地下式污水處理廠能耗指標分析及節能方向
在對國內現行節能評估標準進行梳理的基礎上，通過具體的工程案例，對地下式污水處理廠的能耗特點和能耗指標進行了分析，提出了單位能耗指標的合理區間，并建議地下式污水處理廠的單位能耗指標以不超過0.45~0.6 kW·h/m3為宜。通過數據對比，得出在同樣處理標準下，國內污水處理廠在運行能耗方面與歐美發達國家處于同一水平的結論。最后在分析地下式污水處理廠能耗組成變化的基礎上，提出了全方位節能降耗的工程措施和運行管理措施。
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能研究的重點。過去十來年，國內污水處理廠的建設經歷了一個飛速發展的過程。污水處理標準從早年的二級標準，歷經一級B、一級A直到現在地表水準Ⅳ類、準Ⅲ類的逐次提標。污水處理廠的建設形式也從早年單一形式的常規地上式污水處理廠，到現在高標準地下式污水處理廠的廣泛推廣。從單純強調水處理到現在的水、泥、氣并重。應該說不論是污水處理廠的建設理念和建設標準，還是技術和裝備都經歷了飛躍式的發展。但對于污水處理廠節能評估標準的研究卻與污水處理廠的高速發展不相適應，國內目前缺少一個合適的節能評估標準。污水處理廠的單位能耗達到一個什么樣的水平算是節能的？難以研判。國內諸多文獻中都提到國內污水處理廠的能耗水平明顯高于歐美發達國家，但事實是否如此也值得商榷。
2 國內目前的節能評估標準
對于污水處理廠的節能評估，目前國內有據可查的全國標準只有2001年由建設部發布的《城鎮污水處理工程項目建設標準》（修訂）。該標準中規定二級污水處理廠電耗不宜超過0.15~0.28 kW·h/m3。國內很長一段時間都以此指標作為污水處理廠節能評估的標準。但顯然該指標已不能適應目前高標準建設的污水處理廠。
北京市2015年發布了一個地方標準《城鎮污水處理能源消耗限額》（DB11/T 1118-2014），該標準規定出水一級B標準的城鎮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，先進值為0.211~0.349 kW·h/m3。可以看出，該標準已經對建設部的節能評估指標做了適當提高。
但以上標準對于目前高標準建設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形式近十年來在國內得到了迅速的推廣，國內已建和在建的地下式污水處理廠目前已超過100個，應該說是今后污水處理廠建設的一大發展方向。由于建設形式的特殊性，地下式污水處理廠的能耗必定會高于常規地上式污水處理廠。如何對地下式污水處理廠進行節能評估，并在此基礎上確定污水處理廠的節能提升方向是一個值得研究的問題。
3 地下式污水處理廠的能耗特點及分析
3.1 地下式污水處理廠的能耗特點
現有的節能評估標準均是針對出水一級B標準的常規二級污水處理廠。相對于此標準，地下式污水處理廠的能耗增加主要在兩個方面。第一個方面是目前的出水標準普遍為優于一級A標準，需要在二級處理工藝流程的基礎上增加深度處理工藝，通常需要增加二級提升，以及高效沉淀和過濾等工藝段，相應帶來能耗的增加。第二個方面是在采用地下式布置形式后，污水處理廠在照明、通風及除臭等方面的需求都大大增加。如廠區照明，常規污水處理廠僅需廠區路燈和少量建筑物內的夜間照明，但地下污水處理廠由于全部設施都位于地下，整個地下箱體基本需要24小時的連續照明，照明設備數量和使用時間都大大增加。在通風方面，常規污水處理廠僅需少量建筑物的通風換氣，而地下污水處理廠需要整個地下箱體的強制送排風，通風設備的數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境封閉，相對于常規污水處理廠的除臭標準也有所提高，在對池內臭氣進行收集處理的基礎上，還要對部分重點區域如預處理區域和泥處理區域等進行多重隔斷，對隔斷空間內的臭氣進行收集處理，人員活動頻率高的區域還要增加送離子風的除臭強化措施。因此使得地下式污水處理廠在這三個方面的能耗都會大大高于常規的地上式污水處理廠。通過理論計算對比同樣規模、同樣處理標準的全地下式污水處理廠和常規地上式污水處理廠，地下式污水處理廠的照明能耗約為常規地上式污水處理廠的4~6倍，通風能耗約為常規地上式污水處理廠的4~6倍，除臭能耗約為常規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以實際運行的數據最為準確。但實際運行數據由于涉及到商業秘密，往往較難獲得準確可靠的數據。因此污水處理廠能耗指標的分析還是以理論計算為主。污水處理廠單位能耗指標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備的計算容量乘以用電負荷的日平均系數、年電能利用率和運行時間來計算。而全廠用電設備的計算容量為全廠用電設備的額定功率乘以需用系數和同時使用系數。因此污水處理廠單位能耗指標的計算見式（1）：
以某全地下式污水處理廠為例，污水處理廠設計規模20萬m3/d，污水處理執行地表準Ⅳ類水標準，污水處理工藝流程為粗格柵及進水泵房-中、細格柵及曝氣沉砂池-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%后外運處理處置。臭氣處理執行一級標準，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，同時對重點區域的大空間進行活性炭除臭并增設送離子風設施。箱體內通風根據不同區域采用6~12次/h的換氣次數。按前述公式進行計算，該全地下式污水處理廠的單位能耗指標為0511 kW·h/m3。能耗指標的組成及占比如表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、通風和除臭的能耗占比較高，約為28.91%，明顯高于常規地上式污水處理廠。
4 能耗評價指標的合理區間
4.1 地下式污水處理廠能耗指標的合理區間
以上僅為一個全地下式污水處理廠的個例，對其他同類型地下式污水處理廠能耗指標的分析也能得出近似的結果，如表2所示。
由此可以看出，各個地下式污水處理廠由于工程規模、處理標準、工藝流程和建設形式的差異導致單位能耗指標有所不同，但基本都在0.45~0.6 kW·h/m3這一區間內。應該說這也是目前國內地下式污水處理廠單位能耗的一個相對合理的區間。
國內對污水處理廠的運行能耗指標也有持續的統計。2001年編制《城鎮污水處理工程項目建設標準》（修訂）時，對處理規模1萬~100萬m3/d的二級污水處理廠的運行能耗進行了調研，結果顯示污水處理廠的單位能耗分布在0.15~0.40 kW·h/m3區間，均值為0.26 kW·h/m3。2006年對全國559座污水處理廠運行能耗調研的結果顯示單位能耗均值為0.290 kW·h/m3。2009年對全國559座污水處理廠運行能耗調研的結果顯示單位能耗均值為0.254 kW·h/m3。2011年對全國1441座污水處理廠運行能耗調研的結果顯示90%污水處理廠的單位能耗分布在0.157~0.471 kW·h/m3區間，均值為0.293 kW·h/m3。2014年對全國1 980座污水處理廠運行能耗調研的結果顯示90%污水處理廠的單位能耗分布在0.094~0.462 kW·h/m3這一區間，均值為0.325 kW·h/m3。單位能耗指標的變化趨勢如圖1所示。
可以看出，2010年前國內污水處理廠基本只有二級處理，污水處理標準一般都是一級B甚至更低的標準，其時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，隨著國內污水處理廠提標改造的逐次推進，污水處理廠的單位能耗自然呈上升趨勢。雖然2014年時國內大部分污水處理廠的一級A提標改造還沒完成，但噸水電耗均值就已經升至0.325 kW·h/m3。到現在國內很多污水處理廠都已進一步提標至優于一級A標準，單位水量電耗指標再進一步提高就是很自然的事了。
再回過頭來看表1計算的某全地下式污水處理廠的單位能耗指標，也可以用該指標反算常規污水處理廠的能耗指標。同樣處理標準的常規污水處理廠在照明、通風、除臭方面比該全地下廠能耗更節省，照明和通風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準常規污水處理廠的能耗指標。再進一步扣除深度處理的能耗還能得出一級B標準常規污水處理廠的能耗指標，如表3所示。
該計算結果與2014年時國內污水處理廠單位能耗指標的實際統計結果基本一致，說明關于全地下式污水處理廠單位能耗指標的理論計算是準確的，也是比較符合實際的。結合前述分析，建議地下式污水處理廠的單位能耗指標以不超過0.45~0.6 kW·h/m3為宜。
4.2 國內外污水處理廠能耗指標對比
國內污水處理廠的能耗水平與歐美發達國家相比究竟怎樣呢？國內文獻中較多出現的觀點是國內污水處理廠的能耗水平明顯高于歐美發達國家。但筆者認為未必如此，污水處理廠的能耗水平與其建設標準和處理標準直接相關，不是同一基礎上的數據不具有可比性。國內污水處理廠經歷近十年的逐次提標，目前的處理標準應該已超過了很多歐美國家的污水處理廠。為滿足高標準的處理需求，近十年來也從國外引進了大量的先進技術和裝備，應該說目前行業內國際上大多數先進的工藝、技術和裝備在國內都得到了廣泛的應用。因此至少單純在污水處理廠運行能耗方面國內并不比歐美發達國家差。唐建國在城建水業上介紹了德國2019年的污水處理情況，德國水協2019年調查了全德5 310座污水處理廠的情況，占德國污水處理總規模的87.2%。其中關于污水處理廠的主要運行數據摘錄如表4所示。
從德國污水處理廠的運行數據來看，德國污水處理廠的進水水質和出水指標與目前國內的污水處理廠都比較接近，單位能耗平均值為0.42 kWh/m3，也與國內的污水處理廠基本相當。因此可以看出，在同樣處理標準情況下，國內污水處理廠在運行能耗方面并不比歐美發達國家差，兩者基本在同一水平。
當然與歐美發達國家相比，國內的污水處理廠在某些方面確實存在差距。比如在污水處理廠的能量自給方面，歐美發達國家對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產回收能量。IWA國際水協的資料顯示，丹麥的Marselisborg污水處理廠通過這種方式在2016年就實現了100%的能量自給。通過沼氣發電產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的熱能可輸送給當地的供暖系統。因此國內的污水處理廠還需要繼續進一步學習國外的先進理念，爭取在能源的綜合利用方面更上一個新的臺階。
5 地下式污水處理廠的節能方向
5.1 工程設計的節能措施
工程的節能設計需要抓住主要的能耗點，再采取有針對性的措施。從表1和表3的數據來看，相對于常規污水處理廠，地下式污水處理廠在照明、通風和除臭上的能耗占比明顯提高。同時，隨著近年來污水及污泥處理標準的不斷提高、工藝流程的加長，整個污水處理廠的能耗組成也發生了變化。以前述20萬m3/d的某全地下式污水處理廠為例，主要工藝環節或耗能設備的能耗組成如圖2所示。
可以看出，對于地下式污水處理廠來說，以往常規污水處理廠中曝氣能耗占比50%以上的狀況已經發生了變化，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，這是因為地下污水處理廠通常需要設置三級提升，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，使得污泥處理的能耗也明顯上升。再往后是通風和除臭的能耗等。
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能降耗措施，可以采用的節能設計措施主要包括：
（1）采用精確曝氣控制系統對生反池內的溶氧濃度和曝氣風量進行精準控制，降低曝氣風機的能耗。
（2）優化地下式污水處理廠的豎向設計和水力高程設計，有效控制全程水頭損失，盡量減少水泵提升次數和提升高度，從而降低泵提能耗。
（3）通過設置污泥濃度計等對各級污泥排放進行精準控制，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污泥進行干化，以節約污泥處理能耗。
（4）地下式污水處理廠的通風除臭采用智能通風和智能除臭控制系統，根據不同的運行模式或地下箱體內的污染物指標情況，實時調控風機的開啟臺數。也可以采用自然通風和機械通風相結合的方式，以節約通風除臭能耗。
（5）采用智能照明控制系統，對污水處理廠地下箱體內的照明進行分區分片管理，同時結合日常生產管理巡視的安排，對區域照度進行精準控制。另外盡量采用自然采光和燈具照明結合的方式，以節約照明能耗。
（6）選用節能高效的設備，同時通過變頻調節等措施降低設備能耗。
5.2 工程運行的節能措施
污水處理廠的節能最終還是要通過具體的運行管理來實現。隨著污水處理廠建設標準越來越高，對污水處理廠的運行管理也提出了更高的要求。目前國內部分高標準建設的污水處理廠在硬件配置上已不亞于國外先進國家的污水處理廠，污水處理廠的控制系統也在從智能化向智慧化快遞轉變，因此也要求污水處理廠的運行管理方法和管理手段同步提升，實現從粗放管理到精細化管理的轉變，才能保證污水處理廠節能目標的最后實現。
6 結語
污水處理廠能源的綜合管理包括開源和節流兩個方向。節流即通過節能的各種技術和管理措施最大程度地降低運行能耗；而開源則是通過各種手段對污水處理過程中的能量進行回收利用，如污泥通過厭氧消化產生沼氣發電，通過水源熱泵對水中的熱能進行回收等。只有將開源和節流有機結合才能實現最高效的能源綜合利用，這是目前國內和國外先進國家的差距所在，也是國內污水處理廠今后的一個發展方向。相信隨著國內能源綜合利用意識的不斷提高，國內污水處理廠的建設標準有望再上一個新的臺階，使污水處理廠成為一個新型的環保中心和能源中心。
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