城鎮(zhèn)污水收集處理系統(tǒng)在提質(zhì)增效過程中如何節(jié)能減排？
污水處理廠電費約占日常運行費的40%，近年來，許多地方大力推進城鎮(zhèn)污水處理廠提標改造，進一步增加了電耗，提高日常運行費用。分析了近10年城鎮(zhèn)污水處理廠的運行數(shù)據(jù)，基于產(chǎn)污系數(shù)法測算了城鎮(zhèn)污水處理廠提標到地表水準Ⅳ類標準和改善污水收集管網(wǎng)兩種情形下削減BOD及新增能耗。結(jié)果顯示，若將全國城鎮(zhèn)污水處理廠全部提標到準Ⅳ類，可新增BOD削減7.75萬t/年,同時新增能耗202100萬kW·h/年;若將全國污水管網(wǎng)進行修復改善，可新增BOD削減量306萬t/年，同時新增能耗245170萬kW·h/年，通過提高進水濃度新增的BOD削減量，其單位能耗僅為目前單位BOD消減所需能耗的約1/2，節(jié)能效果顯著。
1研究背景
截至2010年底我國污水污泥處理產(chǎn)生的能耗已達到全國總能耗的1%。近年來，隨著人民群眾對美好生活環(huán)境的需求增加，我國城鎮(zhèn)污水處理規(guī)模不斷增加，目前處理能力已由2010年的1.2億m³/d提升到2億m³/d，《水污染防治行動計劃》明確要求要因地制宜對現(xiàn)有城鎮(zhèn)污水處理設施進行改造，2020年底前達到相應排放標準或再生利用要求，現(xiàn)行《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》(GB18918-2002)也啟動了修訂計劃，擬在一級A標準基礎上對部分指標再做提升。北京市是較早一批提出污水處理廠提標改造的城市，2013年北京市制定了加快污水處理和再生水利用設施建設三年行動方案(2013~2015)，2016年又提出了第二個三年行動方案，提出結(jié)合管網(wǎng)建設，開展污水處理提標改造，推進河道黑臭水體整治。污水處理廠出水執(zhí)行標準的提升等一系列工作將直接提高污水處理能耗。污水處理廠能耗的90%主要用于曝氣、污水推流等生化處理，污水提升和污泥處理等。此前，也有較多關(guān)于污水處理廠節(jié)能降耗方面的研究，但大都側(cè)重于污水處理廠內(nèi)，本文從城鎮(zhèn)生活污水收集管網(wǎng)提質(zhì)增效出發(fā)，從污水收集處理系統(tǒng)分析其對電耗的影響，并由此探討污水處理費制定標準。
2研究對象和方法
結(jié)合全國城鎮(zhèn)污水處理管理信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)及公開發(fā)表的相關(guān)文獻，對近10年城市(不含縣城)城鎮(zhèn)污水處理廠能耗進行分析，估算不同工藝、排放標準、處理規(guī)模，進水濃度對處理能耗的影響，進而提出在以綠色、可持續(xù)發(fā)展為理念的城市水環(huán)境提升過程中，污水收集處理所需要關(guān)注的內(nèi)容。
2.1影響污水處理廠能耗參數(shù)分析
根據(jù)全國城鎮(zhèn)污水處理管理信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)，剔除沒有標明處理工藝、進水量不穩(wěn)定以及規(guī)模小于1萬m³/d的污水處理廠進行了梳理(以下簡稱“規(guī)模以上”)。經(jīng)分析，從2008~2017年，不同生物處理工藝、規(guī)模的污水處理廠數(shù)量情況如表1所示。
提升污水處理廠進水BOD濃度，在同等曝氣強度下BOD負荷將提高，在保證出水水質(zhì)達標的情況下，處理單位BOD能耗會有所下降。本文對2017年地級城市的1548座污水處理廠運行情況進行比較，按照出水水質(zhì)情況，結(jié)合網(wǎng)上公開的信息，對污水處理廠出水執(zhí)行標準進行校正，分析不同出水執(zhí)行標準、進水濃度對能耗的影響。由于BOD更能反映生活污水實際情況，因此本文以BOD濃度作為主要水質(zhì)參數(shù)，計算出不同進水BOD濃度(每10mg/L為一檔)噸水能耗，分析進水濃度和噸水能耗的關(guān)系，以此計算每座城鎮(zhèn)污水處理廠(對應城市理論污水BOD濃度)能耗增加量，見表2、圖1。
2.2城鎮(zhèn)污水處理廠提標改造能耗分析
新增BOD消減能力理論值=(目前排放濃度-改造后排放濃度)×城鎮(zhèn)污水處理廠規(guī)模(1)
新增能耗估算=(改造后預估噸水能耗-目前噸水能耗)×城鎮(zhèn)污水處理廠規(guī)模(2)
2.3以管網(wǎng)為核心的污水處理系統(tǒng)提質(zhì)增效對能耗的影響
參照《第一次全國污染源普查城鎮(zhèn)生活源產(chǎn)排污系數(shù)手冊》，計算出每個城市產(chǎn)生的生活污水BOD濃度，并考慮在污水管網(wǎng)輸送過程中10%的降解，以此為基礎，將每座污水處理廠按照實際處理水量加權(quán)平均后，作為該省份的理論進水濃度。
按照進水BOD濃度與噸水能耗的關(guān)系方程，推算出每座污水處理廠進水新增能耗，對于進水BOD不小于理論值的，不計算新增能耗。計算見式(3)：
城鎮(zhèn)污水處理廠新增能耗估算=0.0008×(理論進水BOD濃度-目前進水BOD濃度)(3)
3結(jié)果分析
3.1城鎮(zhèn)污水處理廠能耗分析
近幾年污水處理廠出水水質(zhì)要求越來越高，從統(tǒng)計結(jié)果來看，2008年到2017年污水處理廠年均噸水耗電量從0.24kW·h/m³上升到了2017年的近0.3kW·h/m³，且主要是從2013年開始出現(xiàn)較為明顯的上漲趨勢。從統(tǒng)計分析結(jié)果來看，隨著噸水耗能的提升，噸水COD的削減未能提高，反而有不斷下降的趨勢，從2008年的0.28kg/m³下降到2017年的0.26kg/m³。這些新增的能耗一方面用于AAO新增的消毒、污泥消化等耗能環(huán)節(jié)，另一方面用于城鎮(zhèn)污水處理廠提標改造后，出水水質(zhì)提升。而噸水COD削減量降低，主要是由于近年來地方環(huán)境督查壓力大，很多地方沿河截污等措施把河水等一起截進污水處理廠，另一方面管網(wǎng)質(zhì)量差，特別是地下水位高的地區(qū)，地下水擠占管網(wǎng)，導致污水處理廠清湯寡水，同時，近年來部分地區(qū)將工業(yè)廢水逐漸從城鎮(zhèn)污水處理系統(tǒng)中撥離出來，部分城鎮(zhèn)污水處理廠的進水COD濃度會減少。
經(jīng)對比分析發(fā)現(xiàn)，處理量小于5萬m³/d的小規(guī)模污水處理廠，其噸水能耗明顯高于5萬m³/d的中、大規(guī)模污水處理廠，這與此前的研究結(jié)果基本一致。但是，小型污水處理廠與中大型污水處理廠的噸水能耗差是在逐漸縮小，特別是在2012~2015年中大型城鎮(zhèn)污水處理廠能耗增加量要明顯快于小型污水處理廠。對于中大型城鎮(zhèn)污水處理廠是監(jiān)管的重點，也是最先進行提標改造的對象，出水水質(zhì)都有更高的要求，單位污水處理能耗也會隨之提高。同時隨著城鎮(zhèn)污水處理廠相關(guān)技術(shù)的成熟，小型污水處理廠單位能耗基數(shù)大，節(jié)能效果會比較明顯，見圖2。
而對于不同工藝來看(圖3、圖4)，從2009~2017年，SBR工藝的噸水能耗相對較低，但是規(guī)模多為中小型;其次為AAO工藝，占現(xiàn)運行城鎮(zhèn)污水處理廠的近1/3，也是很多大型污水處理廠較為常用的工藝，不同規(guī)模單位能耗差異也較大。對比2009年及2013年的數(shù)來看，AAO、氧化溝、SBR等傳統(tǒng)工藝，不同規(guī)模污水處理廠之間噸水能耗也明顯縮減。現(xiàn)階段，很多污水處理廠提標改造，原有的工藝經(jīng)過提標改造后很多都結(jié)合了MBR等新工藝，如北京的肖家河污水處理廠，由原來的AAO工藝，轉(zhuǎn)變?yōu)锳AO+MBR的模式，出水水質(zhì)達到準Ⅳ類。
3.2不同出水標準對能耗的影響分析
依據(jù)表3估算結(jié)果，若污水處理廠全面提標到準Ⅳ類，新增能耗需20.1億kW·h/年，較現(xiàn)用電量增加24%，而BOD削減量僅增加1%。
如表4所示，改造污水管網(wǎng)提高進水濃度，污水處理廠新增BOD消減量306萬t/年，較現(xiàn)有處理量提升60%;新增能耗約24.5億kW·h/年，較現(xiàn)用電量增加29%，其單位BOD消減量所用能耗約為現(xiàn)在的1/2。從表4數(shù)據(jù)來看，南方城市，進行管網(wǎng)進行改造后，對BOD進水濃度的提升效果更因為顯著。而北京、內(nèi)蒙、甘肅、新疆等省市，平均BOD進水濃度基本接近理論值，僅個別污水處理廠進水濃度還需進一步提升。
4討論
4.1廠網(wǎng)一體的運營模式對污水收集處理能效分析
2010年以來，北京實行廠網(wǎng)一體化運營管理模式，通過實行廠網(wǎng)一體的模式，激發(fā)運營單位做好管網(wǎng)的日常維護，從而有效控制污水外滲，清水滲入管內(nèi)，從而提升污水收集處理效能。選取了北京市5座從2008~2017年數(shù)據(jù)相對完整，且已實行廠網(wǎng)一體運行的污水處理廠進行分析，發(fā)現(xiàn)這些污水處理廠的進水濃度相較為實現(xiàn)廠網(wǎng)一體運營的污水處理廠，其進水水質(zhì)及水量相對更為穩(wěn)定，且BOD濃度也與理論值基本相符(見圖5)。同時，這種廠網(wǎng)一體的運營模式，在雨天通過合理調(diào)度，還能有效應對汛期因排水不暢而形成城市內(nèi)澇等問題。實現(xiàn)“水質(zhì)保障、水量均衡、水位預調(diào)”的系統(tǒng)化運營，從而進一步有效利用管網(wǎng)，還能減少雨天對污水處理廠的沖擊。
4.2污水處理運營成本分析
污水管網(wǎng)改造及日常運營費用分析見表5。在不新增管網(wǎng)、不新建污水廠的前提下，若將現(xiàn)有城市污水處理廠均提標到，一級A標準執(zhí)行，按照平均運營成本是1.50元/m³計算，加上改造已有管線折合噸水費用為0.22元/m³(按照30年使用壽命折算)以及每年管網(wǎng)維護費用0.15元/m³，污水處理費用將達到1.87元/m³。若加上管網(wǎng)建設費用，噸水運營成本將再增加1.24～1.64元/m³。對于一些執(zhí)行更高標準的污水處理廠(準Ⅳ類)，提標改造費用折合后噸水處理費用增加0.05元/m³(按照500元/m³改造費用，使用壽命30年折算)，噸水能耗將增加10%，按照1元/(kW·h)計算，同時，能耗占污水處理廠日常運行費用的40%，相應折算日常運行費用至少增加0.12元/m³，執(zhí)行準Ⅳ類標準的污水處理廠運營費用至少為2.04元/m³(不包含管網(wǎng)建設費用)。
2015年，發(fā)改委印發(fā)《關(guān)于制定和調(diào)整污水處理收費標準等有關(guān)問題的通知(發(fā)改委2015)》)中規(guī)定我國污水處理費征收標準將上調(diào)至2016年底居民價格應不低于0.95元/m³，非居民價格應不低于1.4元/m³。北京市2018年出臺了《污水處理費征收使用管理辦法》，明確將用于污水管網(wǎng)、污水處理設施的建設和運行以及污泥處理處置，目前北京市的污水處理費為1.7元/m³，遠高于全國平均水平。按照現(xiàn)行污水處理費征收標準，很多污水處理費是難以覆蓋整個污水收集處理系統(tǒng)運營費用的，污水處理廠的運行仍需要依靠政府補貼。
5對策和建議
(1)從源頭削減污染物。應運用海綿城市理念，對建筑小區(qū)、道路、廣場綜合采用“滲、滯、蓄、凈、用、排”等進行改造，從源頭上盡可能的消納地表徑流，減少污染物進入水體造成水體水質(zhì)惡化;進行消峰、錯峰，減少排水管網(wǎng)的負荷及對污水處理廠的沖擊。
(2)加快以管網(wǎng)改造，推進廠網(wǎng)一體化。管網(wǎng)的收集水平對整個污水處理系統(tǒng)起著核心的作用，特別是對于南方河網(wǎng)、地下水位較高、豐水的地區(qū)，要加強對現(xiàn)有管網(wǎng)的改造，防止清水進入污水管網(wǎng)。同時可以通過推進廠網(wǎng)一體的運營模式，加快建立起管網(wǎng)的日常運維機制，保障管網(wǎng)能高效運行。
(3)合理調(diào)整污水處理費。從本文分析來看，若采用廠網(wǎng)一體的模式，一方面有效提高污水處理廠進水濃度，另一方面能較好的調(diào)度污水、雨水，實現(xiàn)污水處理廠效能提升，在提升水環(huán)境質(zhì)量和節(jié)能減排都能起到關(guān)鍵性作用，而管網(wǎng)修建、管理的費用是整個污水體制增效的重要部分，因此，需建立與之相適應的污水處理費征收體系，逐步提高生活污水處理費，應補償?shù)秸＿\營并合理盈利，進而推進廠網(wǎng)一體化運作模式。
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