污水處理是能耗密集型技術(shù)，為了能對(duì)污水處理過(guò)程進(jìn)行合理的能耗評(píng)估和降低污水處理能耗，各國(guó)研究學(xué)者在此方面都做了大量的研究工作。文章從污水處理廠能耗現(xiàn)狀入手，對(duì)能耗評(píng)估指標(biāo)、能耗基準(zhǔn)線的劃定方法、能源效率提高辦法、能源監(jiān)管等幾個(gè)方面進(jìn)行了綜述。通過(guò)分析發(fā)現(xiàn)，污水處理廠的能源效率通過(guò)評(píng)估和管理是可以大幅度提升的，將來(lái)還有很多值得研究的空間。

污水處理廠承擔(dān)水環(huán)境改善的重要任務(wù)，但也是能耗密集型企業(yè)。其能耗范圍較廣，污水處理廠電耗一般占總能耗的70%~90%，因此污水處理廠的能耗一般多指電耗。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)2014年污水處理廠電耗占全國(guó)總電耗的0.26%，算上工業(yè)廢水處理和污泥處理，所占比例將超過(guò)2%。如何合理評(píng)估污水處理能耗和降低能源消耗是目前污水處理領(lǐng)域關(guān)注的熱點(diǎn)。

1  污水處理電耗評(píng)估指標(biāo)

目前以處理水量和污染物的去除量為電耗評(píng)估指標(biāo)。

1以處理水量為電耗評(píng)估指標(biāo)

我國(guó)基本是以處理水量為電耗評(píng)估指標(biāo)的，且污水處理收費(fèi)也是按水量為單位進(jìn)行收費(fèi)。據(jù)報(bào)道，我國(guó)目前城市污水處理電耗平均水平為0.29~0.40 kW·h/m3。以處理水量為電耗評(píng)估指標(biāo)有比較大的缺陷，這一評(píng)估指標(biāo)使用的前提是污水處理廠的進(jìn)水水量、水質(zhì)(COD、氨氮、SS、總氮和總磷等)波動(dòng)比較小，各污水處理廠進(jìn)水水質(zhì)水量情況比較接近，差別不大。另外，我國(guó)污水管網(wǎng)采用雨污分流，但實(shí)際上有時(shí)雨水、污水也會(huì)混合一起進(jìn)入污水處理廠，導(dǎo)致進(jìn)水污染物被一定程度稀釋，計(jì)算出的電耗偏低。

2以污染物的去除量為電耗評(píng)估指標(biāo)

污染物的去除量為電耗評(píng)估指標(biāo)又可細(xì)分為：以年服務(wù)人口當(dāng)量為電耗評(píng)估指標(biāo)、以COD去除量為電耗評(píng)估指標(biāo)、以總懸浮固體去除量為電耗評(píng)估指標(biāo)、以總氮去除量為電耗評(píng)估指標(biāo)。

德國(guó)、澳大利亞等國(guó)家采用的是以年服務(wù)人口當(dāng)量為電耗評(píng)估指標(biāo)。每1人口當(dāng)量可以按COD或者BOD進(jìn)行折算，一般是每天1人口當(dāng)量60 g BOD或者120 g COD。北美地方的污水廠一般每天1人口當(dāng)量80 g BOD或160 g COD，或每天1人口當(dāng)量產(chǎn)生400 L污水來(lái)進(jìn)行折算。

幾種常用電耗評(píng)價(jià)指標(biāo)的適用性對(duì)比見(jiàn)表 1。

表1 幾種主要評(píng)價(jià)指標(biāo)的適用性對(duì)比

由表1可知，以污染物的去除量為電耗評(píng)估指標(biāo)更準(zhǔn)確一些，但是依然存在不足。首先，污水中污染物評(píng)價(jià)指標(biāo)比較多，包括SS、COD、BOD、TN、TP、NH3-N等。選取單一種類(lèi)的污染物去除量為電耗評(píng)價(jià)指標(biāo)不全面。其次，每個(gè)污水廠進(jìn)出水水質(zhì)不一樣，處理標(biāo)準(zhǔn)也不一樣。隨著對(duì)水環(huán)境質(zhì)量改善要求的提高，污水處理廠的處理排放標(biāo)準(zhǔn)逐漸提高，要求越來(lái)越嚴(yán)，所以需要考慮采用全面覆蓋所有污染物去除效果的一個(gè)綜合指標(biāo)來(lái)進(jìn)行電耗評(píng)估。

3  能量流分析

能量流分析是將進(jìn)出污水處理系統(tǒng)的各種污染物按照能量的方式統(tǒng)一計(jì)量，將污水處理廠的運(yùn)行效果從物質(zhì)角度的多指標(biāo)評(píng)價(jià)轉(zhuǎn)化成從能量角度的單一指標(biāo)評(píng)價(jià)。能量流的定義如式(1)所示。

應(yīng)用能量流評(píng)估方法需要計(jì)算污水中的能量，這里用化學(xué)潛能來(lái)代表。化學(xué)潛能指的是廢水中的有機(jī)物完全氧化成CO2和H2O時(shí)釋放出的熱能。污水中常見(jiàn)的有機(jī)物與化學(xué)潛能的對(duì)應(yīng)關(guān)系：每1 g COD相當(dāng)于14 kJ化學(xué)潛能，每1 g VSS相當(dāng)于22.15 kJ化學(xué)潛能。

林濤等應(yīng)用比能耗和能量流兩種評(píng)價(jià)指標(biāo)分析A2/O污水處理工藝的能耗情況，發(fā)現(xiàn)能量流評(píng)價(jià)指標(biāo)相當(dāng)于多個(gè)比能耗組成的分析系統(tǒng)，是一個(gè)更綜合、更全面的評(píng)價(jià)方法。就整體而言，能量流評(píng)價(jià)是一個(gè)新方法，應(yīng)用很少，目前還不太完善，今后需要考慮納入反硝化過(guò)程和除磷反應(yīng)。

2  能耗基準(zhǔn)

由于污水處理能耗較高，對(duì)污水處理劃定能耗基準(zhǔn)有助于幫助污水處理廠建立合適的能耗評(píng)價(jià)體系，進(jìn)一步降低能源消耗。確定能耗基準(zhǔn)的方法比較多，大致可以分為歸一化方法、統(tǒng)計(jì)學(xué)方法、編程技術(shù)三類(lèi)。

1 歸一化方法

使用歸一化方法劃定能耗基準(zhǔn)應(yīng)用特別多，主要是因?yàn)樵摲椒ū容^簡(jiǎn)單，結(jié)果通俗易懂，但其依賴于大量污水處理廠的樣本分析。為了在不同的污水處理廠劃定能耗基準(zhǔn)，需要一定的評(píng)價(jià)指標(biāo)，比如以服務(wù)人口量為標(biāo)準(zhǔn)、以處理單位水量為指標(biāo)或以污染物的去除量為指標(biāo)等。但是單一的評(píng)價(jià)指標(biāo)過(guò)于簡(jiǎn)單，并且應(yīng)用的前提是假設(shè)所有的污水處理廠在污水處理類(lèi)型、規(guī)模、地理位置都是一個(gè)度量標(biāo)準(zhǔn)。單一的評(píng)價(jià)指標(biāo)只適合于污水處理廠不同功能的單個(gè)處理環(huán)節(jié)。

L. B. Yang等在2006年對(duì)中國(guó)599個(gè)污水處理廠運(yùn)行和能耗數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，最后采用7個(gè)三水平的能耗指標(biāo)建立了能耗基準(zhǔn)線。將建立的這一能耗基準(zhǔn)線對(duì)3個(gè)污水廠的能耗進(jìn)行評(píng)估，結(jié)果發(fā)現(xiàn)適應(yīng)性比較好，能達(dá)到節(jié)省能耗、提高能源效率的目的。通過(guò)能耗基準(zhǔn)的劃定，3個(gè)污水廠在曝氣方面節(jié)省能源效果顯著。

C. Belloir等對(duì)英國(guó)2座具有初級(jí)處理、二級(jí)出水和深度處理的污水處理廠建立了能耗基準(zhǔn)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，找到能耗最高的設(shè)施能有效提高能耗基準(zhǔn)劃定的效率。建立能耗基準(zhǔn)需要對(duì)污水廠有全面的認(rèn)識(shí)，需要知道污水廠出水水質(zhì)參數(shù)、現(xiàn)場(chǎng)操作情況和污水廠工程布局。

利用單一或多個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行歸一化能耗基準(zhǔn)的劃定有兩個(gè)方面的缺陷。第一，對(duì)于處理規(guī)模相差很大的污水處理廠不存在線性關(guān)系，不能直接套用;第二，單一評(píng)價(jià)指標(biāo)只能反映污水處理廠的部分功能。因此，通常歸一化方法只應(yīng)用于處理規(guī)模和污水水質(zhì)比較類(lèi)似的污水處理廠。
 

2 統(tǒng)計(jì)學(xué)方法

統(tǒng)計(jì)學(xué)方法以最小二乘法(OLS)為例。OLS通過(guò)大量污水處理廠能源消耗樣本分析，建立回歸函數(shù)或模型表示大量污水處理廠樣本的能源平均消耗水平。再將單一的污水處理廠能耗水平與回歸函數(shù)進(jìn)行比較，如果能耗值高于回歸線，說(shuō)明該污水處理廠能源使用效率低，反之則是能源使用效率高。用OLS建立回歸模型所需要的參數(shù)包括：污水廠平均進(jìn)水流量、進(jìn)水BOD、進(jìn)水COD、污水廠負(fù)荷率及營(yíng)養(yǎng)物的去除情況等。OLS法也有不足之處：第一，該方法同樣需要大量的樣本數(shù)據(jù)分析;第二，回歸結(jié)果對(duì)函數(shù)的表現(xiàn)形式比較敏感。

3 編程技術(shù)

編程技術(shù)以數(shù)據(jù)包絡(luò)分析(DEA)為例，DEA是通過(guò)建立一個(gè)包絡(luò)面來(lái)評(píng)估系統(tǒng)或者設(shè)備運(yùn)行效率的編程技術(shù)。DEA的優(yōu)勢(shì)：是當(dāng)新的決策單元添加到樣本集中，參數(shù)模型不需要隨著函數(shù)形式的改變而采用邊界函數(shù)形式的假設(shè)，同時(shí)DEA允許涉及多種輸入同時(shí)生成多個(gè)輸出過(guò)程的分析。這使得專家對(duì)DEA在污水處理廠技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益方面的評(píng)價(jià)應(yīng)用產(chǎn)生了廣泛的興趣。但DEA與OLS一樣，其依賴確定性的能源效率分?jǐn)?shù)的假設(shè)，而忽視了能源消耗是具有很大隨機(jī)成分的事實(shí)，能源消耗會(huì)受到季節(jié)和天氣等因素的影響。DEA對(duì)數(shù)據(jù)是高度適應(yīng)的，因此基于單一測(cè)量對(duì)能源效率進(jìn)行估測(cè)是存在一些問(wèn)題的。

3  提高能源利用效率的方法

運(yùn)行過(guò)程優(yōu)化是一種投資少、又可以短時(shí)間內(nèi)提高能源利用效率的方法。污水處理廠常見(jiàn)的運(yùn)行過(guò)程優(yōu)化主要在能源消耗占比較大的環(huán)節(jié)，如污水提升泵(約10%~20%)、曝氣(約50%~70%)和污泥脫水處理(約10%~25%)等。

1 污水提升泵

污水提升泵的優(yōu)化是一種非常常規(guī)的優(yōu)化措施，沒(méi)有體現(xiàn)太多先進(jìn)技術(shù)。主要包括對(duì)泵的操作設(shè)置、配備變頻器、采用高效率的水泵等。一般對(duì)污水提升泵的優(yōu)化能將這部分的能耗降低5%~30%。向偉芳對(duì)污水提升泵加設(shè)變頻調(diào)控，運(yùn)行數(shù)據(jù)表明，用變頻調(diào)控技術(shù)能綜合節(jié)省能源消耗達(dá)到20%~40%。除此之外，也需要定期對(duì)水泵進(jìn)行保養(yǎng)維護(hù)，加強(qiáng)運(yùn)行管理，同時(shí)結(jié)合自身污水處理廠實(shí)際運(yùn)行情況來(lái)調(diào)整運(yùn)行條件，幫助實(shí)現(xiàn)能源效率的最大化。

2 曝氣

對(duì)于污水處理過(guò)程而言，曝氣環(huán)節(jié)是能源消耗最大的環(huán)節(jié)。影響曝氣效率最重要的參數(shù)是平均細(xì)胞保留時(shí)間，有報(bào)道表明氧轉(zhuǎn)移速率與平均細(xì)胞保留時(shí)間成正比，與擴(kuò)散器的空氣流速成反比。

(1)溶氧控制

A. Thunberg等報(bào)道，在瑞典某污水處理廠安裝在線溶氧監(jiān)測(cè)儀能節(jié)約26%的空氣流量。有文獻(xiàn)報(bào)道，如果采用更先進(jìn)的溶氧控制設(shè)備可以節(jié)約總能耗的15%或者更高。國(guó)內(nèi)方面，楊岸明對(duì)曝氣智能控制方面展開(kāi)了詳細(xì)研究并建模分析。將研究成果應(yīng)用于20 m3/d城市污水處理廠的鼓風(fēng)曝氣優(yōu)化上，最終在保持污水處理達(dá)標(biāo)的前提下，月能耗降低7%，月均單位能耗降低9.7%。

(2)鼓風(fēng)設(shè)備

A. C. Firmin等的研究表明，用渦輪鼓風(fēng)機(jī)替換傳統(tǒng)的鼓風(fēng)設(shè)備可以降低35%的能耗。最近又有文獻(xiàn)報(bào)道表明，與傳統(tǒng)彈性膜擴(kuò)散裝置相比，采用超細(xì)氣泡擴(kuò)散器可以節(jié)約能耗10%~20%。除了更換鼓風(fēng)設(shè)備，給現(xiàn)有鼓風(fēng)設(shè)備安裝變頻調(diào)控，可以在工藝發(fā)生變化時(shí)自動(dòng)調(diào)速，節(jié)省電能。劉鐵軍對(duì)SBR工藝污水處理廠的羅茨鼓風(fēng)機(jī)安裝變頻調(diào)控，每月最少節(jié)約電量6 810 kW·h，1 a節(jié)約電費(fèi)7.35萬(wàn)元。

3污泥脫水處理

國(guó)內(nèi)大型污水處理廠的污泥脫水處理費(fèi)用占總費(fèi)用的15%，對(duì)此采用節(jié)能降耗優(yōu)化可以降低成本。主要改造方面包括構(gòu)筑物結(jié)構(gòu)改造、藥劑種類(lèi)及添加量?jī)?yōu)化、污泥脫水裝備及工藝調(diào)整等。

宋繁永等針對(duì)污泥脫水能耗高的情況，研究污泥預(yù)處理工藝，改善污泥機(jī)械脫水性能，其開(kāi)發(fā)的高效污泥機(jī)械脫水設(shè)備實(shí)現(xiàn)了污泥含水率在60%以下。

4  能耗管理辦法

1 能源管理指南和能源管理系統(tǒng)

美國(guó)能源局(EPA)2008年發(fā)布了水和污水利用過(guò)程中的能源管理指南，里面提出了一些降低能源消耗和能源成本的方法。美國(guó)還有一些專門(mén)的組織機(jī)構(gòu)在污水處理能源管理和提高能源利用率方面一直在努力，如WERF(The Water Environment Research Foundation)在籌劃制定一個(gè)最佳能源利用方法匯編。而我國(guó)在這方面相對(duì)比較落后，目前僅有一些小公司幫助污水處理廠提供能源管理和提效服務(wù)，國(guó)家層面缺乏相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)和指南。

2 能源審計(jì)

能源審計(jì)也是能源管理的一個(gè)有效措施。常規(guī)能源審計(jì)就是在污水處理廠設(shè)立專門(mén)的能耗記錄臺(tái)賬，包括各處理單元或設(shè)備的電耗、藥耗和水耗。定期對(duì)臺(tái)賬記錄進(jìn)行整理和分析，掌握該污水處理廠能源消耗的總體情況，并針對(duì)初步審計(jì)結(jié)果，對(duì)污水處理各單元環(huán)節(jié)做出簡(jiǎn)單的調(diào)整。高級(jí)能源審計(jì)對(duì)污水處理廠相關(guān)工作人員的要求比較高，工作涉及設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)、盤(pán)點(diǎn)設(shè)備節(jié)能性能數(shù)據(jù)、設(shè)備和系統(tǒng)的能量分布、討論潛在的節(jié)能措施、同時(shí)提供詳細(xì)的過(guò)程審核資料并提出節(jié)能建議。

3 能源監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

能源監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是由硬件和軟件組成的一個(gè)平臺(tái)，能將一些有效的能源管理辦法引入污水處理廠的實(shí)踐中，可以對(duì)污水處理廠的能源使用進(jìn)行監(jiān)測(cè)和管理，實(shí)現(xiàn)降低能耗的目的。例如目前監(jiān)測(cè)和采集系統(tǒng)(SCADA)在污水處理廠中得到了廣泛的應(yīng)用，該系統(tǒng)能監(jiān)測(cè)多種設(shè)備的參數(shù)和操作條件，同時(shí)能夠提供處理工藝過(guò)程中能源消耗的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。SCADA系統(tǒng)的有效使用可以在2~4 a內(nèi)收回投資成本。

5  結(jié)論與展望

現(xiàn)有能耗評(píng)估指標(biāo)都有一定的局限性，能耗基準(zhǔn)的劃定方法也雜亂不一，方法各有優(yōu)劣，沒(méi)有普適性。從國(guó)內(nèi)外研究進(jìn)展看出我國(guó)在此方面還有很長(zhǎng)一段路要走。將來(lái)污水處理廠能源提效應(yīng)在如下幾方面加強(qiáng)研究：

(1)形成更全面的能耗評(píng)估辦法，建立標(biāo)準(zhǔn)化能耗評(píng)估程序和管理記錄臺(tái)賬;

(2)開(kāi)發(fā)更全面、更適用的能耗評(píng)估指標(biāo)，根據(jù)污水廠的規(guī)模、工藝和進(jìn)出水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)等劃定統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)能耗基準(zhǔn);

(3)加強(qiáng)污水處理廠能源監(jiān)測(cè)自控系統(tǒng)數(shù)據(jù)收集和大數(shù)據(jù)分析，在此基礎(chǔ)上總結(jié)能源消耗規(guī)律，研究高效節(jié)能降耗的方案。