AO及AAO污水处理工艺单元运行能耗分析及节能运行策略

1.1 AO及AAO污水处理工艺单元组成

典型的污水处理工艺单元一般由格栅、提升泵站、沉砂池、初沉池、二沉池、污泥处理处置单元、污泥泵组成。

1.2主要能耗点

1.2.1实例概括

为提升研究的实践价值，本文选择了某地采用AAO污水处理工艺的S污水处理厂作为研究对象，该污水处理厂的总处理量为10×104m3/d，为满足当地污水处理需要，污水处理厂采用的AAO污水处理工艺增设了转盘过滤系统(深度处理单元)，并在好氧区中段新建了按照50%填充率投加的人工填料区，好氧区的活性污泥浓度、硝化速率、低温条件下的硝化效果均得到较好保证。

1.2.2能耗点分析

表1 改造前后的各单元能耗比例(%)

表1为S污水处理厂改造前后的各单元能耗比例，由此可直观发现S污水处理厂AAO污水处理工艺单元的能耗点，即进水泵房、曝气系统、污泥处置，因此节能运行改造必须重点围绕进水泵房、曝气系统、污泥处置环节展开。

2.1基本策略

2.1.1充分利用新设备、新技术

(1)变频节能的污水提升泵。AO及AAO污水处理工艺单元的污水提升泵的耗能较高，这是由于污水提升泵的设计往往仅考虑最大流量、扬程等最不利因素，水泵扬程偏高、偏离设计扬程等问题往往因此出现，这不仅会大量浪费电能，电机过热还会直接影响污水提升泵的使用寿命。

因此，本文建议采用变频节能的污水提升泵，由此根据集水池水位、流量变化合理控制泵机转速，即可保证污水提升泵始终处于高效区。适当提高泵前水位也能够较好降低污水泵送过程能耗，这一目的可通过提高污水处理厂前端管网蓄水水位实现，在前端管网的蓄水能力支持下，污水泵送过程能耗可实现20%左右的降低。

(2)高效率新型曝气设备。曝气池的能耗在AO及AAO污水处理工艺单元占比较大，因此本文建议引入高效率新型曝气设备，如新型曝气头、混合曝气方式等，新型曝气头包括淹没式的多孔扩散头或空气喷嘴、可精确控制曝气量的微孔曝气头，配合基于月份、季节、实际的污水处理厂曝气量动态调整，即可有效降低曝气设备能耗;混合曝气方式指的是微孔曝气与机械曝气的结合，这种结合需要将曝气池分为三个部分，依次为入口缺氧区、表面曝气完全混合区、推流式渐减微孔曝气区。

(3)自动控制技术。基于自动控制技术的曝气池供氧系统自动调节同样可较好服务于AO及AAO污水处理工艺单元的节能运行，在现场PLC及相关算法的支持下，自动控制技术可根据曝气池溶解氧浓度自动进行供气量的调整，污水处理的“因变而变”目标也能够由此实现，污水处理厂不仅能够有效降低AO及AAO污水处理工艺单元能耗，其出水水质、经济效益、环境效益也能够得到较好保障。

2.1.2探索、应用低碳处理工艺

低碳处理工艺同样可较好服务于AO及AAO污水处理工艺单元的节能运行，反硝化除磷工艺、自养脱氮工艺、碳源循环利用工艺均属于其中代表，以其中的反硝化除磷工艺为例，该工艺可实现生物脱氮与除磷的合二为一，且多余的COD能够在该工艺支持下转化为CH4能源，在DPB细菌的支持下，反硝化除磷也能够由此同步实现，AO及AAO污水处理工艺的污泥回流量、硝化液回流量均可实现有效降低，低碳处理工艺的节能效果可见一斑。

2.1.3 优化AO及AAO工艺控制系统

为实现AO及AAO污水处理工艺单元节能运行，AO及AAO工艺控制系统的优化同样不容忽视，这一优化需围绕控制系统的结构、算法等方面展开。该典型结构下控制系统的优化需重点关注曝气池的溶解氧设定值、内外回流量、外加碳源投加量、化学除磷药剂投加量，而为了将这种关注转化为合理高效的控制，遗传算法的应用必须得到重视。

2.2 实例分析

2.2.1 进水泵房

S污水处理厂进水泵房的能耗控制可通过充分利用前端管网蓄水能力实现，由此减少泵的开启台数，进水泵房的能耗自然可实现有效降低，AAO污水处理工艺的稳定性与处理效果也能够得到较好保障。

S污水处理厂进水泵房由2台115kW(1用1备)、5台130kW(3用2备)的潜水排污泵组成，采用交替运行发那个是，无无变频控制系统，泵吸水扬程为120kPa。污水处理厂前端管网存在主提升泵站4座，流量总和为19×104m3/d，泵站到污水处理厂最短管道的管径、长度分别为1.5~2m、5km，污水管网坡度为0.05%，因此可确定污水处理厂到4座泵站管道的蓄水能力至少为15×104m3。

表2 S污水处理厂2016年进水泵房能耗

表2为S污水处理厂2016年进水泵房能耗，1、2、9、10、11、12月S污水处理厂进水泵房均开启3台130kW的潜水排污泵，其余月份则开启3台130kW的潜水排污泵及1台115kW的潜水排污泵。而通过前端管网蓄水能力利用，可少运行3、4、5、6、7、8月的1台115kW的潜水排污泵，由此即可实现20%的进水泵吨水耗电量，20%的节能效果证明了提高泵前水位策略的实践应用价值。

2.2.2 曝气系统

S污水处理厂曝气系统存在鼓风机开启完全基于运行管理人员经验问题，进、出水水质变化未得到关注，这种情况属于我国各地污水处理厂出现的普遍性问题，因此本文建议通过变频改造降低曝气系统能耗，这一改造需通过进水水质和水量实现季节性的曝气系统控制。结合S污水厂的进、出水水质核算生物池曝气系统需氧量，即可得出生物池曝气系统节能结果。

2.2.3 污泥处置环节

对于正常运行的AAO污水处理工艺系统来说，进水水质、进水水量、溶解氧、污泥浓度则属于其污水处置环节的主要工艺参数。考虑到进水水质、进水水量无法控制，S污水厂采用了控制污泥浓度的节能运行策略，污泥负荷率为污泥浓度的调控依据，S污水厂的污泥负荷率曾长期控制在0.15kgBOD5/(kgMLSS.d)以下，但由于BOD5的检测耗时较长，这就使得污泥浓度的指导调控较为滞后，AAO污水处理工艺单元的能耗因此受到了较为负面影响。最终，S污水处理厂选择了污泥的COD负荷率作为曝气池内污泥浓度的控制指标，由此控制剩余污泥排放量、回流污泥比，污泥负荷率因此被控制在0.07~0.1kgCOD/(kgMLSS.d)区间，曝气池氧气供应量在表4的基础上实现了进一步降低，降低幅度在10%~20%区间，由此降低的鼓风机能耗必须得到重视。

AO及AAO污水处理工艺单元的节能运行具备较高现实意义，在此基础上，本文涉及的变频节能的污水提升泵、高效率新型曝气设备、自动控制技术、反硝化除磷工艺等内容，则提供了可行性较高的节能运行路径。而为了更好推动我国污水处理事业发展，需要对进水预测模型的建设、工艺沿程测量探头的增设同样更加重视。