摘要：以廣東省深圳市橫崗水質(zhì)凈化廠（二期）為研究對(duì)象，通過收集其2023年運(yùn)行資料，針對(duì)不同處理單元能耗分布情況進(jìn)行分析，并研究相應(yīng)的節(jié)能措施。從設(shè)備設(shè)施改進(jìn)與高效運(yùn)行管理等方面著手，優(yōu)化污水處理工藝，以期降低全廠能耗，滿足可持續(xù)發(fā)展的需求。

關(guān)鍵詞：污水處理；能耗；節(jié)能措施

引言

水質(zhì)凈化廠在保護(hù)城市環(huán)境、提升水環(huán)境質(zhì)量上起著關(guān)鍵作用。水質(zhì)凈化廠的能耗主要體現(xiàn)在藥耗、電耗、燃料等方面，其設(shè)備眾多，往往是耗電大戶，電能消耗占總能耗比例高達(dá)60%～90%[1]。本研究針對(duì)廣東省深圳市橫崗水質(zhì)凈化廠（二期）運(yùn)行能耗情況進(jìn)行分析，并提出具體可行的節(jié)能措施，以提高能源使用效率，優(yōu)化運(yùn)營成本，推動(dòng)水質(zhì)凈化廠向更環(huán)保、更經(jīng)濟(jì)的方向發(fā)展。

1水質(zhì)凈化廠概況

1.1 水質(zhì)凈化處理工藝流程介紹

橫崗水質(zhì)凈化廠（二期）采用改良型A2/O工藝，處理規(guī)模10萬m3/d，出水水質(zhì)執(zhí)行《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB 3838-2002）地表水準(zhǔn)Ⅳ類排放標(biāo)準(zhǔn)。其水質(zhì)凈化處理主要工藝流程為“改良型A2/O生化池+矩形二沉池+纖維濾池+高密度沉淀池+紫外線消毒”，如圖1所示。

1.2 進(jìn)水水量水質(zhì)變化情況

水質(zhì)凈化廠進(jìn)水水量水質(zhì)與能耗之間的關(guān)系受多種因素影響，能耗分析需要綜合考慮這些因素，有針對(duì)性地采取相應(yīng)措施進(jìn)行優(yōu)化和調(diào)整。本研究選取了橫崗水質(zhì)凈化廠（二期）2023年全年的實(shí)際進(jìn)水情況進(jìn)行分析。

1.2.1 水量變化情況

橫崗水質(zhì)凈化廠（二期）2023年總處理水量為3091.57萬t，月平均處理257.63萬t，耗電量合計(jì)6290610kWh，根據(jù)運(yùn)行數(shù)據(jù)繪制水量噸水電耗變化圖如圖2所示。

橫崗水質(zhì)凈化廠（二期）2023年全年僅有2個(gè)月達(dá)到滿負(fù)荷，處理水量隨著季節(jié)變化有明顯波動(dòng)，噸水電耗在0.174～0.251kWh/m3之間。據(jù)研究，水質(zhì)凈化廠負(fù)荷率越高，則其單位能耗越低[2]，由圖2可見，當(dāng)水量負(fù)荷達(dá)到100%時(shí)，噸水電耗有明顯降低。據(jù)統(tǒng)計(jì)[3]，2016年，我國1291座污水處理廠（水質(zhì)凈化廠）中，僅有55%的污水處理廠（水質(zhì)凈化廠）負(fù)荷率達(dá)到80%。目前，低負(fù)荷率仍是污水處理廠（水質(zhì)凈化廠）提高單位能耗的一個(gè)較大阻力。

1.2.2 進(jìn)水水質(zhì)變化情況

進(jìn)水水質(zhì)差異和污染物負(fù)荷會(huì)直接影響能源的消耗情況。2023年，橫崗水質(zhì)凈化廠（二期）平均進(jìn)水水質(zhì)低于設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，具體如表1所示。其中，每月進(jìn)水平均濃度COD為設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的46%～79%，氨氮為設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的39%～82%。水質(zhì)指標(biāo)長期低于設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)意味著原本設(shè)計(jì)的停留時(shí)間與曝氣量不符合現(xiàn)有水質(zhì)規(guī)律，同時(shí)污水處理系統(tǒng)低污染物負(fù)荷可能導(dǎo)致運(yùn)行效率低下，造成不必要的電能消耗，因此需要重新分析能耗分布并對(duì)運(yùn)行工藝進(jìn)行優(yōu)化。

2 能耗分布

橫崗水質(zhì)凈化廠（二期）耗電單元主要包括預(yù)處理區(qū)（粗格柵、細(xì)格柵、提升泵、曝氣沉砂池）、生化處理區(qū)（鼓風(fēng)機(jī)、回流泵、剩余污泥泵及二沉池刮泥機(jī)等）、深度處理區(qū)（纖維濾池、高密沉淀池等）、辦公區(qū)域照明及其他用電。通過統(tǒng)計(jì)分析，繪制出該廠主要設(shè)備及各處理單元的電耗分布，如圖3所示。

根據(jù)橫崗水質(zhì)凈化廠（二期）能耗分析，首先，生化處理區(qū)為最大電耗單元，占總能耗的比例為52.57%。從設(shè)備電耗來看，鼓風(fēng)機(jī)占設(shè)備總能耗的44.72%，在節(jié)能降耗方面潛力最大。這主要是由于生化處理區(qū)的曝氣系統(tǒng)在生化處理過程中需提供足夠的氧氣以維持微生物的正常代謝活動(dòng)，從而完成有機(jī)物的降解，是污水處理工藝中必不可少的環(huán)節(jié)，而生化處理階段的處理規(guī)模較大，所需電力相對(duì)較高，占據(jù)了總能耗的50%以上。其次，排在第2的是預(yù)處理區(qū)的提升泵能耗。提升泵在污水處理過程中主要用于輸送水流和提供所需的壓力，而大型泵組作為高耗能設(shè)備，對(duì)總能耗也有一定的貢獻(xiàn)。由圖3可見，提升泵占設(shè)備總能耗的18.47%，其所在單元能耗也占據(jù)了總能耗的顯著比例。再次，深度處理階段能耗也不容忽視，包括纖維濾池反沖洗、高密度沉淀池進(jìn)水二次提升等在內(nèi)的深度處理工序產(chǎn)生了一定電耗，深度處理區(qū)電耗占總能耗的17.86%。最后，其他單元電耗占總能耗的比例在10%左右。

綜上所述，橫崗水質(zhì)凈化廠（二期）耗電最大的環(huán)節(jié)是生化處理區(qū)的曝氣系統(tǒng)，預(yù)處理區(qū)的提升泵組次之，然后是深度處理區(qū)，因此節(jié)能措施研究應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注這些環(huán)節(jié)，從而采取相應(yīng)的措施降低能耗，提高能源利用效率，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗目標(biāo)。

3 水質(zhì)凈化廠節(jié)能措施研究

3.1 曝氣系統(tǒng)節(jié)能措施

曝氣階段是橫崗水質(zhì)凈化廠（二期）中能耗較高的部分，其中鼓風(fēng)機(jī)占據(jù)設(shè)備總能耗的44.72%。通過替換舊的鼓風(fēng)機(jī)設(shè)備，引入更高效率和更低能耗的新型設(shè)備，可對(duì)設(shè)備能耗優(yōu)化起到一定的效果，同時(shí)對(duì)現(xiàn)有曝氣設(shè)備進(jìn)行改造也是節(jié)能降耗的一個(gè)可行途徑。

目前，橫崗水質(zhì)凈化廠（二期）通過工藝改造，安裝了一系列微孔曝氣裝置。微孔曝氣裝置是一種通過微小孔洞釋放氣體進(jìn)入曝氣池的技術(shù)，能將氣體分散均勻，提高氣泡的利用率。曝氣池中的微孔曝氣裝置密度增加后，可在相同氣泡數(shù)量的情況下，達(dá)到更大的曝氣表面積，提高氣泡在污水中的接觸效果。同時(shí)，橫崗水質(zhì)凈化廠（二期）還配置了精準(zhǔn)曝氣系統(tǒng)。精準(zhǔn)曝氣系統(tǒng)是一種基于先進(jìn)氣體分配設(shè)備、高效曝氣器和智能控制系統(tǒng)，用于提供所需氧氣以滿足污水處理過程中有機(jī)物的降解需求，并能在保證生化處理單元穩(wěn)定運(yùn)行的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)溶解氧濃度的穩(wěn)定控制，從而節(jié)省大量人力并穩(wěn)定出水水質(zhì)[4]。

然而，精準(zhǔn)曝氣系統(tǒng)在設(shè)計(jì)和操作中存在一些限制，使得能耗與效率之間產(chǎn)生了矛盾。首先，精準(zhǔn)曝氣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)其能耗和效率的影響非常大。曝氣策略選擇和曝氣器的尺寸、形狀等因素會(huì)直接影響氧氣傳遞效率，進(jìn)而影響能耗。當(dāng)前的精準(zhǔn)曝氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)存在曝氣器布置不合理、曝氣孔直徑不匹配等參數(shù)配置不合理的問題，導(dǎo)致部分污水處理單元的氧氣傳遞效率較低，大量能源被浪費(fèi)。其次，控制系統(tǒng)的智能化水平也是影響能耗和效率的重要因素。通過提高控制系統(tǒng)的智能化水平，如實(shí)時(shí)監(jiān)測氧氣傳遞效率、自動(dòng)調(diào)整曝氣策略、及時(shí)報(bào)警和故障處理等，可彌補(bǔ)人為操作的不足，并最大限度地降低能耗。經(jīng)進(jìn)一步研究分析得出，通過優(yōu)化曝氣策略和提高控制系統(tǒng)的智能化水平，預(yù)計(jì)能降低約15%的能耗[5]。在調(diào)整過程中，要充分考慮進(jìn)水水質(zhì)變化、污泥負(fù)荷變化和水流動(dòng)態(tài)等因素，確保曝氣過程的穩(wěn)定性和可靠性。

3.2 提升泵組節(jié)能措施

水泵作為污水處理的核心能耗單元，其效率對(duì)整體能耗有顯著影響。在泵組節(jié)能降耗措施上，橫崗水質(zhì)凈化廠（二期）引入了變頻器技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)提升泵運(yùn)行速率的動(dòng)態(tài)調(diào)整。已有研究證實(shí)[6]，通過變頻器根據(jù)實(shí)際需要調(diào)整水泵的運(yùn)行速率，可以有效降低能耗，實(shí)現(xiàn)節(jié)約能源的效果。

水質(zhì)凈化廠運(yùn)行過程中，每日來水量往往出現(xiàn)波動(dòng)，需要實(shí)時(shí)調(diào)整水泵運(yùn)行速率。當(dāng)進(jìn)水水量增多，泵組尚未達(dá)到滿負(fù)荷運(yùn)行條件時(shí)，可將變頻泵與定頻泵搭配聯(lián)合運(yùn)行，調(diào)整進(jìn)水液位至經(jīng)濟(jì)水位，讓水泵維持在高效運(yùn)轉(zhuǎn)區(qū)間。當(dāng)進(jìn)水水量減少，則可通過調(diào)低變頻泵運(yùn)行速率來維持經(jīng)濟(jì)水位。以橫崗水質(zhì)凈化廠（二期）1#變頻泵為例，每調(diào)低1Hz變頻器頻率，可降低運(yùn)行電流5A以上，節(jié)能效果明顯。同時(shí)，利用自動(dòng)化控制系統(tǒng)（如PID控制算法），通過分析計(jì)算出水位差與泵組閉臺(tái)數(shù)調(diào)節(jié)的關(guān)系來自動(dòng)調(diào)整水泵參數(shù)，有利于運(yùn)行操作人員快速、精確地對(duì)泵組進(jìn)行調(diào)節(jié)[7]。另外，應(yīng)加強(qiáng)設(shè)備的日常管理，水泵要定期維護(hù)保養(yǎng)，使其保持良好運(yùn)行狀態(tài)，定期清理水泵房內(nèi)的淤泥與砂粒，防止細(xì)小固體隨著污水提升系統(tǒng)進(jìn)入后續(xù)處理系統(tǒng)，導(dǎo)致推流器、攪拌器的電耗增大，影響設(shè)備的使用壽命。

3.3 深度處理區(qū)節(jié)能措施

深度處理區(qū)節(jié)能措施主要集中在纖維濾池與高密沉淀池2個(gè)處理單元上。日常運(yùn)行中，需根據(jù)二沉池出水SS值和濾池過水量情況，及時(shí)調(diào)整纖維濾池反沖洗周期，以達(dá)到增加處理水量并減少電耗的目的。根據(jù)橫崗水質(zhì)凈化廠（二期）運(yùn)行調(diào)試規(guī)律可知，當(dāng)氣水比約為2∶1時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)較好的反沖洗效果。因此，建議對(duì)濾池運(yùn)行反沖洗時(shí)間配比進(jìn)行優(yōu)化，將反沖洗流程設(shè)置為氣洗3min、氣水洗10min、水洗4min比較合適。

對(duì)于高密沉淀池，一是通過監(jiān)控液位數(shù)據(jù)，自動(dòng)調(diào)整二次提升泵組開啟數(shù)量、頻率，穩(wěn)定進(jìn)水水量，避免因進(jìn)水量大幅波動(dòng)而導(dǎo)致的效率低下；二是定期清理污泥，預(yù)防斜板與出水堰堵塞，以及管道堵塞，避免因堵塞而影響設(shè)備電耗；三是盡可能多采用再生水溶解固體藥劑，提高再生水在廠區(qū)雜用水的使用比例，減少自來水資源的消耗；四是通過對(duì)PAC、PAM加藥系統(tǒng)的自動(dòng)化升級(jí)，減少人工投入；五是引入智能化管理系統(tǒng)，優(yōu)化加藥量，合理投加凈水化學(xué)藥劑，達(dá)到精準(zhǔn)投加的效果，以在穩(wěn)定出水水質(zhì)的同時(shí)，降低電耗與藥耗。

結(jié)論

深圳市橫崗水質(zhì)凈化廠（二期）能耗分布主要集中在曝氣系統(tǒng)、進(jìn)水提升泵組及深度處理工藝上，經(jīng)研究分析提出了通過引入自動(dòng)化控制系統(tǒng)對(duì)曝氣系統(tǒng)、提升泵系統(tǒng)進(jìn)行精準(zhǔn)調(diào)節(jié)，并在管理上及時(shí)反饋運(yùn)行數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)調(diào)整工藝參數(shù)等措施。這些措施不僅涉及硬件設(shè)施的優(yōu)化設(shè)計(jì)，還包括運(yùn)行模式的調(diào)整、節(jié)能方法的研究與應(yīng)用等多個(gè)方面，既有利于企業(yè)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展，又有助于減少對(duì)環(huán)境的負(fù)面影響。在未來的工作中，應(yīng)當(dāng)繼續(xù)深入研究并完善這些措施，進(jìn)一步提高能源利用效率和環(huán)境保護(hù)水平，推動(dòng)水質(zhì)凈化行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

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作者簡介

曾子軒（1994—），男，漢族，廣東深圳人，助理工程師，大學(xué)本科，研究方向?yàn)槲鬯幚砑夹g(shù)。

加工編輯：王玥

收稿日期：2024-05-14