2014.10.7----综述二-AO及AAO污水处理工艺单元运行能耗分析及节能运行策略

AO及AAO污水处理工艺单元运行能耗分析及节能运行策略

程宇凯1, 魏亮亮2,* 宋悦2, 涂剑成1

(1. 南昌水业集团, 南昌, 330025; 2.哈尔滨工业大学市政环境工程学院, 哈尔滨150090)

摘要：基于AO及AAO的污水处理工艺在我国广泛应用，如何实现这些污水处理工艺的低碳节能运行对实现我国环保行业的节能减排目标意义明显。本文在首先分析我国当前污水处理厂、特别是AO及AAO工艺各单元在运行过程中能耗消耗的基础上，从污水处理设备优选及其运行管理、低碳工艺的研发与应用、系统优化及开源节能运行三个方面提出了AO及AAO工艺的节能运行措施，最后针对节能减排目标和提标改造要求，提出了我国AO及AAO污水处理工艺节能运行的挑战及建议，相关研究成果可为AO及AAO污水处理工艺的节能运行提供技术支撑。

关键词：污水处理厂; AO及AAO工艺; 能耗; 节能运行; 措施

Unit energy consumption analyzing and saving-energy strategies for the operation of AO and A1AO wastewater

treatment systems

Cheng Yukai 1, Wei Liangliang 2,*, Song Yue 2, Tu Jiancheng 1

(1. Nanchang Water Group Co., Ltd., Nanchang, 330025, China; 2. School of Municipal &

Environmental Engineering, Harbin Institute of Technology, Harbin 150090, China) Abstract:The wastewater treatment plants (WWTPs) based on AO and AAO technology have been widely constructed and applied in China, how to operate WWTPs at an energy-saving status is welcome in practice. Based on the analyzing of the energy consumption of the AO and AAO units, the energy-saving strategies and ways of those AO and AAO WWTPs were studied. Specially, the optimization of water treatment facilities and the operational management, development and application of low carbon technology, as well as include source and reduce

1基金项目：江西省科技计划项目（No. 20141BBE50010）

作者简介：程宇凯（1975-）,男,本科,江西南昌市新建县,江西洪城水业环保有限公司,化工机械,工程师,89540820@https://www.360docs.net/doc/ef14775173.html,;通讯作者（责任作者），181811289@https://www.360docs.net/doc/ef14775173.html,

expenditure exploitation and systematic optimization were well discussed. At the end, the future challenges and suggestions were also given. These findings here are of great significance for the energy-saving operation of the AO and AAO wastewater treatment plants operation.

Keywords:Wastewater treatment plant; AO and AAO; energy consumption; energy-saving operation; strategies

为了改善水体环境和实现城镇污废水的综合治理，我国在“十五”、“十一五”及“十二五”期间进行了多项措施和治理方案，通过总量控制和重点治理的手段，使得我国水污染持续加重态势得到有效遏制、水体质量整体明显提高[1,2]。据统计，2000年我国仅建成污水处理厂427座，污水日处理能力仅1475万m3；截至2013年底，我国共计建成污水处理厂达到3500余座，污水处理能力超过1.4亿m3/日[3]，这些污水处理厂的大量兴建使得目前我国城市污水处理率达到了87%，城市污水基本上得到了有效的处理处置。

需要指出的是，随着污水处理厂的大量兴建，城市污水处理作为高能耗行业的问题在我国日渐凸显[4,5]。在当前污水处理厂提标改造和总量减排的大环境下，如何让已建成的污水处理厂做到“十二五”我国节能降耗的总体目标要求，已然成为目前国内外污水处理厂研究的热点问题[6,7]。我国当前采用的污水处理主流工艺主要包括AO、AAO、氧化沟、CASS、SBR等，上述工艺中，AO工艺和AAO污水处理工艺由于具有同步脱氮除磷能力、水力停留时间短、工艺整体运行能耗低、对水质适应性强、基建和运行费用较低、维护管理操作方便、运行简单等特点，成为我国应用最为广泛的污水处理技术之一[8,9]，该系统通过好氧段及厌氧段的合理组合，能够同时发挥聚磷菌、反硝化菌、硝化菌等对有机物、N、P同步去除能力[10]，AAO污水处理工艺的高效运行受到温度、溶解氧浓度及碳源类型等因素影响[11,12]。由于AO及AAO工艺的广泛应用及其系统的复杂性，故对上述系统节能运行下高效除污的研究备受关注。

1、我国目前污水处理系统运行过程能耗

当前，我国已建成的污水处理厂虽然能有效的去除污生活污水中的各类污染物，对水污染控制和环境保护起到了重要的作用，但我国运行的污水处理厂普遍

具有能耗较高的行业特点。通常情况下，污水处理工艺能耗是指污水处理过程中在污水、污泥的提升、生物处理单元曝气、混合/推进、污泥浓缩/脱水、污泥回流等环节直接消耗的电能，其中污水生物处理和污泥处理单元能耗约占污水处理厂直接能耗的60-90%。

据统计，日本和美国已建成污水处理厂运行中的平均单位耗电量约为0.26kW·h/m3和0.2kW·h/m3(未对污水、污泥处理处置中回收的能源计算在内)，上述电耗不仅包含了污水处理生化处理过程的电耗，并且亦涵盖了污泥处理处置(如消化、脱水、焚烧等)和洗砂、通风、脱臭等设施运行的电耗。相对应的，2010 年初，国家城市给水排水工程技术研究中心通过对全国1856 座污水处理厂运行能耗分析指出2009年上述污水处理厂年均运行电耗约为0.254 kW·h/m3，虽然整体上与日本持平，略高于美国，但若考虑到上述电耗中未考虑污泥处理处置和脱臭设施等运行所需电耗，通常情况下污泥处理处置的电耗将使得污水处理厂整个能耗升高20%以上[13]，可发现我国当前污水处理行业普遍存在着能耗较高的缺陷。此外，孙鹏程等[14]等通过对山西省82座城镇污水处理厂2009年的能耗状况调研指出上述污水处理厂2009年单位水量电耗约为0.469 kW·h /m3，明显高于全国平均水平，节能潜力巨大，另杨凌波[15]等通过对全国559座污水处理厂能耗统计指出，上述污水处理厂运行能耗平均值为0.290 kW·h /m3，其中82%以上的污水处理厂电耗不低于0.44 kW·h /m3，相当于发达国家20世纪初或更早期水平，节能运行潜力巨大。如果污水处理可节省能耗0.01kW·h/m3，则全国每年可节省运行费用>1.5亿元，节能潜力巨大。

2、AO及AAO污水处理系统运行能耗组成分析

典型的污水处理工艺包括粗格栅、提升泵站、细格栅、沉砂池、初沉池、生化处理段、二沉池和污泥处理处置单元等，上述单元在运行过程中主要的能源消耗主要包括[14,17,19]：

表1 典型污水处理厂运行过程中各单元能耗分布

单元主要耗能过程运行能耗占总污水处

理能耗比例

各工艺运行能耗

对比

(kW·h /m3)

格栅1、对栅渣的机械粉碎；

2、栅条阻挡产生的水头损失；

0.04-0.06%、0.32%

各工艺运行能耗

[2]：生物膜法

(0.486)、氧化沟

(0.393)、AO工

提升泵站1、对污水的提升；

2、电机功率过大时电力损耗；

15.86-18.6%、19.2%、

19.48%

沉砂池1、砂水分离器、洗砂机、旋流

尘沙池的动力系统；

2、曝气沉砂池的曝气系统；

0.36%

艺(0.342)、传统

活性污泥法

(0.341)、AAO工

艺(0.330)和

SBR(0.278)。

初沉池排泥设备的能耗；0.43-0.60%

生化处理段1、供氧曝气系统；

2、污泥回流系统；

3、搅拌器；

4、内回流系统；

曝气设备56.5%、

51.8%

其他机械设备：13.2%

内回流系统：

6.62-9.54%、1.89%、

6.6%

二沉池1、污泥的抽吸；

2、刮泥机；

1.35-1.9%

污泥处理处置单元1、污泥浓缩脱水；

2、污泥厌氧消化加热；

3、污泥好氧堆肥电耗；

7.76-8.6%

污泥泵

4.16-

5.56%、3.8%、

陈宏儒[16]等研究指出，城市污水处理厂中电耗主要发生在二级生化处理的供氧系统、污水提升系统和污泥处理系统三部分，分别占工艺总电耗的55%、25%和13%。其中二级生化处理单元的能耗主要集中在鼓风机、搅拌器和内外回流泵上，鼓风机占总运行电耗的51.8%以上，是最主要的耗能单元。

常江[17]等对北京某处理规模为60万立方米AAO污水处理系统运行过程的能耗分析指出，二级处理单元消耗电量最高，占整个污水厂总能耗的69.0%，预处理单元次之(20. 5%)，污泥处理单元与锅炉、照明等其他部分所占总能耗比例较小(分别为6. 7%与3. 9%)。其通过对污水处理各单元能耗的进一步分析指出，生化处理单元鼓风机消耗电量最高，占污水处理厂总电耗的51.8%，进水泵次之(占总能耗的19.5%)，其次分别为搅拌器(9.4%)、外回流污泥泵(5.1%)、内回流污泥泵(1.9%)、二沉池刮泥机(0.44%)、剩余污泥泵(0.28%)等。

李鹏峰等[18]通过对某10万立方米AAO污水处理运行能耗分析指出，鼓风系统、混合动力系统和进水泵房是该工艺最主要的能耗单元，三单元所消耗能源分别占到污水处理厂运行总能耗的33.8%、24.2%和18.6%，其次能耗相对较高的分别为污泥处置(8.6%)、内回流系统(6.6%)、外回流系统(5.7%)、二沉池(1.9%)、初沉池(0.6%)和格栅间(0.1%)，所占能耗较小，作者认为进水泵房、鼓风系统和混合动力三系统具有较大的节能降耗潜力。

姚远等[13]通过对我国三家大型污水处理厂的能耗分析得出了相似的研究结

果，指出污水提升泵站和鼓风机房是最主要耗能单元，采用AO工艺的沈阳市北部污水处理厂鼓风机房和提升泵的能耗分别占到污水处理厂总能耗的55.5%和23.1%；由AAO和SBR串联而成的深圳市盐田污水处理厂运行中鼓风机房和提升泵的能耗分别占总能耗的46.9%和14.6%；而基于AAO污水处理工艺的成都双流污水处理厂运行中上述两单元的能耗分别占总能耗的64.8%和19.7%。

3、AO及AAO污水处理系统节能运行策略及措施

要想实现AO及AAO污水处理工艺的节能及高效运行，需要在污水泵站、污水生物处理和污泥处理这三个耗能单元进行优化改进。当前我国大部分AO及AAO污水处理厂设计在污水泵、曝气、回流等运行环节采用定值设置[18]，而实际污水无论水量还是水质均在时刻变化，恒定的污水泵功率、曝气与回流运行控制与其不相匹配，从而造成能量浪费或出水水质难以达标。这就需要一种能应对动态水量、水质变化的运行控制技术，使曝气量、回流量与水量、水质实时匹配。综合分析我国当前污水处理厂的运行特征，可以发现不同污水处理厂从节能的机制上可以概括为三大类，一是优化设备及其运行管理以达到节能目的；二是深入研究污水处理过程的反应机理，开发节能工艺；三是污水处理系统优化及开源节能运行。本文将从以下方面对AO及AAO污水处理系统的节能运行阐述如下：3.1 污水处理设备的优选及其运行管理优化

(1) 适当利用污水处理厂前端管网调蓄，采用变频节能的污水提升泵

污水提升泵选型设计时, 通常是在考虑满足最大扬程、最大流量等最不利因素的情况下选择水泵参数，这就造成了不少水泵扬程偏高，运行时偏离设计扬程，常常运行在低扬程、大流量、低效区，不仅浪费电能，而且也易导致电机过热。通过使用了变频器控制的水泵，根据流量及集水池水位变化，控制泵机的转速，使水泵始终运行在高效区，达到节能目的[5,18]。

此外，适当提高污水厂前端管网蓄水水位，可以提高泵前水位，可降低泵送污水过程的能耗，大幅减少泵的开合次数。如李鹏峰等[19]通过计算，得出通过利用前端管网的蓄水能力，可使得污水在泵送过程中的能耗降低20%。

(2) 研发利用高效率新型曝气设备，全面提高氧气利用效率

曝气池是活性污泥处理系统的主体构筑物，曝气设备能耗也是城市污水处理工艺能耗的主要部分，因此对曝气系统能耗能效的研究总是涉及到曝气设备的改

造和革新。新型的曝气设备虽然较多，当前得到广泛应用的新型曝气头主要包括：1) 采用淹没式的多孔扩散头或空气喷嘴产生空气泡将氧气传递进水溶液；2) 采用机械方法搅动污水促使大气中的氧溶于水。各国实践都证明微孔曝气器可节电20%以上，但微孔曝气扩散头存在易堵塞、难清洗的缺点。此外，为了改变污水处理厂运行过程中曝气设备的能耗，下列措施被广泛应用[6,19,20]：1) 根据季节、月份水质水量动态调整污水处理厂曝气量，降低能耗；2) 根据潜在耗氧势计算结果，在AO、AAO工艺各反应区氨氮浓度，动态调整曝气量；3) 适时更换或升级微孔曝气头，精确控制曝气量；4) 采用机械曝气与微孔曝气组合的混合曝气方式，即曝气池按流程分为入口缺氧区、表面曝气完全混合区和推流式渐减微孔曝气区。

(3)自动控制技术的应用

对于曝气系统，除采用高效的充氧设备和方法外，另一个节能措施是对曝气池供氧系统采用自动调节，根据曝气池中的溶解氧浓度，由现场PLC自动调节供气量，可节省气量10%。采用自动控制系统能实现污水厂“因变而变”的目标，不但可以保证良好的出水水质，实现达标排放，也降低了能耗，获得了很好的经济效益和环境效益。另外自动控制技术还应用到污水处理工艺各单元的协调控制上，以实现高效节能。

3.2 低碳处理工艺的研发与应用

污水处理厂的低碳运行对降低运行能耗至关重要，但传统研究中对污水处理工艺运行效果的评价往往集中在单一处理工艺，对污水处理工艺的低碳运行及强化技术涉及较少，当前关于AO及AAO工艺在该领域的研究课概括为[10,21,22]：

(1) 反硝化除磷工艺开发：反硝化除磷可以将生物脱氮与除磷合二为一，不仅节省碳源，而且可将多余的COD转化为CH4能源。AAO系统中厌氧-缺氧-好氧动态循环的工艺流程中DPB细菌的存在可实现反硝化除磷的同步实现，DPB细菌良好生长可有效降低AO及AAO系统的硝化液回流量及污泥回流量。

(2) 自养脱氮工艺：厌氧氨氧化(ANAMMOX)过程将生物脱氮过程提升为可持续方式，这一途径是在厌(缺)氧环境下以NO2-作为电子受体，可大幅降低供氧及碳源消耗，但这种自养脱氮技术的核心是首先实现短程硝化。

(3) 污水碳源的优化利用技术：目前关于碳源的优化利用研究最主要是碳源

分流技术，即优化碳源在污水处理流程中的分配，使有限的碳源合理地分配到各段反硝化和除磷的反应器内，实现碳源的有效利用。

(4) 碳源的循环利用：通过剩余污泥的水解消化释放有机酸的方法来回收污水处理工程中被污泥微生物用于生长的有机碳源，再将其投入到污水处理系统中去补充碳源，可以解决污水厂进水碳源不足的问题，实现碳源的循环反复利用。

3.3 系统优化及开源节能运行

郝晓地等[23]研究指出剩余污泥中蕴藏有大量可以开发的有机能源，因为常规情况下通过曝气、利用微生物代谢作用去除COD的做法无异于“以能消能”，是一种不可持续的处理方式，故将污水中的COD视为能源载体的崭新理念有利于实现污水处理厂的低碳运行，并且有广泛的应用前景。相对应的，美国已在2009年提出至2030年污水处理厂的运行将实现“碳中和(CarbonNeutral)”目标[24]，并指出“开源节流”的运行方式有利于实现污水处理的低碳和节能运行，其中“开源”是指尽可能的发掘污水/污泥中的有机能源，妥善利用太阳能甚至风能等间接能源；而“节流”是指：(1) 在曝气、回流、污水污泥提升等方面提高设备的运行效率，降低能耗；(2) 统筹考虑水质、水量动态变化，实时变化污水处理厂运行参数。基于AO和AAO技术的污水处理厂由于其具有多廊道，好氧、厌氧段能够灵活分配等特点，在实际运行过程中通过适当的改造来实现高效低碳运行是降低运行能耗的重要途径。

4、污水处理厂节能运行的挑战和展望

当前，我国污水处理厂普遍面临着提标改造和节能运行两大技术革新任务，所以，在污水处理厂节能运行过程的大背景下，如何进一步降低运行能耗是一项艰巨任务，如孙鹏程等研究指出执行一级Ａ标准的污水处理厂单位水量电耗平均值为0.591 kW·h /m3，明显高于一级B和二级标准污水处理厂的0.436 kW·h/m3和0.329 kW·h /m3，毫无疑问，这是当前污水处理厂提标改造大背景下节能运行最为主要的挑战。

虽然面临大量现实的技术和理论挑战，但是污水处理厂节能高效运行是实现污水处理可持续发展的重要途径之一。所以，在污水处理厂升级改造过程中，我们有必要提出节能运行的要求，在充分利用原有构筑物的同时，通过技术的合理选择、参数的优化控制、设备的合理应用、管理的科学化执行，以实现污水处理

系统的实时、灵活、高效运行。

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