城镇污水收集处理系统在提质增效过程中如何节能减排？

污水处理工程公司电费约占日常运行费的40%，近年来，许多地方大力推进城镇污水处理厂提标改造，进一步增加了电耗，提高日常运行费用。分析了近10年城镇污水处理厂的运行数据，基于产污系数法测算了城镇污水处理厂提标到地表水准Ⅳ类标准和改善污水收集管网两种情形下削减BOD及新增能耗。结果显示，若将全国城镇污水处理厂全部提标到准Ⅳ类，可新增BOD削减7.75万t/年,同时新增能耗202 100万kW·h/年;若将全国污水管网进行修复改善，可新增BOD削减量306万t/年，同时新增能耗245 170万kW·h/年，通过提高进水浓度新增的BOD削减量，其单位能耗仅为目前单位BOD消减所需能耗的约1/2，节能效果显著。

1 研究背景

截至2010年底我国污水污泥处理产生的能耗已达到全国总能耗的1%。近年来，随着人民群众对美好生活环境的需求增加，我国城镇污水处理规模不断增加，目前处理能力已由2010年的1.2亿m³/d提升到2亿m³/d，《水污染防治行动计划》明确要求要因地制宜对现有城镇污水处理设施进行改造，2020年底前达到相应排放标准或再生利用要求，现行《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918-2002)也启动了修订计划，拟在一级A标准基础上对部分指标再做提升。北京市是较早一批提出污水处理厂提标改造的城市，2013年北京市制定了加快污水处理和再生水利用设施建设三年行动方案(2013~2015)，2016年又提出了第二个三年行动方案，提出结合管网建设，开展污水处理提标改造，推进河道黑臭水体整治。污水处理厂出水执行标准的提升等一系列工作将直接提高污水处理能耗。污水处理厂能耗的90%主要用于曝气、污水推流等生化处理，污水提升和污泥处理等。此前，也有较多关于污水处理厂节能降耗方面的研究，但大都侧重于污水处理厂内，本文从城镇生活污水收集管网提质增效出发，从污水收集处理系统分析其对电耗的影响，并由此探讨污水处理费制定标准。

2 研究对象和方法

结合全国城镇污水处理管理信息系统数据及公开发表的相关文献，对近10年城市(不含县城)城镇污水处理厂能耗进行分析，估算不同工艺、排放标准、处理规模，进水浓度对处理能耗的影响，进而提出在以绿色、可持续发展为理念的城市水环境提升过程中，污水收集处理所需要关注的内容。

2.1 影响污水处理厂能耗参数分析

根据全国城镇污水处理管理信息系统数据，剔除没有标明处理工艺、进水量不稳定以及规模小于1万m³/d的污水处理厂进行了梳理(以下简称“规模以上”)。经分析，从2008~2017年，不同生物处理工艺、规模的污水处理厂数量情况如表1所示。

提升污水处理厂进水BOD浓度，在同等曝气强度下BOD负荷将提高，在保证出水水质达标的情况下，处理单位BOD能耗会有所下降。本文对2017年地级城市的1 548座污水处理厂运行情况进行比较，按照出水水质情况，结合网上公开的信息，对污水处理厂出水执行标准进行校正，分析不同出水执行标准、进水浓度对能耗的影响。由于BOD更能反映生活污水实际情况，因此本文以BOD浓度作为主要水质参数，计算出不同进水BOD浓度(每10 mg/L为一档)吨水能耗，分析进水浓度和吨水能耗的关系，以此计算每座城镇污水处理厂(对应城市理论污水BOD浓度)能耗增加量，见表2、图1。

2.2 城镇污水处理厂提标改造能耗分析

新增BOD消减能力理论值=(目前排放浓度-改造后排放浓度)×城镇污水处理厂规模(1)

新增能耗估算=(改造后预估吨水能耗-目前吨水能耗)×城镇污水处理厂规模(2)

2.3 以管网为核心的污水处理系统提质增效对能耗的影响

按照进水BOD浓度与吨水能耗的关系方程，推算出每座污水处理厂进水新增能耗，对于进水BOD不小于理论值的，不计算新增能耗。计算见式(3)：

城镇污水处理厂新增能耗估算=0.000 8×(理论进水BOD浓度-目前进水BOD浓度)(3)

3 结果分析

3.1 城镇污水处理厂能耗分析

近几年污水处理厂出水水质要求越来越高，从统计结果来看，2008年到2017年污水处理厂年均吨水耗电量从0.24 kW·h/m³上升到了2017年的近0.3 kW·h/m³，且主要是从2013年开始出现较为明显的上涨趋势。从统计分析结果来看，随着吨水耗能的提升，吨水COD的削减未能提高，反而有不断下降的趋势，从2008年的0.28 kg/m³下降到2017年的0.26 kg/m³。这些新增的能耗一方面用于AAO新增的消毒、污泥消化等耗能环节，另一方面用于城镇污水处理厂提标改造后，出水水质提升。而吨水COD削减量降低，主要是由于近年来地方环境督查压力大，很多地方沿河截污等措施把河水等一起截进污水处理厂，另一方面管网质量差，特别是地下水位高的地区，地下水挤占管网，导致污水处理厂清汤寡水，同时，近年来部分地区将工业废水逐渐从城镇污水处理系统中拨离出来，部分城镇污水处理厂的进水COD浓度会减少。

经对比分析发现，处理量小于5万m³/d的小规模污水处理厂，其吨水能耗明显高于5万m³/d的中、大规模污水处理厂，这与此前的研究结果基本一致。但是，小型污水处理厂与中大型污水处理厂的吨水能耗差是在逐渐缩小，特别是在2012~2015年中大型城镇污水处理厂能耗增加量要明显快于小型污水处理厂。对于中大型城镇污水处理厂是监管的重点，也是先进行提标改造的对象，出水水质都有更高的要求，单位污水处理能耗也会随之提高。同时随着城镇污水处理厂相关技术的成熟，小型污水处理厂单位能耗基数大，节能效果会比较明显，见图2。

而对于不同工艺来看(图3、图4)，从2009~2017年，SBR工艺的吨水能耗相对较低，但是规模多为中小型;其次为AAO工艺，占现运行城镇污水处理厂的近1/3，也是很多大型污水处理厂较为常用的工艺，不同规模单位能耗差异也较大。对比2009年及2013年的数来看，AAO、氧化沟、SBR等传统工艺，不同规模污水处理厂之间吨水能耗也明显缩减。现阶段，很多污水处理厂提标改造，原有的工艺经过提标改造后很多都结合了MBR等新工艺，如北京的肖家河污水处理厂，由原来的AAO工艺，转变为AAO+MBR的模式，出水水质达到准Ⅳ类。