摘要：曝氣系統(tǒng)節(jié)能是污水處理廠碳減排的關(guān)鍵，研究曝氣系統(tǒng)節(jié)能對推進污水處理行業(yè)的碳減排具有重要意義。分析我國污水處理廠曝氣系統(tǒng)能耗較高的原因，總結(jié)曝氣系統(tǒng)節(jié)能的主要技術(shù)途徑，為污水處理廠曝氣系統(tǒng)低碳運行提供參考。經(jīng)分析，主要原因有3點，即進水負荷低，曝氣設(shè)備和推流攪拌設(shè)備配置不合理，曝氣設(shè)備效率低。主要技術(shù)途徑有3條，即利用高效曝氣設(shè)備進行替換，表面曝氣替換為底部微孔曝氣，開展間歇曝氣和精確曝氣。

關(guān)鍵詞：污水處理廠；節(jié)能降碳；曝氣系統(tǒng)；間歇曝氣；精確曝氣

中圖分類號：X703 文獻標識碼：A 文章編號：1008-9500（2024）06-0-05

DOI：10.3969/j.issn.1008-9500.2024.06.066

Review of Energy Conservation and Carbon Reduction in Aeration Systems of Sewage Treatment Plants

CUI Dandan1， YIN Huasheng2，3， XIONG Haitao2，3

（1. Changsha Liantai Water Purification Co.， Ltd.; 2. Hunan Academy of Building Research Co.， Ltd.;

3. Hunan Provincial Trenchless Engineering Technology Research Center， Changsha 410011， China）

Abstract： The energy-saving of aeration system is the key to carbon reduction in sewage treatment plants， and studying the energy-saving of aeration system is of great significance for promoting carbon reduction in the sewage treatment industry. The reasons for the high energy consumption of aeration systems is analyzed in sewage treatment plants in China， and the main technical approaches for energy conservation are summarized in aeration systems， thus providing reference for low-carbon operation of aeration systems in sewage treatment plants. After analysis， there are three main reasons， namely low inlet load， unreasonable configuration of aeration equipment and push flow mixing equipment， and low efficiency of aeration equipment. There are three main technical approaches， namely using high-efficiency aeration equipment for replacement， replacing surface aeration with bottom microporous aeration， and carrying out intermittent aeration and precise aeration.

Keywords： sewage treatment plant; energy conservation and carbon reduction; aeration system; intermittent aeration; accurate aeration

截至2020年底，我國縣級以上城市污水處理廠有4 326座，年處理污水655.9億m3，年消耗的電量為337.7億kW·h，占社會用電量的0.45%[1]。2020年，我國執(zhí)行《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》（GB 18918—2002）一級A及一級A以上排放標準的污水處理廠的單位水量電耗為0.405 kW·h/m3，執(zhí)行一級A以下標準的污水處理廠的單位水量電耗為0.375 kW·h/m3[1]，比發(fā)達國家的平均單位水量電耗高很多[2]。我國污水處理廠平均進水污染物濃度不到發(fā)達國家的50%[3]，但單位污染物消減電耗至少比發(fā)達國家高出100%。所以，我國污水處理廠的節(jié)能降碳空間還很大。

污水處理廠的碳排放包括直接排放和間接排放，根據(jù)《污水處理廠低碳運行評價技術(shù)規(guī)范》（T/CAEPI 49—2022），污水處理廠的直接碳排放主要包括CH4、N2O和消耗石化燃料產(chǎn)生的CO2，間接碳排放包括外購的電能、熱能和化學藥劑所對應(yīng)的碳排放量[4]。根據(jù)聯(lián)合國政府間氣候變化專門委員會（Intergovernmental Panel on Climate Change，IPCC）的定義，污水處理生物降解過程排放的CO2不計入碳排放范圍[5]。污水處理廠碳排放要素中，比例最高的是電耗。蔣富海等[6]以10座污水處理廠為樣本，研究發(fā)現(xiàn)，電耗的碳排放量貢獻權(quán)重為31%～64%。胡香等[7]對巢湖流域22座污水處理廠的碳排放進行統(tǒng)計，研究發(fā)現(xiàn)，電耗引起的碳排放占比為61.55%～73.56%。污水處理廠進水濃度越低，出水標準越高，直接碳排放特別是電能消耗產(chǎn)生的碳排放占比越高。曝氣系統(tǒng)消耗的電能占污水處理廠電耗的50%以上[8-9]。曝氣系統(tǒng)的運行效果直接影響污水處理廠脫氮除磷效果，若曝氣過量，則會導致污水內(nèi)源性碳源的不必要消耗，導致生物脫氮除磷效率的降低，需要的外加碳源和除磷藥劑投加量增加，導致藥耗產(chǎn)生的碳排放量增加。所以，曝氣系統(tǒng)節(jié)能是污水處理廠碳減排的關(guān)鍵，研究曝氣系統(tǒng)的節(jié)能技術(shù)具有重要意義。

1 我國污水處理廠曝氣系統(tǒng)能耗偏高的原因

1.1 實際進水負荷低于設(shè)計進水負荷

進水負荷低包括進水量小和進水濃度低兩種情況。進水負荷低是導致曝氣系統(tǒng)過量曝氣的重要原因。過量曝氣不僅導致電耗偏高，還會造成污水中的內(nèi)源碳源被過度消耗，并造成厭氧池、缺氧池溶解氧濃度偏高，影響脫氮除磷效果，這就需要投加更多的碳源和除磷藥劑，使藥劑投加引起的碳排放量增加。

1.1.1 進水量小

一般來說，在污水處理廠剛建成的前幾年，由于城市發(fā)展滯后或污水管網(wǎng)建設(shè)滯后，進水量難以達到設(shè)計規(guī)模。此外，在合流制城區(qū)或雨污混接嚴重的城區(qū)，旱天污水量比雨天污水量小很多，水量波動大，這就需要更精確地調(diào)節(jié)和控制曝氣量，否則很容易導致低水量時曝氣過量，影響脫碳除磷效果，導致電耗和藥耗的增加。長沙市旱季和雨季污水處理量的變化如圖1所示。雨季污水處理量比旱季大30%～40%，季節(jié)性因素引起污水處理量變化，這就需要更精確地調(diào)控曝氣系統(tǒng)。

1.1.2 進水濃度低

我國城鎮(zhèn)污水處理廠實際進水污染物濃度普遍遠比設(shè)計值低。在污水處理廠設(shè)計中，設(shè)計進水水質(zhì)一般是按中遠期污水管網(wǎng)完善情況考慮的，根據(jù)《室外排水設(shè)計標準》（GB 50014—2021），生活污水的五日生化需氧量（Biochemical Oxygen Demand after 5 days，BOD5）按40～60 g/（人·d）計算[10]，一般取40 g/（人·d），大部分城市人均污水排放量為200～350 L/（人·d），設(shè)計BOD5濃度一般在110～200 mg/L。據(jù)統(tǒng)計，我國68%的污水處理廠的實際年均進水BOD5低于100 mg/L，其中40%的污水處理廠年均進水BOD5濃度小于50 mg/L[3]。從進水濃度與所需曝氣量看，我國大部分污水處理廠的曝氣系統(tǒng)在設(shè)計上存在“大馬拉小車”的情況，即配置的曝氣設(shè)備風量大，實際所需風量小。曝氣設(shè)備“大馬拉小車”的配置極易導致曝氣過量，增加能耗。

1.2 曝氣設(shè)備臺數(shù)配置不合理

由于未考慮在實際運行中低進水負荷比較多的情況，很多污水處理廠在設(shè)計曝氣設(shè)備臺數(shù)時存在配置不合理的問題。例如，很多中小型污水處理廠在鼓風機房的設(shè)計中通常采用2臺常用、1臺備用（共3臺）的方式配置鼓風機，這是在設(shè)計水量和設(shè)計進水水質(zhì)條件下的最優(yōu)方案。但在低進水負荷條件下，開啟1臺風機并按最小風量運行，也可能出現(xiàn)曝氣過量，增加電耗。通過加裝變頻器或其他調(diào)節(jié)手段減小風機的供氣量，可以避免曝氣過量，但是這些措施也會導致鼓風機運行工況偏離高效區(qū)間，導致效率降低和能源浪費。在污水處理廠進水污染物濃度普遍偏低的情況下，應(yīng)考慮采用增加風機臺數(shù)、減小單臺風機風量的策略配置風機，以滿足在污水處理廠低進水水質(zhì)或低進水量時段的風量調(diào)節(jié)需要。另外，以前我國經(jīng)濟條件較差，而高性能鼓風機需要進口，為節(jié)省投資，一般采用風機臺數(shù)較少的方案。隨著國產(chǎn)高性能鼓風機技術(shù)的成熟，高性能鼓風機的價格已經(jīng)下降很多。所以，現(xiàn)在具有實施鼓風機配置優(yōu)化的條件，以實現(xiàn)節(jié)能降碳。

1.3 曝氣設(shè)備效率低

一些污水處理廠建成時間較早，在當時技術(shù)水平下，選用的曝氣設(shè)備效率低，能耗高。從現(xiàn)在的技術(shù)和節(jié)能標準看，羅茨鼓風機、多級低速離心鼓風機、轉(zhuǎn)碟曝氣機、轉(zhuǎn)刷曝氣機等設(shè)備都屬于效率較低的曝氣設(shè)備，它們的效率一般只有40%～65%，比目前較先進的高速離心鼓風機效率低15%～40%。此外，部分污水處理廠采用底部微孔曝氣的厭氧-缺氧-好氧（Anaerobic-Anoxic-Oxic，A2O）工藝、缺氧好氧（Anoxic Oxic，AO）工藝等，曝氣器老化、堵塞等原因也將導致充氧效率降低、阻力增大，增大鼓風機的能耗。

1.4 生化池的推流攪拌器設(shè)置不合理

在表面曝氣氧化溝工藝中，表面曝氣機不僅具有曝氣功能，還有攪拌推流功能。在設(shè)計進水負荷條件下，這是很合理的設(shè)計方案。但是，在低進水負荷情況下，可能需要減少曝氣量或停止曝氣，但為了防止污泥沉降或泥水分離，氧化溝必須保持足夠的推流速度，曝氣機不得不繼續(xù)開啟，因而造成過量曝氣，導致脫氮除磷效果差和電能浪費。為了在低進水負荷時更節(jié)能地運行，氧化溝應(yīng)該合理設(shè)置推流器。

A2O工藝和AO工藝的好氧池一般按滿池布置微孔曝氣器，不設(shè)置推流器，所以需要依靠足夠的曝氣量來保證不發(fā)生泥水分離或污泥沉降現(xiàn)象。在低進水負荷條件下，為避免過量曝氣，要減小曝氣量或間歇曝氣。但是，這種運行方式容易發(fā)生污泥沉降或泥水分離現(xiàn)象，影響處理效果。為了在低進水負荷下更節(jié)能地運行，A2O工藝和AO工藝的好氧池應(yīng)該合理地增加推流器。

2 污水處理廠曝氣系統(tǒng)節(jié)能降碳的技術(shù)途徑

2.1 高效曝氣設(shè)備替換

對于還在使用效率較低的羅茨鼓風機、多級低速離心鼓風機、轉(zhuǎn)碟曝氣機和轉(zhuǎn)刷曝氣機等曝氣設(shè)備的污水處理廠，或曝氣設(shè)備已經(jīng)嚴重老化、效率下降嚴重的污水處理廠，應(yīng)從節(jié)能降碳的角度對老舊低效曝氣設(shè)備進行能效評估，及時更換節(jié)能效果好的新型高效曝氣設(shè)備。當前，大型污水處理廠使用的單級高速鼓風機、磁懸浮鼓風機和空氣懸浮鼓風機等高速風機的效率一般介于80%～85%。但是，目前市場上還沒有小功率的高速離心鼓風機產(chǎn)品，規(guī)模在2 000 m3/d以下的污水處理廠依然只能使用效率較低的羅茨鼓風機等曝氣設(shè)備，這些曝氣設(shè)備的效率一般只有40%～65%，還有很大的節(jié)能空間。所以，研發(fā)更高效的小型曝氣設(shè)備對小型污水處理廠的節(jié)能降碳很有意義。

2.2 表面曝氣改為底部微孔曝氣

在水深合適的情況下，底部微孔曝氣比表面曝氣更節(jié)能。因此，把氧化溝的曝氣方式由表面曝氣改為底部微孔曝氣，可以帶來較好的節(jié)能效果。從已實施表面曝氣改為底部微孔曝氣的改造項目看，這種改造不僅取得較好的節(jié)能降耗效果，還提高生物脫氮除磷效率。陳超[11]研究指出，某污水處理廠將表面曝氣改為底部微孔曝氣，改造后，污水處理廠總電耗降低24.7%，氨氮、化學需氧量和總磷的去除率分別提高30.39%、5.39%與2.09%。謝繼慈等[12]研究指出，某污水處理廠將表面曝氣改為底部微孔曝氣，改造后，污水處理廠能耗節(jié)省0.09～0.12 kW·h/m3水，生物脫氮除磷效率顯著提高。在底部微孔曝氣中，氧的傳遞效率與水深呈線性正相關(guān)，當水深小于某一臨界值時，底部微孔曝氣的效率反而比表面曝氣更低。一般認為，水深大于4 m是氧化溝適合改成底部微孔曝氣的一個條件。

2.3 間歇曝氣技術(shù)

對于進水濃度較低的污水處理廠，采用連續(xù)流間歇曝氣可以很好地解決過量曝氣導致的脫氮除磷效果差和能耗高的問題。連續(xù)流間歇曝氣是指生化池處于連續(xù)進水和連續(xù)出水狀態(tài)，曝氣系統(tǒng)按周期性的曝氣/停止曝氣方式運行。1986年，ARAKI等[13]進行氧化溝間歇曝氣脫氮的研究，之后很多學者做了氧化溝連續(xù)流間歇曝氣的試驗研究。侯紅勛等[14]在污水處理廠（設(shè)計處理規(guī)模10萬m3/d）進行氧化溝間歇曝氣的生產(chǎn)性試驗，采用連續(xù)流間歇曝氣的方式運行后，總氮和總磷的去除率提高20%和49%，全廠能耗節(jié)省21%。何全等[15]在污水處理廠（設(shè)計處理規(guī)模4萬m3/d）進行氧化溝間歇曝氣的生產(chǎn)性對比試驗，氧化溝按曝氣2 h、停止曝氣2 h的方式運行，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在冬季低溫條件下，相比連續(xù)曝氣方式，采用連續(xù)流間歇曝氣運行，曝氣系統(tǒng)能耗節(jié)省42%，總氮去除率提高9.6%，總磷去除率提高6.9%。鄭琬琳等[16]在污水處理廠（設(shè)計處理規(guī)模4萬m3/d）進行連續(xù)流間歇曝氣運行的生產(chǎn)性試驗，A2O池改為連續(xù)流間歇曝氣方式（曝氣3 h，停止曝氣3 h）運行后，污水處理廠出水水質(zhì)依然可以穩(wěn)定達標，并節(jié)省18.3%的電耗。目前，連續(xù)流間歇曝氣運行的工程應(yīng)用案例還不多，還有一些技術(shù)難題需要解決。

對于采用底部微孔曝氣的A2O工藝來說，限制連續(xù)流間歇曝氣推廣應(yīng)用的原因有兩點。一是高速離心鼓風機在啟動時會產(chǎn)生高分貝、尖銳的噪聲，按連續(xù)流間歇曝氣方式運行，頻繁啟停會產(chǎn)生噪聲而擾民。二是如果按間歇曝氣方式運行，空氣懸浮鼓風機和磁懸浮鼓風機頻繁啟停，會造成風機的無接觸懸浮軸承頻繁與殼體接觸，容易引發(fā)懸浮軸承受損，提高故障率，甚至影響風機壽命。

氧化溝和A2O工藝采用連續(xù)流間歇曝氣時，應(yīng)充分考慮好氧池在停止曝氣階段的推流速度，必要時應(yīng)考慮增加推流攪拌器，以防止污泥沉降或泥水分離。在停止曝氣階段，出水氨氮濃度上升很快，容易出現(xiàn)氨氮超標。因此，要更加深入地開展研究，科學地設(shè)置和及時調(diào)整曝氣/停止曝氣的周期，更好地提高節(jié)能降耗效果和污染物去除效果，避免出現(xiàn)出水氨氮瞬時超標現(xiàn)象。

污水處理廠擔心采用連續(xù)流間歇曝氣可能導致出水氨氮瞬時值超標，這是限制連續(xù)流間歇曝氣推廣應(yīng)用的主要原因。2022年1月，生態(tài)環(huán)境部辦公廳發(fā)布《關(guān)于征求〈城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準〉（GB 18918—2002）修改單（征求意見稿）意見的函》[17]，本次修改內(nèi)容主要是增加一次監(jiān)測最高允許排放濃度，該一次監(jiān)測最高限值在原日均值基礎(chǔ)上有了大幅提高，但日均值仍然維持不變。例如，一級A排放標準的氨氮一次檢測值低于10 mg/L（水溫低于12 ℃時為15 mg/L），日均濃度低于5 mg/L（水溫低于12 ℃時為8 mg/L），則仍然可認定出水氨氮達標。若該修改單最終能發(fā)布實施，則有利于解決連續(xù)流間歇曝氣造成瞬時氨氮超標的監(jiān)管問題，有利于氧化溝工藝連續(xù)流間歇曝氣的推廣應(yīng)用。

2.4 精確曝氣技術(shù)

污水處理廠的水量和進水濃度波動較大，同一天的不同時間段差別也很大，所需曝氣量隨水量和水質(zhì)而波動。如果只依靠人工經(jīng)驗調(diào)節(jié)曝氣系統(tǒng)曝氣量，就很難做到精確，甚至會影響水質(zhì)穩(wěn)定達標。隨著大數(shù)據(jù)和人工智能的發(fā)展，人們提出污水處理廠精確曝氣的理念。精確曝氣技術(shù)已經(jīng)在一些污水處理廠有了應(yīng)用，曝氣系統(tǒng)節(jié)能率一般為10%～20%[18]。如果精確曝氣與其他工藝改造相結(jié)合，就可以取得更好的處理效果。朱潔等[19]對某污水處理廠多段AO工藝進行精確曝氣改造，曝氣系統(tǒng)節(jié)能率可達49.8%。精確曝氣和智能曝氣是未來污水處理廠節(jié)能降碳的重要發(fā)展方向。目前，精確曝氣和智能曝氣在數(shù)據(jù)采集分析的實時性、準確性方面還存在不足，需要更多的技術(shù)突破，風機、閥門的實時精準調(diào)控和氣量精準分配等還需要更多的研究與突破。

3 結(jié)語

曝氣系統(tǒng)的節(jié)能是污水處理廠碳減排的關(guān)鍵。污水處理廠進水負荷偏低是我國污水處理廠曝氣系統(tǒng)能耗偏高的主要原因。污水處理廠進水負荷偏低容易導致過量曝氣，既浪費電能，還導致電耗和藥耗的碳排放增加。曝氣系統(tǒng)能耗高的其他原因還包括曝氣設(shè)備老化低效、曝氣設(shè)備和推流攪拌設(shè)備配置不合理等。采用高效曝氣設(shè)備替換低效曝氣設(shè)備，利用底部微孔曝氣替代表面曝氣，運用連續(xù)流間歇曝氣、精確曝氣等技術(shù)方法是實現(xiàn)污水處理廠曝氣系統(tǒng)節(jié)能降碳的有效手段。

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作者簡介：崔丹丹（1980—），女，湖北鐘祥人，碩士，高級工程師。研究方向：生活污水處理理論與技術(shù)。

通信作者：尹華升（1979—），男，湖南隆回人，碩士，教授級高級工程師。研究方向：水污染防治理論與技術(shù)。