城镇污水收集处理系统在提质增效过程中如何节能减排？
污水处理厂电费约占日常运行费的40%，近年来，许多地方大力推进城镇污水处理厂提标改造，进一步增加了电耗，提高日常运行费用。分析了近10年城镇污水处理厂的运行数据，基于产污系数法测算了城镇污水处理厂提标到地表水准Ⅳ类标准和改善污水收集管网两种情形下削减BOD及新增能耗。结果显示，若将全国城镇污水处理厂全部提标到准Ⅳ类，可新增BOD削减7.75万t/年,同时新增能耗202100万kW·h/年;若将全国污水管网进行修复改善，可新增BOD削减量306万t/年，同时新增能耗245170万kW·h/年，通过提高进水浓度新增的BOD削减量，其单位能耗仅为目前单位BOD消减所需能耗的约1/2，节能效果显著。
1研究背景
截至2010年底我国污水污泥处理产生的能耗已达到全国总能耗的1%。近年来，随着人民群众对美好生活环境的需求增加，我国城镇污水处理规模不断增加，目前处理能力已由2010年的1.2亿m³/d提升到2亿m³/d，《水污染防治行动计划》明确要求要因地制宜对现有城镇污水处理设施进行改造，2020年底前达到相应排放标准或再生利用要求，现行《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB18918-2002)也启动了修订计划，拟在一级A标准基础上对部分指标再做提升。北京市是较早一批提出污水处理厂提标改造的城市，2013年北京市制定了加快污水处理和再生水利用设施建设三年行动方案(2013~2015)，2016年又提出了第二个三年行动方案，提出结合管网建设，开展污水处理提标改造，推进河道黑臭水体整治。污水处理厂出水执行标准的提升等一系列工作将直接提高污水处理能耗。污水处理厂能耗的90%主要用于曝气、污水推流等生化处理，污水提升和污泥处理等。此前，也有较多关于污水处理厂节能降耗方面的研究，但大都侧重于污水处理厂内，本文从城镇生活污水收集管网提质增效出发，从污水收集处理系统分析其对电耗的影响，并由此探讨污水处理费制定标准。
2研究对象和方法
结合全国城镇污水处理管理信息系统数据及公开发表的相关文献，对近10年城市(不含县城)城镇污水处理厂能耗进行分析，估算不同工艺、排放标准、处理规模，进水浓度对处理能耗的影响，进而提出在以绿色、可持续发展为理念的城市水环境提升过程中，污水收集处理所需要关注的内容。
2.1影响污水处理厂能耗参数分析
根据全国城镇污水处理管理信息系统数据，剔除没有标明处理工艺、进水量不稳定以及规模小于1万m³/d的污水处理厂进行了梳理(以下简称“规模以上”)。经分析，从2008~2017年，不同生物处理工艺、规模的污水处理厂数量情况如表1所示。
提升污水处理厂进水BOD浓度，在同等曝气强度下BOD负荷将提高，在保证出水水质达标的情况下，处理单位BOD能耗会有所下降。本文对2017年地级城市的1548座污水处理厂运行情况进行比较，按照出水水质情况，结合网上公开的信息，对污水处理厂出水执行标准进行校正，分析不同出水执行标准、进水浓度对能耗的影响。由于BOD更能反映生活污水实际情况，因此本文以BOD浓度作为主要水质参数，计算出不同进水BOD浓度(每10mg/L为一档)吨水能耗，分析进水浓度和吨水能耗的关系，以此计算每座城镇污水处理厂(对应城市理论污水BOD浓度)能耗增加量，见表2、图1。
2.2城镇污水处理厂提标改造能耗分析
新增BOD消减能力理论值=(目前排放浓度-改造后排放浓度)×城镇污水处理厂规模(1)
新增能耗估算=(改造后预估吨水能耗-目前吨水能耗)×城镇污水处理厂规模(2)
2.3以管网为核心的污水处理系统提质增效对能耗的影响
参照《第一次全国污染源普查城镇生活源产排污系数手册》，计算出每个城市产生的生活污水BOD浓度，并考虑在污水管网输送过程中10%的降解，以此为基础，将每座污水处理厂按照实际处理水量加权平均后，作为该省份的理论进水浓度。
按照进水BOD浓度与吨水能耗的关系方程，推算出每座污水处理厂进水新增能耗，对于进水BOD不小于理论值的，不计算新增能耗。计算见式(3)：
城镇污水处理厂新增能耗估算=0.0008×(理论进水BOD浓度-目前进水BOD浓度)(3)
3结果分析
3.1城镇污水处理厂能耗分析
近几年污水处理厂出水水质要求越来越高，从统计结果来看，2008年到2017年污水处理厂年均吨水耗电量从0.24kW·h/m³上升到了2017年的近0.3kW·h/m³，且主要是从2013年开始出现较为明显的上涨趋势。从统计分析结果来看，随着吨水耗能的提升，吨水COD的削减未能提高，反而有不断下降的趋势，从2008年的0.28kg/m³下降到2017年的0.26kg/m³。这些新增的能耗一方面用于AAO新增的消毒、污泥消化等耗能环节，另一方面用于城镇污水处理厂提标改造后，出水水质提升。而吨水COD削减量降低，主要是由于近年来地方环境督查压力大，很多地方沿河截污等措施把河水等一起截进污水处理厂，另一方面管网质量差，特别是地下水位高的地区，地下水挤占管网，导致污水处理厂清汤寡水，同时，近年来部分地区将工业废水逐渐从城镇污水处理系统中拨离出来，部分城镇污水处理厂的进水COD浓度会减少。
经对比分析发现，处理量小于5万m³/d的小规模污水处理厂，其吨水能耗明显高于5万m³/d的中、大规模污水处理厂，这与此前的研究结果基本一致。但是，小型污水处理厂与中大型污水处理厂的吨水能耗差是在逐渐缩小，特别是在2012~2015年中大型城镇污水处理厂能耗增加量要明显快于小型污水处理厂。对于中大型城镇污水处理厂是监管的重点，也是最先进行提标改造的对象，出水水质都有更高的要求，单位污水处理能耗也会随之提高。同时随着城镇污水处理厂相关技术的成熟，小型污水处理厂单位能耗基数大，节能效果会比较明显，见图2。
而对于不同工艺来看(图3、图4)，从2009~2017年，SBR工艺的吨水能耗相对较低，但是规模多为中小型;其次为AAO工艺，占现运行城镇污水处理厂的近1/3，也是很多大型污水处理厂较为常用的工艺，不同规模单位能耗差异也较大。对比2009年及2013年的数来看，AAO、氧化沟、SBR等传统工艺，不同规模污水处理厂之间吨水能耗也明显缩减。现阶段，很多污水处理厂提标改造，原有的工艺经过提标改造后很多都结合了MBR等新工艺，如北京的肖家河污水处理厂，由原来的AAO工艺，转变为AAO+MBR的模式，出水水质达到准Ⅳ类。
3.2不同出水标准对能耗的影响分析
依据表3估算结果，若污水处理厂全面提标到准Ⅳ类，新增能耗需20.1亿kW·h/年，较现用电量增加24%，而BOD削减量仅增加1%。
如表4所示，改造污水管网提高进水浓度，污水处理厂新增BOD消减量306万t/年，较现有处理量提升60%;新增能耗约24.5亿kW·h/年，较现用电量增加29%，其单位BOD消减量所用能耗约为现在的1/2。从表4数据来看，南方城市，进行管网进行改造后，对BOD进水浓度的提升效果更因为显著。而北京、内蒙、甘肃、新疆等省市，平均BOD进水浓度基本接近理论值，仅个别污水处理厂进水浓度还需进一步提升。
4讨论
4.1厂网一体的运营模式对污水收集处理能效分析
2010年以来，北京实行厂网一体化运营管理模式，通过实行厂网一体的模式，激发运营单位做好管网的日常维护，从而有效控制污水外渗，清水渗入管内，从而提升污水收集处理效能。选取了北京市5座从2008~2017年数据相对完整，且已实行厂网一体运行的污水处理厂进行分析，发现这些污水处理厂的进水浓度相较为实现厂网一体运营的污水处理厂，其进水水质及水量相对更为稳定，且BOD浓度也与理论值基本相符(见图5)。同时，这种厂网一体的运营模式，在雨天通过合理调度，还能有效应对汛期因排水不畅而形成城市内涝等问题。实现“水质保障、水量均衡、水位预调”的系统化运营，从而进一步有效利用管网，还能减少雨天对污水处理厂的冲击。
4.2污水处理运营成本分析
污水管网改造及日常运营费用分析见表5。在不新增管网、不新建污水厂的前提下，若将现有城市污水处理厂均提标到，一级A标准执行，按照平均运营成本是1.50元/m³计算，加上改造已有管线折合吨水费用为0.22元/m³(按照30年使用寿命折算)以及每年管网维护费用0.15元/m³，污水处理费用将达到1.87元/m³。若加上管网建设费用，吨水运营成本将再增加1.24～1.64元/m³。对于一些执行更高标准的污水处理厂(准Ⅳ类)，提标改造费用折合后吨水处理费用增加0.05元/m³(按照500元/m³改造费用，使用寿命30年折算)，吨水能耗将增加10%，按照1元/(kW·h)计算，同时，能耗占污水处理厂日常运行费用的40%，相应折算日常运行费用至少增加0.12元/m³，执行准Ⅳ类标准的污水处理厂运营费用至少为2.04元/m³(不包含管网建设费用)。
2015年，发改委印发《关于制定和调整污水处理收费标准等有关问题的通知(发改委2015)》)中规定我国污水处理费征收标准将上调至2016年底居民价格应不低于0.95元/m³，非居民价格应不低于1.4元/m³。北京市2018年出台了《污水处理费征收使用管理办法》，明确将用于污水管网、污水处理设施的建设和运行以及污泥处理处置，目前北京市的污水处理费为1.7元/m³，远高于全国平均水平。按照现行污水处理费征收标准，很多污水处理费是难以覆盖整个污水收集处理系统运营费用的，污水处理厂的运行仍需要依靠政府补贴。
5对策和建议
(1)从源头削减污染物。应运用海绵城市理念，对建筑小区、道路、广场综合采用“渗、滞、蓄、净、用、排”等进行改造，从源头上尽可能的消纳地表径流，减少污染物进入水体造成水体水质恶化;进行消峰、错峰，减少排水管网的负荷及对污水处理厂的冲击。
(2)加快以管网改造，推进厂网一体化。管网的收集水平对整个污水处理系统起着核心的作用，特别是对于南方河网、地下水位较高、丰水的地区，要加强对现有管网的改造，防止清水进入污水管网。同时可以通过推进厂网一体的运营模式，加快建立起管网的日常运维机制，保障管网能高效运行。
(3)合理调整污水处理费。从本文分析来看，若采用厂网一体的模式，一方面有效提高污水处理厂进水浓度，另一方面能较好的调度污水、雨水，实现污水处理厂效能提升，在提升水环境质量和节能减排都能起到关键性作用，而管网修建、管理的费用是整个污水体制增效的重要部分，因此，需建立与之相适应的污水处理费征收体系，逐步提高生活污水处理费，应补偿到正常运营并合理盈利，进而推进厂网一体化运作模式。
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