城镇污水处理厂节能降耗方法研究

党小燕 刘智 王建霞 周星星

宁夏理工学院 宁夏石嘴山 753400

摘要：城镇污水处理厂是市政基础设施中能耗重点单元，开展城镇污水处理厂节能降耗方法系统研究，对推进水务行业绿色低碳转型有重大意义。本文主要研究城镇污水处理厂节能降耗这一主题，从方法概述、方法要点、具体方法三个方面进行论述。首先对节能降耗方法的基本内涵和主要特点进行了界定，确定了方法体系中包含的工艺、设备、管理、能源回收等各个方面；其次从工艺优化、曝气系统、水泵输送、污泥处理、能源回收五个方面总结出节能降耗的主要措施；最后根据生物处理工艺、曝气系统精准控制、泵类和管网、污泥处理系统、全厂智慧管控五个方面，给出了具体的节能降耗实施路径。

关键词：城镇污水处理厂；节能降耗；曝气系统；能源回收；智慧管控

引言

伴随着城镇化进程的不断推进，城镇污水处理厂的建设规模和处理负荷也越来越大，随之而来的能耗问题也越来越引起行业的重视。污水处理过程中包含提升、预处理、生物处理、深度处理、污泥处置等各个环节，各个环节都会产生不同程度的能源消耗。如何在保证出水水质稳定达标的基础上，用科学合理的办法体系来降低全厂运行能耗，已经成为水务领域急需研究的课题。节能降耗方法研究重视的是一个系统的、可以执行的、可以改进的方法集合。从工艺路线选择、运行参数调节、单台设备效率提高、全厂能量平衡统筹优化等各方面都有很多节能方法的空间。

1 城镇污水处理厂节能降耗方法概述

1.1 城镇污水处理厂节能降耗方法的基本内涵

城镇污水处理厂节能降耗方法，就是在保证污水处理效果和出水水质达标的基础上，通过改善处理工艺流程、调节设备运行状态、改变参数调控方式以及优化能源利用结构等方式来达到降低单位水量能耗、减少药剂消耗、提高能源利用率的目的的一系列技术方法和管理手段的总称。节能降耗方法的主要目的就是在保证处理效果的基础上，达到能源、资源的节约。它不是简单的减少投入或者削减运行成本，而是通过更加科学合理的方式，使每一度电、每一千克药剂都发挥出最大的处理效能^[1]。污水处理是能量密集型过程，从污水提升到生物反应，从固液分离到污泥脱水，每一个步骤都离不开能量的驱动，节能降耗方法的作用就是使能量消耗更加高效。节能降耗方法是多维的、多层次的。它包含宏观上工艺路线的选择、全厂能量系统的设计，也有中观上单元操作的改进、设备群组的协调控制，还有微观上具体参数的调节、运行策略的调整。不同的层次的方法互相配合、互相支撑，宏观方法来定方向和框架，中观方法来搭桥接线，微观方法来落实细节和效果，三者缺一不可。节能降耗方法有明显的系统性。

1.2 城镇污水处理厂节能降耗方法的核心特征

城镇污水处理厂节能降耗方法经过长时间的实践探索，已经形成了一套自身特有的特征体系，这些特征既是方法有效性的保证，又是指导方法应用的基本准则。系统性、整体性是节能降耗方法最明显的特点。污水处理厂的各个处理单元不是孤立存在的，而是以水流、泥流、气流相互联系为有机整体。一个环节的能耗变化会引起其它环节的连锁反应，因此节能降耗的方法不能采取头痛医头、脚痛医脚的碎片化思路，而应该树立全局观念^[2]。如果只在曝气环节追求最低曝气量，就会造成生物处理不彻底，从而增加后续深度处理的药剂消耗和反冲洗次数，全厂总能耗反而上升。真正有效的节能降耗方法，一直追求全厂能量投入和处理效果的最佳结合点。

2 城镇污水处理厂节能降耗方法要点

2.1 工艺优化与运行参数调控要点

工艺优化和运行参数调节属于城镇污水处理厂节能降耗的基本方面，贯穿于污水处理的全过程。不同的污水处理工艺路线能耗特点及能耗强度不同，工艺路线的选择本身就是最大的节能。在现有工艺路线下，通过运行参数的科学控制来达到节能降耗的目的，这是日常运行中最为直接、最为经济的方法。工艺优化要重视各个处理单元功能的匹配和效率的发挥。生物处理是能耗最集中的环节，工艺构型直接影响到能耗水平。在厌氧、缺氧、好氧各段容积分配上，要根据进水水质特点及出水要求来合理配比，防止某一段负荷过高或者过低^[3]。负荷过高时要加大曝气量来补偿，负荷过低会造成池容浪费、能量的无谓消耗。污泥回流比和混合液回流比的确定也要慎重考虑，回流比过大不但会增加提升能耗，还会对生物池的溶解氧分布以及污泥沉降性能造成不良影响。

2.2 曝气系统节能运行要点

不同的曝气设备氧转移效率和动力效率存在着明显的差别，微孔曝气器、旋流曝气器、射流曝气器等各有利弊，适用范围也有所不同。设备选型及更换时要考虑到氧转移效率同曝气池水力条件的契合状况，不能只看重高效率指标，而置实际工况下的运行成果于不顾。曝气器堵塞、老化会造成氧转移效率急剧下降，所以定期清洗、保养曝气系统属于重要的节能手段。溶解氧控制策略是曝气节能的主要内容。好氧池内溶解氧浓度的高低直接影响曝气能耗的大小，溶解氧控制的关键是刚刚好，即不能过高造成能源浪费，也不能过低影响处理效果^[4]。

2.3 水泵与输送系统能效提升要点

水泵及输送系统在城镇污水处理厂中担负着污水提升、污泥回流、内回流、加药等许多输送任务，虽然单台设备的能耗不高，但是全厂累计起来的能耗却是一笔不小的开支。水泵运行效率是能效提高的主要因素^[5]。水泵在设计工况下工作时效率最高，但是在实际运行中，由于水量的波动、水位的变化、管路阻力的变化等原因，水泵会偏离设计工况点运行，造成实际效率降低。因此水泵节能的第一要义就是使水泵尽可能地工作在高效区间。变频调速技术的使用给水泵高效运行提供了一种方法，通过调节水泵的转速来适应水量的变化，可以避免传统的阀门节流调节造成的能量损失。尤其在进水量昼夜变化较大的时候，使用变频水泵可以按照实际水量来调节转速，使水泵一直处在高效的工作区域。水位和扬程的合理控制也是水泵节能的重要方面。水泵的轴功率与扬程、流量的乘积成正比，在满足工艺要求的情况下，尽可能降低水泵的实际扬程，即节能。进水泵房集水井水位应控制在合理的范围内，水位过低会造成水泵吸水扬程增大，增加不必要的能耗。

2.4 污泥处理处置环节能耗管控要点

污泥处理处置属于城镇污水处理厂的重要部分，也是能耗较高的环节。污泥从剩余污泥排放开始，经过浓缩、稳定、脱水、最终处置等几个环节，每一个环节都会消耗能量和药剂。污泥浓缩环节能耗控制要点是提高浓缩效率，减少后面脱水负荷^[6]。重力浓缩、机械浓缩等不同的浓缩方式各有其能耗特点，选择合适的浓缩方式对降低后续环节能耗起着重要的作用。浓缩效果好，污泥含固率高，后续脱水环节处理量小，能耗、药耗都随之降低。相反，如果浓缩效果不好，大量的水分进入脱水环节，不但增大了脱水设备的运行负荷，还要投加更多的絮凝药剂，造成连锁式的能耗增加。污泥脱水环节是污泥处理能耗、药耗最集中的环节。脱水环节的节能重点就是改善絮凝药剂的投加量和投加方式，保证污泥脱水效果最好，同时减小药剂浪费。

2.5 能源回收与资源化利用要点

能源回收和资源化利用属于城镇污水处理厂节能降耗的高层次内容，它冲破了传统上只减不增的节能观念，转而采取能源回收、资源循环的方式，从而达到能量的开源。污水处理厂虽然属于耗能单位，但是它也蕴藏着丰富的能源潜力和资源潜力，把它们完全发掘出来，本身就是一种最积极的节能降耗。污泥厌氧消化产生的沼气是污水处理厂最主要的可回收能源。污泥中含有很多有机物，在厌氧消化过程中会生成以甲烷为主成分的沼气。沼气能量密度大，利用沼气锅炉燃烧产热或沼气发电机发电均可给污水处理厂提供可观的能源^[7]。沼气回收利用的要点是提高沼气产率和沼气利用率。沼气产率和污泥性质、消化条件、停留时间等有关，通过改善消化工艺参数来提高沼气产量。沼气利用率由沼气收集系统是否完善、沼气利用设备是否高效决定，防止沼气直接燃烧排放或者空放。除沼气能源回收外，污水处理厂还有其他的能源和资源回收途径。

3 城镇污水处理厂节能降耗方法

3.1 生物处理工艺节能优化方法

生物处理工艺是城镇污水处理厂的主要单元，也是节能降耗方法应用的主要领域。生物处理工艺的节能优化，以提高生物反应效率、降低能量消耗为出发点，形成了多种具体的节能技术以及运行方式。生物池运行方式上采用分段进水、多点进水的方式进行工艺优化，可以很好地解决各个段之间有机负荷不平衡的问题，防止出现前端负荷过大、后端负荷过小的情况。传统的单点进水方式使生物池前端承受了大部分的有机物负荷，前端需要大量的曝气来满足高负荷下对氧的需求，而后端由于负荷不足而出现曝气过剩^[8]。分段进水把进水分配到生物池的不同区段，使各个区段的负荷更加均匀，提高生物池容积利用率的同时也保证了曝气分配的合理性，防止局部曝气过多造成能源浪费。该种优化方法不需要大的硬件改造，只需要改变进水堰门的开启方式就可以达到节能的目的，是投入小、见效快的节能优化方法。交替运行的时序控制属于生物处理工艺节能的一种方式。

3.2 曝气系统精准调控与节能方法

曝气系统节能降耗是污水处理厂节能工作中的重中之重，经过多年的实践探索，已经形成了许多行之有效的精准调控方法和技术手段。基于在线监测的溶解氧闭环控制方法是曝气节能的主要方法。在好氧池各个断面设置溶解氧在线分析仪，实时采集池内溶解氧浓度数据，把监测信号传送给曝气鼓风机或者空气调节阀门，自动调节曝气量的大小，使溶解氧浓度一直保持在设定的目标范围内。闭环控制方法比人工定时调整的响应速度快、控制精度高，可以及时跟踪进水负荷变化，避免人工调整滞后造成曝气过多或者过少。在具体的实施过程中可以使用前馈和反馈相结合的方式，即根据前面预测出的需要氧量变化趋势来提前调节曝气量，根据后面的反馈信号进行精确的修正，两者结合可以得到更加准确的曝气控制。曝气系统分组分区域控制方法，是曝气节能的进一步方向。将整个好氧池按水流方向分成若干个控制区，每一个区分别设置一个溶解氧监测点和曝气调节阀，根据各个区的需要氧量来调节曝气量。

3.3 泵类设备与管网系统节能方法

泵类设备虽然单体功率比曝气鼓风机小，但是由于数量多、运行时间长，总能耗在污水处理厂中所占比例也不小。泵类设备和管网系统的节能降耗，也有一个系统的方法可以遵循。水泵变频调速改造法是泵类节能最常用的手段。传统的水泵运行方式一般用出口阀门来调节流量，该种节流调节方式在阀门上消耗了大量能量。变频调速是改变电机转速来调节水泵的流量和扬程，转速降低时水泵的轴功率呈三次方关系下降，节能效果非常明显。尤其是对进水泵、回流污泥泵等水量变化大的水泵来说，变频改造的节能效果更加明显。在进行变频改造的时候要注意水泵和变频器的匹配问题，应该选择水泵高效区间较宽的产品进行变频改造，在较大的调节范围内都能保持较高的运行效率。水泵组合运行优化方法适合于多台水泵并联运行的情况。

3.4 污泥处理系统能耗削减方法

污泥处理系统能耗削减要从污泥处理全过程出发，在各个环节中寻找节能降耗空间和方法。污泥浓缩环节的节能方法主要是提高浓缩效率，降低后面处理负荷。重力浓缩池运行优化是直接的节能方式，通过控制浓缩池固体表面负荷、延长或者缩短浓缩时间来改变浓缩污泥含固率。在保证浓缩效果的基础上，尽可能提高浓缩污泥的含固率，就可以减少后续脱水环节需要处理的污泥体积，从而降低脱水设备的运行时间和药剂投加量。对于采用机械浓缩的工艺，浓缩机的运行参数要根据进泥性质的变化及时调整，保证浓缩机始终处于最佳工况点。浓缩环节的节能看似微不足道，但它是污泥处理流程中的前端环节，它的效果会逐级放大到后面的所有环节，所以具有四两拨千斤的杠杆作用。污泥脱水环节药剂优化和设备高效运行方法属于污泥系统节能的主要内容。絮凝药剂的投加量直接影响到脱水的效果以及药剂的成本，盲目加大药剂投加量不但会造成药剂的浪费，还会由于絮体过于黏稠而导致脱水效果不好。

3.5 全厂智慧管控与能源系统优化方法

随着自动化、信息化技术的发展，智慧管控成了城镇污水处理厂节能降耗的主要方法手段。全厂智慧管控和能源系统优化把分散的节能措施变成一个统一的优化体系，用数据驱动的方式达到全厂能耗的全局最优。创建全厂能耗在线监测和分析平台属于智慧管控的基本方法。在污水处理厂各个主要耗能设备及处理单元上安装电能计量装置，实时采集能耗数据，建立全厂能耗数据库。对历史能耗数据做统计分析后会得到以下结论，主要的耗能设备有哪几类，各个时段的能耗异常偏高有哪些，哪些因素与能耗变化有关。这些分析结果给后续的节能优化指明了准确的靶向。能耗监测平台不能只停留在看得见的状态，还要达到看得懂的目的，即通过对能耗数据和处理水量、进水水质、出水水质之间的关联分析，计算出单位水量能耗、单位污染物去除能耗等重要指标，从而使得能耗水平的评价更加科学合理。基于模型的全厂模拟和优化方法属于智慧管控的高级阶段。建立污水处理厂工艺模型和能耗模型，对不同的运行策略进行模拟，得到处理效果和能耗水平，从中选择最佳运行方案。

结束语

从方法概述、方法要点、具体方法三个方面对城镇污水处理厂节能降耗方法进行系统的整理和研究。从概述上来说，节能降耗方法具有丰富的内涵和明显的特征，它不是单一的技术手段，而是包含工艺优化、设备提效、运行调控、能源回收等许多方面的一个方法体系；它讲究系统全局的统筹谋划，又重视具体环节的精细操作；它是一个持续改进的动态过程，而不是一劳永逸的终局状态。从要点上来说，工艺优化和参数调节、曝气系统节能运行、水泵及输送系统能效提高、污泥处理环节能耗控制、能源回收和资源化利用这五个方面就是污水处理厂节能降耗的主要环节。每一个要点都有它自身的优化空间与方法路径，各个要点之间又彼此联系、互相影响，共同决定着全厂能耗水平。

基金项目：宁夏自然基金项目（2025AAC030541）

参考文献

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