城鎮污水收集處理系統在提質增效過程中如何節能減排？
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年城鎮污水處理廠的運行數據，基于產污系數法測算了城鎮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兩種情形下削減BOD及新增能耗。結果顯示，若將全國城鎮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，節能效果顯著。
1研究背景
截至2010年底我國污水污泥處理產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境的需求增加，我國城鎮污水處理規模不斷增加，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有城鎮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，現行《城鎮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，提出結合管網建設，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，也有較多關于污水處理廠節能降耗方面的研究，但大都側重于污水處理廠內，本文從城鎮生活污水收集管網提質增效出發，從污水收集處理系統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
結合全國城鎮污水處理管理信息系統數據及公開發表的相關文獻，對近10年城市(不含縣城)城鎮污水處理廠能耗進行分析，估算不同工藝、排放標準、處理規模，進水濃度對處理能耗的影響，進而提出在以綠色、可持續發展為理念的城市水環境提升過程中，污水收集處理所需要關注的內容。
2.1影響污水處理廠能耗參數分析
根據全國城鎮污水處理管理信息系統數據，剔除沒有標明處理工藝、進水量不穩定以及規模小于1萬m³/d的污水處理廠進行了梳理(以下簡稱“規模以上”)。經分析，從2008~2017年，不同生物處理工藝、規模的污水處理廠數量情況如表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，按照出水水質情況，結合網上公開的信息，對污水處理廠出水執行標準進行校正，分析不同出水執行標準、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濃度作為主要水質參數，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系，以此計算每座城鎮污水處理廠(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)×城鎮污水處理廠規模(1)
新增能耗估算=(改造后預估噸水能耗-目前噸水能耗)×城鎮污水處理廠規模(2)
2.3以管網為核心的污水處理系統提質增效對能耗的影響
參照《第一次全國污染源普查城鎮生活源產排污系數手冊》，計算出每個城市產生的生活污水BOD濃度，并考慮在污水管網輸送過程中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結果分析
3.1城鎮污水處理廠能耗分析
近幾年污水處理廠出水水質要求越來越高，從統計結果來看，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年開始出現較為明顯的上漲趨勢。從統計分析結果來看，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、污泥消化等耗能環節，另一方面用于城鎮污水處理廠提標改造后，出水水質提升。而噸水COD削減量降低，主要是由于近年來地方環境督查壓力大，很多地方沿河截污等措施把河水等一起截進污水處理廠，另一方面管網質量差，特別是地下水位高的地區，地下水擠占管網，導致污水處理廠清湯寡水，同時，近年來部分地區將工業廢水逐漸從城鎮污水處理系統中撥離出來，部分城鎮污水處理廠的進水COD濃度會減少。
經對比分析發現，處理量小于5萬m³/d的小規模污水處理廠，其噸水能耗明顯高于5萬m³/d的中、大規模污水處理廠，這與此前的研究結果基本一致。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。對于中大型城鎮污水處理廠是監管的重點，也是最先進行提標改造的對象，出水水質都有更高的要求，單位污水處理能耗也會隨之提高。同時隨著城鎮污水處理廠相關技術的成熟，小型污水處理廠單位能耗基數大，節能效果會比較明顯，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，但是規模多為中小型;其次為AAO工藝，占現運行城鎮污水處理廠的近1/3，也是很多大型污水處理廠較為常用的工藝，不同規模單位能耗差異也較大。對比2009年及2013年的數來看，AAO、氧化溝、SBR等傳統工藝，不同規模污水處理廠之間噸水能耗也明顯縮減。現階段，很多污水處理廠提標改造，原有的工藝經過提標改造后很多都結合了MBR等新工藝，如北京的肖家河污水處理廠，由原來的AAO工藝，轉變為AAO+MBR的模式，出水水質達到準Ⅳ類。
3.2不同出水標準對能耗的影響分析
依據表3估算結果，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，改造污水管網提高進水濃度，污水處理廠新增BOD消減量306萬t/年，較現有處理量提升60%;新增能耗約24.5億kW·h/年，較現用電量增加29%，其單位BOD消減量所用能耗約為現在的1/2。從表4數據來看，南方城市，進行管網進行改造后，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，北京實行廠網一體化運營管理模式，通過實行廠網一體的模式，激發運營單位做好管網的日常維護，從而有效控制污水外滲，清水滲入管內，從而提升污水收集處理效能。選取了北京市5座從2008~2017年數據相對完整，且已實行廠網一體運行的污水處理廠進行分析，發現這些污水處理廠的進水濃度相較為實現廠網一體運營的污水處理廠，其進水水質及水量相對更為穩定，且BOD濃度也與理論值基本相符(見圖5)。同時，這種廠網一體的運營模式，在雨天通過合理調度，還能有效應對汛期因排水不暢而形成城市內澇等問題。實現“水質保障、水量均衡、水位預調”的系統化運營，從而進一步有效利用管網，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
污水管網改造及日常運營費用分析見表5。在不新增管網、不新建污水廠的前提下，若將現有城市污水處理廠均提標到，一級A標準執行，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(不包含管網建設費用)。
2015年，發改委印發《關于制定和調整污水處理收費標準等有關問題的通知(發改委2015)》)中規定我國污水處理費征收標準將上調至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、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、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惡化;進行消峰、錯峰，減少排水管網的負荷及對污水處理廠的沖擊。
(2)加快以管網改造，推進廠網一體化。管網的收集水平對整個污水處理系統起著核心的作用，特別是對于南方河網、地下水位較高、豐水的地區，要加強對現有管網的改造，防止清水進入污水管網。同時可以通過推進廠網一體的運營模式，加快建立起管網的日常運維機制，保障管網能高效運行。
(3)合理調整污水處理費。從本文分析來看，若采用廠網一體的模式，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度污水、雨水，實現污水處理廠效能提升，在提升水環境質量和節能減排都能起到關鍵性作用，而管網修建、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，應補償到正常運營并合理盈利，進而推進廠網一體化運作模式。
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