地下式污水处理厂能耗指标分析及节能方向
在对国内现行节能评估标准进行梳理的基础上，通过具体的工程案例，对地下式污水处理厂的能耗特点和能耗指标进行了分析，提出了单位能耗指标的合理区间，并建议地下式污水处理厂的单位能耗指标以不超过0.45~0.6 kW·h/m3为宜。通过数据对比，得出在同样处理标准下，国内污水处理厂在运行能耗方面与欧美发达国家处于同一水平的结论。最后在分析地下式污水处理厂能耗组成变化的基础上，提出了全方位节能降耗的工程措施和运行管理措施。
1 引言
污水处理厂的能源消耗包括水、电、气等，其中电耗约占总能耗的70%~90%，因此也是污水处理厂节能研究的重点。过去十来年，国内污水处理厂的建设经历了一个飞速发展的过程。污水处理标准从早年的二级标准，历经一级B、一级A直到现在地表水准Ⅳ类、准Ⅲ类的逐次提标。污水处理厂的建设形式也从早年单一形式的常规地上式污水处理厂，到现在高标准地下式污水处理厂的广泛推广。从单纯强调水处理到现在的水、泥、气并重。应该说不论是污水处理厂的建设理念和建设标准，还是技术和装备都经历了飞跃式的发展。但对于污水处理厂节能评估标准的研究却与污水处理厂的高速发展不相适应，国内目前缺少一个合适的节能评估标准。污水处理厂的单位能耗达到一个什么样的水平算是节能的？难以研判。国内诸多文献中都提到国内污水处理厂的能耗水平明显高于欧美发达国家，但事实是否如此也值得商榷。
2 国内目前的节能评估标准
对于污水处理厂的节能评估，目前国内有据可查的全国标准只有2001年由建设部发布的《城镇污水处理工程项目建设标准》（修订）。该标准中规定二级污水处理厂电耗不宜超过0.15~0.28 kW·h/m3。国内很长一段时间都以此指标作为污水处理厂节能评估的标准。但显然该指标已不能适应目前高标准建设的污水处理厂。
北京市2015年发布了一个地方标准《城镇污水处理能源消耗限额》（DB11/T 1118-2014），该标准规定出水一级B标准的城镇污水处理厂单位污水处理电耗的限定值为0.229~0.367 kW·h/m3，先进值为0.211~0.349 kW·h/m3。可以看出，该标准已经对建设部的节能评估指标做了适当提高。
但以上标准对于目前高标准建设的污水处理厂尤其是地下式污水处理厂均不适用。地下式污水处理厂的建设形式近十年来在国内得到了迅速的推广，国内已建和在建的地下式污水处理厂目前已超过100个，应该说是今后污水处理厂建设的一大发展方向。由于建设形式的特殊性，地下式污水处理厂的能耗必定会高于常规地上式污水处理厂。如何对地下式污水处理厂进行节能评估，并在此基础上确定污水处理厂的节能提升方向是一个值得研究的问题。
3 地下式污水处理厂的能耗特点及分析
3.1 地下式污水处理厂的能耗特点
现有的节能评估标准均是针对出水一级B标准的常规二级污水处理厂。相对于此标准，地下式污水处理厂的能耗增加主要在两个方面。第一个方面是目前的出水标准普遍为优于一级A标准，需要在二级处理工艺流程的基础上增加深度处理工艺，通常需要增加二级提升，以及高效沉淀和过滤等工艺段，相应带来能耗的增加。第二个方面是在采用地下式布置形式后，污水处理厂在照明、通风及除臭等方面的需求都大大增加。如厂区照明，常规污水处理厂仅需厂区路灯和少量建筑物内的夜间照明，但地下污水处理厂由于全部设施都位于地下，整个地下箱体基本需要24小时的连续照明，照明设备数量和使用时间都大大增加。在通风方面，常规污水处理厂仅需少量建筑物的通风换气，而地下污水处理厂需要整个地下箱体的强制送排风，通风设备的数量和功率都大大增加。在除臭方面，地下式污水处理厂由于环境封闭，相对于常规污水处理厂的除臭标准也有所提高，在对池内臭气进行收集处理的基础上，还要对部分重点区域如预处理区域和泥处理区域等进行多重隔断，对隔断空间内的臭气进行收集处理，人员活动频率高的区域还要增加送离子风的除臭强化措施。因此使得地下式污水处理厂在这三个方面的能耗都会大大高于常规的地上式污水处理厂。通过理论计算对比同样规模、同样处理标准的全地下式污水处理厂和常规地上式污水处理厂，地下式污水处理厂的照明能耗约为常规地上式污水处理厂的4~6倍，通风能耗约为常规地上式污水处理厂的4~6倍，除臭能耗约为常规地上式污水处理厂的2~3倍。
3.2 地下式污水处理厂的能耗分析
污水处理厂的能耗指标以实际运行的数据最为准确。但实际运行数据由于涉及到商业秘密，往往较难获得准确可靠的数据。因此污水处理厂能耗指标的分析还是以理论计算为主。污水处理厂单位能耗指标通常用污水处理厂年用电量除以年处理水量获得。年用电量通常采用全厂用电设备的计算容量乘以用电负荷的日平均系数、年电能利用率和运行时间来计算。而全厂用电设备的计算容量为全厂用电设备的额定功率乘以需用系数和同时使用系数。因此污水处理厂单位能耗指标的计算见式（1）：
以某全地下式污水处理厂为例，污水处理厂设计规模20万m3/d，污水处理执行地表准Ⅳ类水标准，污水处理工艺流程为粗格栅及进水泵房-中、细格栅及曝气沉砂池-初沉池-AAO生反池-二沉池-中间提升泵房-高效沉淀池-反硝化深床滤池-紫外消毒-出水泵房提升外排。污泥处理采用低温真空脱水干化工艺至含水率40%后外运处理处置。臭气处理执行一级标准，处理工艺采用水洗涤+生物滴滤+改良式生物过滤+活性炭吸附的组合式除臭工艺，同时对重点区域的大空间进行活性炭除臭并增设送离子风设施。箱体内通风根据不同区域采用6~12次/h的换气次数。按前述公式进行计算，该全地下式污水处理厂的单位能耗指标为0511 kW·h/m3。能耗指标的组成及占比如表1所示。
可以看出，在全地下式污水处理厂中，除工艺处理能耗外，照明、通风和除臭的能耗占比较高，约为28.91%，明显高于常规地上式污水处理厂。
4 能耗评价指标的合理区间
4.1 地下式污水处理厂能耗指标的合理区间
以上仅为一个全地下式污水处理厂的个例，对其他同类型地下式污水处理厂能耗指标的分析也能得出近似的结果，如表2所示。
由此可以看出，各个地下式污水处理厂由于工程规模、处理标准、工艺流程和建设形式的差异导致单位能耗指标有所不同，但基本都在0.45~0.6 kW·h/m3这一区间内。应该说这也是目前国内地下式污水处理厂单位能耗的一个相对合理的区间。
国内对污水处理厂的运行能耗指标也有持续的统计。2001年编制《城镇污水处理工程项目建设标准》（修订）时，对处理规模1万~100万m3/d的二级污水处理厂的运行能耗进行了调研，结果显示污水处理厂的单位能耗分布在0.15~0.40 kW·h/m3区间，均值为0.26 kW·h/m3。2006年对全国559座污水处理厂运行能耗调研的结果显示单位能耗均值为0.290 kW·h/m3。2009年对全国559座污水处理厂运行能耗调研的结果显示单位能耗均值为0.254 kW·h/m3。2011年对全国1441座污水处理厂运行能耗调研的结果显示90%污水处理厂的单位能耗分布在0.157~0.471 kW·h/m3区间，均值为0.293 kW·h/m3。2014年对全国1 980座污水处理厂运行能耗调研的结果显示90%污水处理厂的单位能耗分布在0.094~0.462 kW·h/m3这一区间，均值为0.325 kW·h/m3。单位能耗指标的变化趋势如图1所示。
可以看出，2010年前国内污水处理厂基本只有二级处理，污水处理标准一般都是一级B甚至更低的标准，其时污水处理厂单位能耗的均值基本在0.290 kW·h/m3以下。2010年后，随着国内污水处理厂提标改造的逐次推进，污水处理厂的单位能耗自然呈上升趋势。虽然2014年时国内大部分污水处理厂的一级A提标改造还没完成，但吨水电耗均值就已经升至0.325 kW·h/m3。到现在国内很多污水处理厂都已进一步提标至优于一级A标准，单位水量电耗指标再进一步提高就是很自然的事了。
再回过头来看表1计算的某全地下式污水处理厂的单位能耗指标，也可以用该指标反算常规污水处理厂的能耗指标。同样处理标准的常规污水处理厂在照明、通风、除臭方面比该全地下厂能耗更节省，照明和通风能耗约为全地下厂的20%，除臭能耗约为全地下厂的40%。以此可以反算出同样处理标准常规污水处理厂的能耗指标。再进一步扣除深度处理的能耗还能得出一级B标准常规污水处理厂的能耗指标，如表3所示。
该计算结果与2014年时国内污水处理厂单位能耗指标的实际统计结果基本一致，说明关于全地下式污水处理厂单位能耗指标的理论计算是准确的，也是比较符合实际的。结合前述分析，建议地下式污水处理厂的单位能耗指标以不超过0.45~0.6 kW·h/m3为宜。
4.2 国内外污水处理厂能耗指标对比
国内污水处理厂的能耗水平与欧美发达国家相比究竟怎样呢？国内文献中较多出现的观点是国内污水处理厂的能耗水平明显高于欧美发达国家。但笔者认为未必如此，污水处理厂的能耗水平与其建设标准和处理标准直接相关，不是同一基础上的数据不具有可比性。国内污水处理厂经历近十年的逐次提标，目前的处理标准应该已超过了很多欧美国家的污水处理厂。为满足高标准的处理需求，近十年来也从国外引进了大量的先进技术和装备，应该说目前行业内国际上大多数先进的工艺、技术和装备在国内都得到了广泛的应用。因此至少单纯在污水处理厂运行能耗方面国内并不比欧美发达国家差。唐建国在城建水业上介绍了德国2019年的污水处理情况，德国水协2019年调查了全德5 310座污水处理厂的情况，占德国污水处理总规模的87.2%。其中关于污水处理厂的主要运行数据摘录如表4所示。
从德国污水处理厂的运行数据来看，德国污水处理厂的进水水质和出水指标与目前国内的污水处理厂都比较接近，单位能耗平均值为0.42 kWh/m3，也与国内的污水处理厂基本相当。因此可以看出，在同样处理标准情况下，国内污水处理厂在运行能耗方面并不比欧美发达国家差，两者基本在同一水平。
当然与欧美发达国家相比，国内的污水处理厂在某些方面确实存在差距。比如在污水处理厂的能量自给方面，欧美发达国家对污水处理过程中的能量回收比较重视，如通过污泥的厌氧消化回收沼气，再将沼气通过热电联产回收能量。IWA国际水协的资料显示，丹麦的Marselisborg污水处理厂通过这种方式在2016年就实现了100%的能量自给。通过沼气发电产生的电量不仅能满足自己的能耗，而且还有50%的电力盈余，除此之外，还有2.5 GWh的热能可输送给当地的供暖系统。因此国内的污水处理厂还需要继续进一步学习国外的先进理念，争取在能源的综合利用方面更上一个新的台阶。
5 地下式污水处理厂的节能方向
5.1 工程设计的节能措施
工程的节能设计需要抓住主要的能耗点，再采取有针对性的措施。从表1和表3的数据来看，相对于常规污水处理厂，地下式污水处理厂在照明、通风和除臭上的能耗占比明显提高。同时，随着近年来污水及污泥处理标准的不断提高、工艺流程的加长，整个污水处理厂的能耗组成也发生了变化。以前述20万m3/d的某全地下式污水处理厂为例，主要工艺环节或耗能设备的能耗组成如图2所示。
可以看出，对于地下式污水处理厂来说，以往常规污水处理厂中曝气能耗占比50%以上的状况已经发生了变化，虽然曝气能耗还是排第一位，但其占比已明显降低。排在第二位的是泵提升的能耗，这是因为地下污水处理厂通常需要设置三级提升，使其能耗也明显增加。排在第三位的是污泥处理的能耗，近年来对污水处理厂污泥减量化处理的要求明显提高，很多污水处理厂都要求污泥脱水干化至40%~60%含水率后再外运，使得污泥处理的能耗也明显上升。再往后是通风和除臭的能耗等。
地下式污水处理厂能耗组成的变化说明需要采取全方位的节能降耗措施，可以采用的节能设计措施主要包括：
（1）采用精确曝气控制系统对生反池内的溶氧浓度和曝气风量进行精准控制，降低曝气风机的能耗。
（2）优化地下式污水处理厂的竖向设计和水力高程设计，有效控制全程水头损失，尽量减少水泵提升次数和提升高度，从而降低泵提能耗。
（3）通过设置污泥浓度计等对各级污泥排放进行精准控制，减少不必要的污泥处理量。有条件情况下尽量利用废热能对污泥进行干化，以节约污泥处理能耗。
（4）地下式污水处理厂的通风除臭采用智能通风和智能除臭控制系统，根据不同的运行模式或地下箱体内的污染物指标情况，实时调控风机的开启台数。也可以采用自然通风和机械通风相结合的方式，以节约通风除臭能耗。
（5）采用智能照明控制系统，对污水处理厂地下箱体内的照明进行分区分片管理，同时结合日常生产管理巡视的安排，对区域照度进行精准控制。另外尽量采用自然采光和灯具照明结合的方式，以节约照明能耗。
（6）选用节能高效的设备，同时通过变频调节等措施降低设备能耗。
5.2 工程运行的节能措施
污水处理厂的节能最终还是要通过具体的运行管理来实现。随着污水处理厂建设标准越来越高，对污水处理厂的运行管理也提出了更高的要求。目前国内部分高标准建设的污水处理厂在硬件配置上已不亚于国外先进国家的污水处理厂，污水处理厂的控制系统也在从智能化向智慧化快递转变，因此也要求污水处理厂的运行管理方法和管理手段同步提升，实现从粗放管理到精细化管理的转变，才能保证污水处理厂节能目标的最后实现。
6 结语
污水处理厂能源的综合管理包括开源和节流两个方向。节流即通过节能的各种技术和管理措施最大程度地降低运行能耗；而开源则是通过各种手段对污水处理过程中的能量进行回收利用，如污泥通过厌氧消化产生沼气发电，通过水源热泵对水中的热能进行回收等。只有将开源和节流有机结合才能实现最高效的能源综合利用，这是目前国内和国外先进国家的差距所在，也是国内污水处理厂今后的一个发展方向。相信随着国内能源综合利用意识的不断提高，国内污水处理厂的建设标准有望再上一个新的台阶，使污水处理厂成为一个新型的环保中心和能源中心。
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