在對國內現行節能評估標準進(jìn)行梳理的基礎上，通過(guò)具體的工程案例，對地下式污水處理廠(chǎng)的能耗特點(diǎn)和能耗指標進(jìn)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(chǎng)的單位能耗指標以不超過(guò)0.45~0.6 kW·h/m3為宜。通過(guò)數據對比，得出在同樣處理標準下，國內污水處理廠(chǎng)在運行能耗方面與歐美發(fā)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(chǎng)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(chǎng)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(chǎng)節能研究的重點(diǎn)。過(guò)去十來(lái)年，國內污水處理廠(chǎng)的建設經(jīng)歷了一個(gè)飛速發(fā)展的過(guò)程。污水處理標準從早年的二級標準，歷經(jīng)一級B、一級A直到現在地表水準Ⅳ類(lèi)、準Ⅲ類(lèi)的逐次提標。污水處理廠(chǎng)的建設形式也從早年單一形式的常規地上式污水處理廠(chǎng)，到現在高標準地下式污水處理廠(chǎng)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(shuō)不論是污水處理廠(chǎng)的建設理念和建設標準，還是技術(shù)和裝備都經(jīng)歷了飛躍式的發(fā)展。但對于污水處理廠(chǎng)節能評估標準的研究卻與污水處理廠(chǎng)的高速發(fā)展不相適應，國內目前缺少一個(gè)合適的節能評估標準。污水處理廠(chǎng)的單位能耗達到一個(gè)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(chǎng)的能耗水平明顯高于歐美發(fā)達國家，但事實(shí)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(chǎng)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(fā)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(chǎng)電耗不宜超過(guò)0.15~0.28 kW·h/m3。國內很長(cháng)一段時(shí)間都以此指標作為污水處理廠(chǎng)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(chǎng)。

北京市2015年發(fā)布了一個(gè)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(chǎng)單位污水處理電耗的限定值為0.229~0.367 kW·h/m3，先進(jìn)值為0.211~0.349 kW·h/m3?？梢钥闯?，該標準已經(jīng)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(chǎng)尤其是地下式污水處理廠(chǎng)均不適用。地下式污水處理廠(chǎng)的建設形式近十年來(lái)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(chǎng)目前已超過(guò)100個(gè)，應該說(shuō)是今后污水處理廠(chǎng)建設的一大發(fā)展方向。由于建設形式的特殊性，地下式污水處理廠(chǎng)的能耗必定會(huì )高于常規地上式污水處理廠(chǎng)。如何對地下式污水處理廠(chǎng)進(jìn)行節能評估，并在此基礎上確定污水處理廠(chǎng)的節能提升方向是一個(gè)值得研究的問(wèn)題。

3 地下式污水處理廠(chǎng)的能耗特點(diǎn)及分析

3.1 地下式污水處理廠(chǎng)的能耗特點(diǎn)

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(chǎng)。相對于此標準，地下式污水處理廠(chǎng)的能耗增加主要在兩個(gè)方面。第一個(gè)方面是目前的出水標準普遍為優(yōu)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(guò)濾等工藝段，相應帶來(lái)能耗的增加。第二個(gè)方面是在采用地下式布置形式后，污水處理廠(chǎng)在照明、通風(fēng)及除臭等方面的需求都大大增加。如廠(chǎng)區照明，常規污水處理廠(chǎng)僅需廠(chǎng)區路燈和少量建筑物內的夜間照明，但地下污水處理廠(chǎng)由于全部設施都位于地下，整個(gè)地下箱體基本需要24小時(shí)的連續照明，照明設備數量和使用時(shí)間都大大增加。在通風(fēng)方面，常規污水處理廠(chǎng)僅需少量建筑物的通風(fēng)換氣，而地下污水處理廠(chǎng)需要整個(gè)地下箱體的強制送排風(fēng)，通風(fēng)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(chǎng)由于環(huán)境封閉，相對于常規污水處理廠(chǎng)的除臭標準也有所提高，在對池內臭氣進(jìn)行收集處理的基礎上，還要對部分重點(diǎn)區域如預處理區域和泥處理區域等進(jìn)行多重隔斷，對隔斷空間內的臭氣進(jìn)行收集處理，人員活動(dòng)頻率高的區域還要增加送離子風(fēng)的除臭強化措施。因此使得地下式污水處理廠(chǎng)在這三個(gè)方面的能耗都會(huì )大大高于常規的地上式污水處理廠(chǎng)。通過(guò)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(chǎng)和常規地上式污水處理廠(chǎng)，地下式污水處理廠(chǎng)的照明能耗約為常規地上式污水處理廠(chǎng)的4~6倍，通風(fēng)能耗約為常規地上式污水處理廠(chǎng)的4~6倍，除臭能耗約為常規地上式污水處理廠(chǎng)的2~3倍。

3.2 地下式污水處理廠(chǎng)的能耗分析

污水處理廠(chǎng)的能耗指標以實(shí)際運行的數據最為準確。但實(shí)際運行數據由于涉及到商業(yè)秘密，往往較難獲得準確可靠的數據。因此污水處理廠(chǎng)能耗指標的分析還是以理論計算為主。污水處理廠(chǎng)單位能耗指標通常用污水處理廠(chǎng)年用電量除以年處理水量獲得。年用電量通常采用全廠(chǎng)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(shí)間來(lái)計算。而全廠(chǎng)用電設備的計算容量為全廠(chǎng)用電設備的額定功率乘以需用系數和同時(shí)使用系數。因此污水處理廠(chǎng)單位能耗指標的計算見(jiàn)式（1）：

以某全地下式污水處理廠(chǎng)為例，污水處理廠(chǎng)設計規模20萬(wàn)m3/d，污水處理執行地表準Ⅳ類(lèi)水標準，污水處理工藝流程為粗格柵及進(jìn)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(guò)濾+活性炭吸附的組合式除臭工藝，同時(shí)對重點(diǎn)區域的大空間進(jìn)行活性炭除臭并增設送離子風(fēng)設施。箱體內通風(fēng)根據不同區域采用6~12次/h的換氣次數。按前述公式進(jìn)行計算，該全地下式污水處理廠(chǎng)的單位能耗指標為0511 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(chǎng)中，除工藝處理能耗外，照明、通風(fēng)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(chǎng)。

4 能耗評價(jià)指標的合理區間

4.1 地下式污水處理廠(chǎng)能耗指標的合理區間

以上僅為一個(gè)全地下式污水處理廠(chǎng)的個(gè)例，對其他同類(lèi)型地下式污水處理廠(chǎng)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(gè)地下式污水處理廠(chǎng)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(shuō)這也是目前國內地下式污水處理廠(chǎng)單位能耗的一個(gè)相對合理的區間。

國內對污水處理廠(chǎng)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(shí)，對處理規模1萬(wàn)~100萬(wàn)m3/d的二級污水處理廠(chǎng)的運行能耗進(jìn)行了調研，結果顯示污水處理廠(chǎng)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(chǎng)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(chǎng)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(chǎng)運行能耗調研的結果顯示90%污水處理廠(chǎng)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(chǎng)運行能耗調研的結果顯示90%污水處理廠(chǎng)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(chǎng)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(shí)污水處理廠(chǎng)單位能耗的均值基本在0.290 kW·h/m3以下。2010年后，隨著(zhù)國內污水處理廠(chǎng)提標改造的逐次推進(jìn)，污水處理廠(chǎng)的單位能耗自然呈上升趨勢。雖然2014年時(shí)國內大部分污水處理廠(chǎng)的一級A提標改造還沒(méi)完成，但噸水電耗均值就已經(jīng)升至0.325 kW·h/m3。到現在國內很多污水處理廠(chǎng)都已進(jìn)一步提標至優(yōu)于一級A標準，單位水量電耗指標再進(jìn)一步提高就是很自然的事了。

再回過(guò)頭來(lái)看表1計算的某全地下式污水處理廠(chǎng)的單位能耗指標，也可以用該指標反算常規污水處理廠(chǎng)的能耗指標。同樣處理標準的常規污水處理廠(chǎng)在照明、通風(fēng)、除臭方面比該全地下廠(chǎng)能耗更節省，照明和通風(fēng)能耗約為全地下廠(chǎng)的20%，除臭能耗約為全地下廠(chǎng)的40%。以此可以反算出同樣處理標準常規污水處理廠(chǎng)的能耗指標。再進(jìn)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(chǎng)的能耗指標，如表3所示。

該計算結果與2014年時(shí)國內污水處理廠(chǎng)單位能耗指標的實(shí)際統計結果基本一致，說(shuō)明關(guān)于全地下式污水處理廠(chǎng)單位能耗指標的理論計算是準確的，也是比較符合實(shí)際的。結合前述分析，建議地下式污水處理廠(chǎng)的單位能耗指標以不超過(guò)0.45~0.6 kW·h/m3為宜。

4.2 國內外污水處理廠(chǎng)能耗指標對比

國內污水處理廠(chǎng)的能耗水平與歐美發(fā)達國家相比究竟怎樣呢？國內文獻中較多出現的觀(guān)點(diǎn)是國內污水處理廠(chǎng)的能耗水平明顯高于歐美發(fā)達國家。但筆者認為未必如此，污水處理廠(chǎng)的能耗水平與其建設標準和處理標準直接相關(guān)，不是同一基礎上的數據不具有可比性。國內污水處理廠(chǎng)經(jīng)歷近十年的逐次提標，目前的處理標準應該已超過(guò)了很多歐美國家的污水處理廠(chǎng)。為滿(mǎn)足高標準的處理需求，近十年來(lái)也從國外引進(jìn)了大量的先進(jìn)技術(shù)和裝備，應該說(shuō)目前行業(yè)內國際上大多數先進(jìn)的工藝、技術(shù)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(chǎng)運行能耗方面國內并不比歐美發(fā)達國家差。唐建國在城建水業(yè)上介紹了德國2019年的污水處理情況，德國水協(xié)2019年調查了全德5 310座污水處理廠(chǎng)的情況，占德國污水處理總規模的87.2%。其中關(guān)于污水處理廠(chǎng)的主要運行數據摘錄如表4所示。

從德國污水處理廠(chǎng)的運行數據來(lái)看，德國污水處理廠(chǎng)的進(jìn)水水質(zhì)和出水指標與目前國內的污水處理廠(chǎng)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(chǎng)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(chǎng)在運行能耗方面并不比歐美發(fā)達國家差，兩者基本在同一水平。

當然與歐美發(fā)達國家相比，國內的污水處理廠(chǎng)在某些方面確實(shí)存在差距。比如在污水處理廠(chǎng)的能量自給方面，歐美發(fā)達國家對污水處理過(guò)程中的能量回收比較重視，如通過(guò)污泥的厭氧消化回收沼氣，再將沼氣通過(guò)熱電聯(lián)產(chǎn)回收能量。IWA國際水協(xié)的資料顯示，丹麥的Marselisborg污水處理廠(chǎng)通過(guò)這種方式在2016年就實(shí)現了100%的能量自給。通過(guò)沼氣發(fā)電產(chǎn)生的電量不僅能滿(mǎn)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(chǎng)還需要繼續進(jìn)一步學(xué)習國外的先進(jìn)理念，爭取在能源的綜合利用方面更上一個(gè)新的臺階。

5 地下式污水處理廠(chǎng)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(diǎn)，再采取有針對性的措施。從表1和表3的數據來(lái)看，相對于常規污水處理廠(chǎng)，地下式污水處理廠(chǎng)在照明、通風(fēng)和除臭上的能耗占比明顯提高。同時(shí)，隨著(zhù)近年來(lái)污水及污泥處理標準的不斷提高、工藝流程的加長(cháng)，整個(gè)污水處理廠(chǎng)的能耗組成也發(fā)生了變化。以前述20萬(wàn)m3/d的某全地下式污水處理廠(chǎng)為例，主要工藝環(huán)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(chǎng)來(lái)說(shuō)，以往常規污水處理廠(chǎng)中曝氣能耗占比50%以上的狀況已經(jīng)發(fā)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(chǎng)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(lái)對污水處理廠(chǎng)污泥減量化處理的要求明顯提高，很多污水處理廠(chǎng)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(fēng)和除臭的能耗等。

地下式污水處理廠(chǎng)能耗組成的變化說(shuō)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(fēng)量進(jìn)行精準控制，降低曝氣風(fēng)機的能耗。

（2）優(yōu)化地下式污水處理廠(chǎng)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(guò)設置污泥濃度計等對各級污泥排放進(jìn)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(jìn)行干化，以節約污泥處理能耗。

（4）地下式污水處理廠(chǎng)的通風(fēng)除臭采用智能通風(fēng)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(shí)時(shí)調控風(fēng)機的開(kāi)啟臺數。也可以采用自然通風(fēng)和機械通風(fēng)相結合的方式，以節約通風(fēng)除臭能耗。

（5）采用智能照明控制系統，對污水處理廠(chǎng)地下箱體內的照明進(jìn)行分區分片管理，同時(shí)結合日常生產(chǎn)管理巡視的安排，對區域照度進(jìn)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(shí)通過(guò)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(chǎng)的節能最終還是要通過(guò)具體的運行管理來(lái)實(shí)現。隨著(zhù)污水處理廠(chǎng)建設標準越來(lái)越高，對污水處理廠(chǎng)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(chǎng)在硬件配置上已不亞于國外先進(jìn)國家的污水處理廠(chǎng)，污水處理廠(chǎng)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(chǎng)的運行管理方法和管理手段同步提升，實(shí)現從粗放管理到精細化管理的轉變，才能保證污水處理廠(chǎng)節能目標的最后實(shí)現。

6 結語(yǔ)

污水處理廠(chǎng)能源的綜合管理包括開(kāi)源和節流兩個(gè)方向。節流即通過(guò)節能的各種技術(shù)和管理措施最大程度地降低運行能耗；而開(kāi)源則是通過(guò)各種手段對污水處理過(guò)程中的能量進(jìn)行回收利用，如污泥通過(guò)厭氧消化產(chǎn)生沼氣發(fā)電，通過(guò)水源熱泵對水中的熱能進(jìn)行回收等。只有將開(kāi)源和節流有機結合才能實(shí)現最高效的能源綜合利用，這是目前國內和國外先進(jìn)國家的差距所在，也是國內污水處理廠(chǎng)今后的一個(gè)發(fā)展方向。相信隨著(zhù)國內能源綜合利用意識的不斷提高，國內污水處理廠(chǎng)的建設標準有望再上一個(gè)新的臺階，使污水處理廠(chǎng)成為一個(gè)新型的環(huán)保中心和能源中心。