地下，整個(gè)地下箱體基本需要24小時(shí)的連續(xù)照明，照明設(shè)備數(shù)量和使用時(shí)間都大大增加。在通風(fēng)方面，常規(guī)污水處理廠僅需少量建筑物的通風(fēng)換氣，而地下污水處理廠需要整個(gè)地下箱體的強(qiáng)制送排風(fēng)，通風(fēng)設(shè)備的數(shù)量和功率都大大增加。在除臭方面，地下式污水處理廠由于環(huán)境封閉，相對(duì)于常規(guī)污水處理廠的除臭標(biāo)準(zhǔn)也有所提高，在對(duì)池內(nèi)臭氣進(jìn)行收集處理的基礎(chǔ)上，還要對(duì)部分重點(diǎn)區(qū)域如預(yù)處理區(qū)域和泥處理區(qū)域等進(jìn)行多重隔斷，對(duì)隔斷空間內(nèi)的臭氣進(jìn)行收集處理，人員活動(dòng)頻率高的區(qū)域還要增加送離子風(fēng)的除臭強(qiáng)化措施。因此使得地下式污水處理廠在這三個(gè)方面的能耗都會(huì)大大高于常規(guī)的地上式污水處理廠。通過理論計(jì)算對(duì)比同樣規(guī)模、同樣處理標(biāo)準(zhǔn)的全地下式污水處理廠和常規(guī)地上式污水處理廠，地下式污水處理廠的照明能耗約為常規(guī)地上式污水處理廠的4~6倍，通風(fēng)能耗約為常規(guī)地上式污水處理廠的4~6倍，除臭能耗約為常規(guī)地上式污水處理廠的2~3倍。
3.2 地下式污水處理廠的能耗分析
污水處理廠的能耗指標(biāo)以實(shí)際運(yùn)行的數(shù)據(jù)最為準(zhǔn)確。但實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)由于涉及到商業(yè)秘密，往往較難獲得準(zhǔn)確可靠的數(shù)據(jù)。因此污水處理廠能耗指標(biāo)的分析還是以理論計(jì)算為主。污水處理廠單位能耗指標(biāo)通常用污水處理廠年用電量除以年處理水量獲得。年用電量通常采用全廠用電設(shè)備的計(jì)算容量乘以用電負(fù)荷的日平均系數(shù)、年電能利用率和運(yùn)行時(shí)間來計(jì)算。而全廠用電設(shè)備的計(jì)算容量為全廠用電設(shè)備的額定功率乘以需用系數(shù)和同時(shí)使用系數(shù)。因此污水處理廠單位能耗指標(biāo)的計(jì)算見式（1）：
以某全地下式污水處理廠為例，污水處理廠設(shè)計(jì)規(guī)模20萬m3/d，污水處理執(zhí)行地表準(zhǔn)Ⅳ類水標(biāo)準(zhǔn)，污水處理工藝流程為粗格柵及進(jìn)水泵房-中、細(xì)格柵及曝氣沉砂池-初沉池-AAO生反池-二沉池-中間提升泵房-高效沉淀池-反硝化深床濾池-紫外消毒-出水泵房提升外排。污泥處理采用低溫真空脫水干化工藝至含水率40%后外運(yùn)處理處置。臭氣處理執(zhí)行一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，處理工藝采用水洗滌+生物滴濾+改良式生物過濾+活性炭吸附的組合式除臭工藝，同時(shí)對(duì)重點(diǎn)區(qū)域的大空間進(jìn)行活性炭除臭并增設(shè)送離子風(fēng)設(shè)施。箱體內(nèi)通風(fēng)根據(jù)不同區(qū)域采用6~12次/h的換氣次數(shù)。按前述公式進(jìn)行計(jì)算，該全地下式污水處理廠的單位能耗指標(biāo)為0511 kW·h/m3。能耗指標(biāo)的組成及占比如表1所示。
可以看出，在全地下式污水處理廠中，除工藝處理能耗外，照明、通風(fēng)和除臭的能耗占比較高，約為28.91%，明顯高于常規(guī)地上式污水處理廠。
4 能耗評(píng)價(jià)指標(biāo)的合理區(qū)間
4.1 地下式污水處理廠能耗指標(biāo)的合理區(qū)間
以上僅為一個(gè)全地下式污水處理廠的個(gè)例，對(duì)其他同類型地下式污水處理廠能耗指標(biāo)的分析也能得出近似的結(jié)果，如表2所示。
由此可以看出，各個(gè)地下式污水處理廠由于工程規(guī)模、處理標(biāo)準(zhǔn)、工藝流程和建設(shè)形式的差異導(dǎo)致單位能耗指標(biāo)有所不同，但基本都在0.45~0.6 kW·h/m3這一區(qū)間內(nèi)。應(yīng)該說這也是目前國(guó)內(nèi)地下式污水處理廠單位能耗的一個(gè)相對(duì)合理的區(qū)間。
國(guó)內(nèi)對(duì)污水處理廠的運(yùn)行能耗指標(biāo)也有持續(xù)的統(tǒng)計(jì)。2001年編制《城鎮(zhèn)污水處理工程項(xiàng)目建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)》（修訂）時(shí)，對(duì)處理規(guī)模1萬~100萬m3/d的二級(jí)污水處理廠的運(yùn)行能耗進(jìn)行了調(diào)研，結(jié)果顯示污水處理廠的單位能耗分布在0.15~0.40 kW·h/m3區(qū)間，均值為0.26 kW·h/m3。2006年對(duì)全國(guó)559座污水處理廠運(yùn)行能耗調(diào)研的結(jié)果顯示單位能耗均值為0.290 kW·h/m3。2009年對(duì)全國(guó)559座污水處理廠運(yùn)行能耗調(diào)研的結(jié)果顯示單位能耗均值為0.254 kW·h/m3。2011年對(duì)全國(guó)1441座污水處理廠運(yùn)行能耗調(diào)研的結(jié)果顯示90%污水處理廠的單位能耗分布在0.157~0.471 kW·h/m3區(qū)間，均值為0.293 kW·h/m3。2014年對(duì)全國(guó)1 980座污水處理廠運(yùn)行能耗調(diào)研的結(jié)果顯示90%污水處理廠的單位能耗分布在0.094~0.462 kW·h/m3這一區(qū)間，均值為0.325 kW·h/m3。單位能耗指標(biāo)的變化趨勢(shì)如圖1所示。
可以看出，2010年前國(guó)內(nèi)污水處理廠基本只有二級(jí)處理，污水處理標(biāo)準(zhǔn)一般都是一級(jí)B甚至更低的標(biāo)準(zhǔn)，其時(shí)污水處理廠單位能耗的均值基本在0.290 kW·h/m3以下。2010年后，隨著國(guó)內(nèi)污水處理廠提標(biāo)改造的逐次推進(jìn)，污水處理廠的單位能耗自然呈上升趨勢(shì)。雖然2014年時(shí)國(guó)內(nèi)大部分污水處理廠的一級(jí)A提標(biāo)改造還沒完成，但噸水電耗均值就已經(jīng)升至0.325 kW·h/m3。到現(xiàn)在國(guó)內(nèi)很多污水處理廠都已進(jìn)一步提標(biāo)至優(yōu)于一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)，單位水量電耗指標(biāo)再進(jìn)一步提高就是很自然的事了。
再回過頭來看表1計(jì)算的某全地下式污水處理廠的單位能耗指標(biāo)，也可以用該指標(biāo)反算常規(guī)污水處理廠的能耗指標(biāo)。同樣處理標(biāo)準(zhǔn)的常規(guī)污水處理廠在照明、通風(fēng)、除臭方面比該全地下廠能耗更節(jié)省，照明和通風(fēng)能耗約為全地下廠的20%，除臭能耗約為全地下廠的40%。以此可以反算出同樣處理標(biāo)準(zhǔn)常規(guī)污水處理廠的能耗指標(biāo)。再進(jìn)一步扣除深度處理的能耗還能得出一級(jí)B標(biāo)準(zhǔn)常規(guī)污水處理廠的能耗指標(biāo)，如表3所示。
該計(jì)算結(jié)果與2014年時(shí)國(guó)內(nèi)污水處理廠單位能耗指標(biāo)的實(shí)際統(tǒng)計(jì)結(jié)果基本一致，說明關(guān)于全地下式污水處理廠單位能耗指標(biāo)的理論計(jì)算是準(zhǔn)確的，也是比較符合實(shí)際的。結(jié)合前述分析，建議地下式污水處理廠的單位能耗指標(biāo)以不超過0.45~0.6 kW·h/m3為宜。
4.2 國(guó)內(nèi)外污水處理廠能耗指標(biāo)對(duì)比
國(guó)內(nèi)污水處理廠的能耗水平與歐美發(fā)達(dá)國(guó)家相比究竟怎樣呢？國(guó)內(nèi)文獻(xiàn)中較多出現(xiàn)的觀點(diǎn)是國(guó)內(nèi)污水處理廠的能耗水平明顯高于歐美發(fā)達(dá)國(guó)家。但筆者認(rèn)為未必如此，污水處理廠的能耗水平與其建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)和處理標(biāo)準(zhǔn)直接相關(guān)，不是同一基礎(chǔ)上的數(shù)據(jù)不具有可比性。國(guó)內(nèi)污水處理廠經(jīng)歷近十年的逐次提標(biāo)，目前的處理標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)該已超過了很多歐美國(guó)家的污水處理廠。為滿足高標(biāo)準(zhǔn)的處理需求，近十年來也從國(guó)外引進(jìn)了大量的先進(jìn)技術(shù)和裝備，應(yīng)該說目前行業(yè)內(nèi)國(guó)際上大多數(shù)先進(jìn)的工藝、技術(shù)和裝備在國(guó)內(nèi)都得到了廣泛的應(yīng)用。因此至少單純?cè)谖鬯幚韽S運(yùn)行能耗方面國(guó)內(nèi)并不比歐美發(fā)達(dá)國(guó)家差。唐建國(guó)在城建水業(yè)上介紹了德國(guó)2019年的污水處理情況，德國(guó)水協(xié)2019年調(diào)查了全德5 310座污水處理廠的情況，占德國(guó)污水處理總規(guī)模的87.2%。其中關(guān)于污水處理廠的主要運(yùn)行數(shù)據(jù)摘錄如表4所示。
從德國(guó)污水處理廠的運(yùn)行數(shù)據(jù)來看，德國(guó)污水處理廠的進(jìn)水水質(zhì)和出水指標(biāo)與目前國(guó)內(nèi)的污水處理廠都比較接近，單位能耗平均值為0.42 kWh/m3，也與國(guó)內(nèi)的污水處理廠基本相當(dāng)。因此可以看出，在同樣處理標(biāo)準(zhǔn)情況下，國(guó)內(nèi)污水處理廠在運(yùn)行能耗方面并不比歐美發(fā)達(dá)國(guó)家差，兩者基本在同一水平。
當(dāng)然與歐美發(fā)達(dá)國(guó)家相比，國(guó)內(nèi)的污水處理廠在某些方面確實(shí)存在差距。比如在污水處理廠的能量自給方面，歐美發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)污水處理過程中的能量回收比較重視，如通過污泥的厭氧消化回收沼氣，再將沼氣通過熱電聯(lián)產(chǎn)回收能量。IWA國(guó)際水協(xié)的資料顯示，丹麥的Marselisborg污水處理廠通過這種方式在2016年就實(shí)現(xiàn)了100%的能量自給。通過沼氣發(fā)電產(chǎn)生的電量不僅能滿足自己的能耗，而且還有50%的電力盈余，除此之外，還有2.5 GWh的熱能可輸送給當(dāng)?shù)氐墓┡到y(tǒng)。因此國(guó)內(nèi)的污水處理廠還需要繼續(xù)進(jìn)一步學(xué)習(xí)國(guó)外的先進(jìn)理念，爭(zhēng)取在能源的綜合利用方面更上一個(gè)新的臺(tái)階。
5 地下式污水處理廠的節(jié)能方向
5.1 工程設(shè)計(jì)的節(jié)能措施
工程的節(jié)能設(shè)計(jì)需要抓住主要的能耗點(diǎn)，再采取有針對(duì)性的措施。從表1和表3的數(shù)據(jù)來看，相對(duì)于常規(guī)污水處理廠，地下式污水處理廠在照明、通風(fēng)和除臭上的能耗占比明顯提高。同時(shí)，隨著近年來污水及污泥處理標(biāo)準(zhǔn)的不斷提高、工藝流程的加長(zhǎng)，整個(gè)污水處理廠的能耗組成也發(fā)生了變化。以前述20萬m3/d的某全地下式污水處理廠為例，主要工藝環(huán)節(jié)或耗能設(shè)備的能耗組成如圖2所示。
可以看出，對(duì)于地下式污水處理廠來說，以往常規(guī)污水處理廠中曝氣能耗占比50%以上的狀況已經(jīng)發(fā)生了變化，雖然曝氣能耗還是排第一位，但其占比已明顯降低。排在第二位的是泵提升的能耗，這是因?yàn)榈叵挛鬯幚韽S通常需要設(shè)置三級(jí)提升，使其能耗也明顯增加。排在第三位的是污泥處理的能耗，近年來對(duì)污水處理廠污泥減量化處理的要求明顯提高，很多污水處理廠都要求污泥脫水干化至40%~60%含水率后再外運(yùn)，使得污泥處理的能耗也明顯上升。再往后是通風(fēng)和除臭的能耗等。
地下式污水處理廠能耗組成的變化說明需要采取全方位的節(jié)能降耗措施，可以采用的節(jié)能設(shè)計(jì)措施主要包括：
（1）采用精確曝氣控制系統(tǒng)對(duì)生反池內(nèi)的溶氧濃度和曝氣風(fēng)量進(jìn)行精準(zhǔn)控制，降低曝氣風(fēng)機(jī)的能耗。
（2）優(yōu)化地下式污水處理廠的豎向設(shè)計(jì)和水力高程設(shè)計(jì)，有效控制全程水頭損失，盡量減少水泵提升次數(shù)和提升高度，從而降低泵提能耗。
（3）通過設(shè)置污泥濃度計(jì)等對(duì)各級(jí)污泥排放進(jìn)行精準(zhǔn)控制，減少不必要的污泥處理量。有條件情況下盡量利用廢熱能對(duì)污泥進(jìn)行干化，以節(jié)約污泥處理能耗。
（4）地下式污水處理廠的通風(fēng)除臭采用智能通風(fēng)和智能除臭控制系統(tǒng)，根據(jù)不同的運(yùn)行模式或地下箱體內(nèi)的污染物指標(biāo)情況，實(shí)時(shí)調(diào)控風(fēng)機(jī)的開啟臺(tái)數(shù)。也可以采用自然通風(fēng)和機(jī)械通風(fēng)相結(jié)合的方式，以節(jié)約通風(fēng)除臭能耗。
（5）采用智能照明控制系統(tǒng)，對(duì)污水處理廠地下箱體內(nèi)的照明進(jìn)行分區(qū)分片管理，同時(shí)結(jié)合日常生產(chǎn)管理巡視的安排，對(duì)區(qū)域照度進(jìn)行精準(zhǔn)控制。另外盡量采用自然采光和燈具照明結(jié)合的方式，以節(jié)約照明能耗。
（6）選用節(jié)能高效的設(shè)備，同時(shí)通過變頻調(diào)節(jié)等措施降低設(shè)備能耗。
5.2 工程運(yùn)行的節(jié)能措施
污水處理廠的節(jié)能最終還是要通過具體的運(yùn)行管理來實(shí)現(xiàn)。隨著污水處理廠建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)越來越高，對(duì)污水處理廠的運(yùn)行管理也提出了更高的要求。目前國(guó)內(nèi)部分高標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)的污水處理廠在硬件配置上已不亞于國(guó)外先進(jìn)國(guó)家的污水處理廠，污水處理廠的控制系統(tǒng)也在從智能化向智慧化快遞轉(zhuǎn)變，因此也要求污水處理廠的運(yùn)行管理方法和管理手段同步提升，實(shí)現(xiàn)從粗放管理到精細(xì)化管理的轉(zhuǎn)變，才能保證污水處理廠節(jié)能目標(biāo)的最后實(shí)現(xiàn)。
6 結(jié)語(yǔ)
污水處理廠能源的綜合管理包括開源和節(jié)流兩個(gè)方向。節(jié)流即通過節(jié)能的各種技術(shù)和管理措施最大程度地降低運(yùn)行能耗；而開源則是通過各種手段對(duì)污水處理過程中的能量進(jìn)行回收利用，如污泥通過厭氧消化產(chǎn)生沼氣發(fā)電，通過水源熱泵對(duì)水中的熱能進(jìn)行回收等。只有將開源和節(jié)流有機(jī)結(jié)合才能實(shí)現(xiàn)最高效的能源綜合利用，這是目前國(guó)內(nèi)和國(guó)外先進(jìn)國(guó)家的差距所在，也是國(guó)內(nèi)污水處理廠今后的一個(gè)發(fā)展方向。相信隨著國(guó)內(nèi)能源綜合利用意識(shí)的不斷提高，國(guó)內(nèi)污水處理廠的建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)有望再上一個(gè)新的臺(tái)階，使污水處理廠成為一個(gè)新型的環(huán)保中心和能源中心。
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