中国城镇污水处理厂运行能耗影响因素研究
任福民1毛联华2阜葳2杨柳2孟岩2王政1梁锐1向杰1郝慧明1
(1 北京交通大学土木建筑工程学院，北京100044; 2 北京城市排水集团有限责任公司，北京100044)
0前言
城镇污水处理厂作为污染物集中治理单位，在国家污染物减排战略中占有非常重要的地位。由于中国城市污水产生量巨大, 处理量也在不断增加, 污水处理的能耗不容忽视。迄今为止, 中国对污水处理厂节能方面的研究较薄弱,国外虽然有一些相关研究, 但是受地域条件、工艺规模、自动化操作程度等因素的影响, 不能直接借用国外的研究结果。进行污水处理厂能耗规律的识别及其影响因素的分析是实现污水处理厂节能降耗的重要基础。
本文根据我国污水处理行业数据分析和数据挖掘的特点，应用SPSS软件对不同地区污水处理厂处理工艺、规模、进出水浓度及处理量对能耗影响进行研究。分析数据主要来自住建部要求各地污水处理厂自行上报的信息（2011年）。数据覆盖了2011年运行规模1万m3/d以上的城镇污水处理厂1 441座。在分析前，所有数据都经过数据预处理和筛查,数据可信度较高。由于这些数据属于非抽样的普查数据, 因此数据本身可以代表现阶段我国城镇污水处理厂在处理工艺、进出水状况、处理规模等方面的总体情况。
1我国城镇污水处理厂污水处理规模的现状
据住建部全国城镇污水处理厂信息系统数据统计，全国污水处理厂设计规模和实际处理量统计见表1。处理能力小于4万m3/d规模的污水处理厂共889座，总能力2 075万m3/d，占统计数据总能力的25%；处理能力在4万~10万m3/d规模的污水处理厂共406座，总能力2 869万m3/d，占统计数据总能力的35%；处理能力在10万~40万m3/d规模的污水处理厂共127座，总能力2 499万m3/d，占统计数据总能力的30%；处理能力大于40万m3/d规模的污水处理厂共14座，总能力980万m3/d，占统计数据总能力的10%处理能力小于4万m3/d规模的污水处理厂主要分布于全国县级及以下城市；处理能力在4万~10万m3/d规模的污水处理厂主要分布在全国地级城市；处理能力在10万~40万m3/d规模的污水处理厂主要分布在全国36个大中城市；处理能力在40万m3/d以上规模的特大型污水处理厂主要分布在北京、上海、广州等大型城市。
2处理工艺及规模对能耗影响
全国2011年1万m3/d以上规模污水处理厂单位运行电耗小于0.1 kW·h/m3的有24座，大于1.0 kW·h/m3有14座，这些厂数据剔出，实际有1403座厂是有效样本。
全国1万m3/d以上污水处理厂按环评批复的设计排放标准统计, 出水水质执行一级A标准的共177座(占总数的12.3%,总数为1 441座);执行一级B标准的共773座(占总数的53.6%);执行二级标准的共427座(占总数的29.6%);执行三级标准的共6座(占总数的0.4%)；三级以外共57座(占总数的4.0%)。
2011年实际的运行情况:批复出水一级A标准的177座实际出水均达一级A；批复出水一级B标准的737座实际出水达一级A 106座,一级B 628座,二级32座,三级7座；批复出水二级标准的427座实际出水达一级A 19座,一级B 88座,二级226座，三级86座,其他8座出水水质在三级以下。
图1是污水处理厂不同工艺与单位水量电耗、单位COD削减电耗、单位耗氧污染物削减电耗的关系，图2是污水处理厂不同处理规模与单位水量电耗、单位COD削减电耗、单位耗氧污染物削减电耗关系，进行频数分析的累计百分比图,即各百分比逐级加和的结果,更容易从全局看出能耗随规模和工艺变化的趋势和规律，频数分析方法是就样本的统计量去推总体的特征，如果所选择的随机样本具有相当的代表性，调查所得数据即可用于总体的特性。
从图1总体上看，氧化沟工艺的单位水量电耗、单位COD削减电耗、单位耗氧污染物削减电最低，A2/O工艺较低，而SBR工艺和活性污泥工艺较高，两者数值上很接近。
从图2可以看出，当污水处理厂处理工艺不变时，单位水量电耗均值、单位COD削减电耗、单位耗氧污染物削减电耗随着污水处理厂的规模的增大而显著下降。
表2给出污水处理厂不同出水标准时单位耗氧污染物削减电耗情况（不包括污泥处理）。表2中第一行为不区分出水级别的该工艺所有样本数得到的考核的能耗区间。单位耗氧污染物削减电耗上限取80%分位数据，下限取20%分位数据。括号内为样本数。可以得出结论：相同工艺和规模的污水处理厂，因出水水质排放级别不同，单位耗氧污染物削减电耗都随排放级别提高而增加，四种工艺在不同规模下均有此规律。
3全国不同地区污水处理厂污染物削减和能耗情况统计分析
3.1全国不同地区污水处理厂进出水浓度及削减浓度统计分析
采用频数分析和描述性分析方法，对全国污水处理厂进出水浓度及削减浓度进行统计。
（1）统计中90%分位值,是全国污染物削减浓度前10%的污水处理厂，有最高的污染物削减率。
污水处理厂进出口水质及削减浓度（单位： mg/L,下同）大于以下数值：
入口浓度:COD 500、BOD5 250、SS 300、NH3-N 40、TN 40、 TP 6.0；
出口浓度:COD 100、BOD5 30、 SS 30、NH3-N 25、TN 20、TP 3.0；
削减浓度:COD 420、BOD5 220、SS 280、NH3-N 30.0、TN 33.0、TP 4.5。
（2）统计中80%分位值, 是全国污染物削减浓度前20%的污水处理厂，具有较高进水浓度和较高削减能力。污水处理厂进出口水质及削减浓度大于以下数值：
入口浓度:COD 420、BOD5 200、SS 250、NH3-N 35.0、TN 43.6、TP 5.00；
出口浓度:COD 100、BOD5 30、SS 30、NH3-N 15.0、TN 20.0、TP 1.5；
削减浓度:COD 350、BOD5 180、SS 240、NH3-N 25.0、TN 25.0、TP 3.5。
(3)统计中50%~85%分位之间的值, 具有中间偏上的进水浓度和较强的污染物削减能力。污水处理厂进出口水质及削减浓度在以下范围：
入口浓度:COD 350~450、BOD5 160~210、SS 200~300、NH3-N 30~40、TN 35~45、TP 4.0~5.0；
出口浓度:COD 60~100、BOD5 20~30、SS 20~30、NH3-N 8~24.85、TN 17~20、TP 1.0~1.5；
削减浓度:COD 280~390、BOD5 140~190、SS 180~270、NH3-N 17.0~27、TN 15~30、TP 2.5~4.0。
（4）统计中30%~70%分位之间的值, 具有中间的进水浓度和中间的污染物削减能力。污水处理厂进出口水质及削减浓度在以下范围内：
入口浓度:COD 300~400、BOD5 150~200、SS 200、NH3-N 25.0、TN 21.9~40、TP 3.0~4.0；
出口浓度:COD 60、BOD5 20、SS 20、NH3-N 8.0~15.0、TN 0.50~20、TP 1.0~1.5；
削减浓度:COD 240~330、BOD5 130~170、SS 170~220、NH3-N 15.0~22.0、TN 3.0~20.0、TP 2.0~3.0。
（5）统计中40%分位的值, 具有中间偏下的浓度和比较低的削减率。污水处理厂进出口水质及削减浓度小于以下数值:
入口浓度:COD 300、BOD5 160、SS 200、NH3-N 28、TN 30、TP 3.0；
出口浓度：COD 60、BOD5 20、SS 20、NH3-N 8.0、TN 15.0、TP 1.00；
削减浓度：COD 240、BOD5 130、SS 180、NH3-N 15、TN 10.8、TP 2.0。
（6）统计中20%分位值，具有较低的浓度和比较低的削减率。其中这20%的污水处理厂TN未进行检测，未做TN统计。污水处理厂进出口水质及削减浓度小于以下数值:
入口浓度：COD 250、BOD5 130、SS 180、NH3-N 25、TP 3.0;
出口浓度：COD 50、BOD5 20、SS 20、NH3-N 8.0、TP 0.50；
削减浓度：COD 180、BOD5 110、SS 155.0、NH3-N 10、TP 2.50。
进口浓度、削减浓度变化趋势接近，因为都减去相同的出口浓度（排放标准规定）。因而进口浓度与削减浓度考核时取其中一座即可。华北、华东地区污水处理厂具有全国最高的污染物进口浓度，接近50%的污水处理厂COD进口浓度在313~458 mg/L,接近30%的污水处理厂COD进口浓度大于 458 mg/L。华南地区污水处理厂具有全国最低的污染物进口浓度，接近40%的污水处理厂COD进口浓度在250~288 mg/L,接近30%的污水处理厂COD进口浓度大于 288 mg/L。全国污水处理厂进口平均浓度最高与最低之间相差在63~170 mg/L。其他污染物进口浓度具有相同的变化趋势和规律。
对比全国各大区污水进口平均浓度及平均削减浓度，并与全国平均指标比较，总结出污染物削减量从大到小为：华北＞华东＞西北＞东北＞西南＞华中＞华南。
3.2全国不同地区污水处理厂能耗情况的统计分析
对不同地区污水处理厂污染物削减和能耗情况的统计分析，按照我国7个行政地理分区来考察城镇污水处理厂的能耗水平，结果见图3。从图3可看出：
（1）按单位水量电耗，西北最高，华北、华东居第二、三位；华南最低。华中、西南能耗较低，居低能耗的二、三位。
（2）按单位COD削减电耗比排序，则是华南最高，西南次高。这两种排序不一致的原因是：没有考虑NH3-N 削减消耗能量。采用单位耗氧污染物单位削减电耗，则较好反映污水处理厂削减污染物耗能的真实情况。
（3) 地区间能耗值的差异,实质是污染物削减浓度的差异造成的,随COD削减浓度的增加, 单位水量电耗增加,单位COD削减电耗、单位耗氧污染物削减电耗均下降。随NH3 -N 削减浓度增大, 单位水量电耗增加,单位COD削减电耗、单位耗氧污染物削减电耗均上升。
单位耗氧污染物削减电耗和COD及NH3-N削减浓度有关,更好地反映了污水处理厂的污染物削减工作能耗实际,适合作为污水处理厂的绩效考核指标。
削减浓度和进水出水浓度相关,因为出水浓度执行国家排放标准,所以选择进水浓度代替削减浓度,同样可以得出相同结论。
4污水实际处理量与电耗之间的定量关系
通过计算将实际进出水污染物浓度差和污水量转化为实际污染物去除量, 包括COD、BOD5、SS、NH3—N、TN、TP去除量共6个组变量。在此基础上考察污染物实际去除量与电耗之间的定量关系。结果见表3，分别对不同类型污染物的去除量与电耗进行多种函数形式的曲线回归, 均以幂函数形式结果为最优。分别对各污染物去除量与电耗(第1组)及各污染物年均去除量与电耗(第2组)进行幂函数回归分析（剔除各污染物削减量为零的情况）。
第1组方程描述电耗与污染物总去除量的关系, 而第2组方程则描述年均污染物去除量与电耗的关系。方程都能保证在P<005的条件下通过F检验和t检验。观察可见所有幂指数均为负数, 这说明所有污染物去除均存在规模效应，即去除量越大,单位电耗越小。以COD、BOD5、SS、NH3-N、TN、TP等指标表达的污染物去除量与单位电耗之间的幂函数关系式, 同样存在规模效应。
污水处理厂进水COD、BOD5、SS、NH3-N、TN、TP浓度增加，单位水处理电耗均增加，而单位COD削减电耗、耗氧污染物单位电耗均降低。随着COD、BOD5、SS、NH3-N、TN、TP削减浓度增加，单位水处理电耗增加，COD削减电耗、耗氧污染物单位电耗均减少。污水处理厂进水COD浓度增加，耗氧污染物单位电耗增加。进水NH3-N 浓度增加，单位水处理电耗均增加，单位COD削减电耗、耗氧污染物单位电耗均减降低。TN、TP削减浓度增加，单位水处理电耗均增加，单位COD削减电耗、耗氧污染物单位电耗均减降低。
实际处理量对污水处理的能耗存在影响，且随着实际处理量的增高，单位水量电耗随之降低。单位水量电耗对于不同浓度的污水处理能耗不能加以区分，而我国南北方污水水质差异较大，采用单位水量电耗很难反映出各地污水处理厂的实际能耗水平。单位耗氧污染物削减电耗更好反映了污水处理厂的污染物削减能耗实际,适合作为污水处理厂的绩效考核指标。
5结论
（1）影响单位水量电耗、单位COD削减电耗、单位耗氧污染物削减电耗等能耗指标的因素，包括污水厂处理工艺、设计规模、实际排放标准、环评批复标准等。相同工艺和规模的污水处理厂，单位水电耗和单位耗氧污染物削减电耗都随排放级别提高而增加。相同工艺和出水标准、不同规模的污水处理厂，规模越大能耗越小。
（2）华北、华东地区污水处理厂污染物进口浓度相对较高，华南地区最低。不同地区污水处理厂能耗值的差异,实质是污染物削减浓度的差异造成的。单位耗氧污染物削减电耗更好地反映了污水处理厂的污染物削减能耗实际,适合作为污水处理厂的绩效考核指标。
（3）同时增大设计规模和实际处理量时，设计规模相应的电耗降低的速度更快，使实际处理量接近设计规模，是降低能耗的途径之一。
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