一、工藝能耗
1、汙水處理工藝
汙水處理的主要工藝有A/O工藝、A2/O工藝、氧化溝工藝、SBR工藝及由此引發出來的其他改進工藝。
市政汙水處理廠的一般流程是：
進水→粗格柵→汙水提升泵站→細格柵→沉砂池→初次沉澱池→好氧活性汙泥處理→二次沉澱池→消毒池→出水。
汙水處理通常可分為預處理、生化處理和汙泥處理三個單元，見圖2。
預處理單元包括格柵、提升泵、沉砂池等，主要用於汙水的提升及渣、沙等的去除，為生化處理創造條件。
生化處理單元主要包括曝氣系統、迴流系統和二次沉澱池，用於有機物、氨氮等的去除。
汙泥處理單元包括濃縮機、脫水機、出泥泵等，將剩餘汙泥脫水外運。
不同處理單元的構造和執行模式不同，因而其能耗計算就需要根據能耗分佈特點選擇合適的方法。
2、能耗分佈
市政汙水處理廠消耗的能源主要包括電能、燃料及藥劑等潛在能源。
其中，電耗佔總能耗的60%～90% 。
電能的消耗主要用在汙水和汙泥的提升、生物處理的供氧和迴流、汙泥的穩定和處理等方面。
不同地區、不同規模汙水處理廠處理單元的能耗分佈見表1。
由表1可知，生化處理是汙水廠能量消耗的主要部分。
其中，鼓風曝氣能耗最大，一般約佔到50%；
汙水提升過程也是能量消耗的重要環節，其能耗約佔全廠能耗的20%。
因此，汙水提升和鼓風曝氣是需要重點關注的節能環節。
有效降低汙水處理能耗，首先要對耗能分佈、耗能量進行調查分析，並根據不同的處理階段選取相應的能耗計量方法進行評估；
最終，結合不同階段的能耗特點給出行之有效的調整方案。
因而，汙水廠的節能應該從各處理單元與裝置中挖掘並進行最佳化配置。
二、能耗技術方法和公式
汙水處理工藝通常分為預處理、生化處理、汙泥處理這三個單元，每個處理單元的耗能情況不盡相同，需要針對每個單元的工藝執行特點選擇相應的能耗計算方法對其能耗進行評估和預算。
1、預處理單元
汙水提升泵是汙水處理廠預處理單元耗能最大的部分，其電耗約佔全廠電耗的20%。
該部分的能耗計算公式較少，形式也大同小異。
1）汙水提升泵電耗的計算式：
式中：
W表示電機實際電耗，kWh；
ρ為汙水的密度，取1。0×103kg/m3；
g為重力加速度，取9。81m/s2；
Q為汙水泵的實際流量，m3/s；
H為汙水泵的實際工作揚程，m；
η1為水泵的效率，取0。65~0。85；
η2為電機的效率，取0。95。
2）提升泵能量估算公式：
式中：
h為實際汙水提升高度，m；
N為配用電機功率，kW；
r=ρg，取9。8×103N/m3。
式（1）和式（2）計算簡便、準確，在實際工作中應用較為廣泛。
同時可以看出，上述提升泵的實際工作揚程對汙水提升泵能耗計算影響較大。
可以透過降低泵揚程來節能降耗的措施。
另外，採用變頻控制方式控制泵房液位，可以提高泵的工作效率，保證穩定的進水。
2、生化處理單元
汙水處理過程中，生化處理階段能耗最大的是曝氣系統，約佔總能耗的50%。
曝氣系統採用的曝氣方式主要分為兩類：
鼓風曝氣和表面曝氣。
目前，比較常用的曝氣方式是鼓風曝氣。
鼓風曝氣的原理是將壓縮空氣透過管道系統送入池底的空氣擴散裝置，並以氣泡的形式擴散到混合液中，使氣泡中的氧迅速轉移到液相供微生物需要。
因而，要想確定實際執行中曝氣系統的能耗利用效率，就要計算系統供氣量和實際需氧量之間的關係。
1）兩者之比越趨近於1越好，過大耗能較大，過小反而導致出水不達標。
根據曝氣池供氣量GS=R0/0。3EA，延克軍給出了簡化的供氣量計算式：
鼓風曝氣：
表面曝氣：
式中：
α=0。8~0。85；
β=0。9~0。97；
EA為氧轉化效率；
R為任意狀態下的需氧量，m3/h。
式（3）和式（4）簡化了繁瑣的計算環節。
在混合液溫度為15~30℃時，採用上述公式比較簡單，且可使混合液溶解氧濃度保持在1。5~2。0mg/L。
2）然而，對於其他條件下供氣量的計算不適用。
鑑於上述公式的條件限制，綜合表面曝氣和鼓風曝氣裝置豎向位置不同帶來的影響，《給水排水設計手冊》給出了實際傳氧速率N的換算公式：
鼓風曝氣：
表面曝氣：
式中：
N0為標準傳氧速率，kg/h；
CO為混合液剩餘DO值，一般用2mg/L；
T為混合液溫度，一般為5~30℃；
Csm是清水平均溶解氧值，mg/L；
Csw是清水錶面處飽和溶解氧，mg/L；
Csm和Csw可以相互換算：
式中：
Qt為曝氣池逸出氣體中含氧量百分率；
Pb為裝曝氣裝置處的絕對壓力，kg/cm2。
該公式的精度較低，適用於準確度要求不高的工程計算。
（7）的修正公式為：
採用式（7）計算時，鼓風機功率及曝氣裝置數量均大於採用式（8）的計算值，將造成工程投資及執行費用的增加。
採用修正後的計算公式，大大降低了工程投資及執行費用。
實際工程設計中可根據供氣量和風壓值計算鼓風機功率：
式中：
Qt為曝氣池逸出氣體中含氧量百分率；
Pb為裝曝氣裝置處的絕對壓力，kg/cm2；
Pa為當地大氣壓力，kg/cm2；
P為鼓風機計算功率，kW；
n為風機效率，一般取0。7~0。8；
P′為鼓風機出日計算升壓，kg/cm2；
W為鼓風機消耗的電能，kWh；
t為鼓風機工作的時間，h。
公式（8）對於平原地區的工程計算是通用的，應用也較為廣泛。
平原地區和高原地區的（標準大氣壓）供氣量計算式：
平原地區：
高原地區：
式中：
GS為供氣量，m3/h；
R0為20℃條件下脫氧清水的充氧量，kg/h；
EA為氧轉移效率。
透過供氣量計算公式可以看出，供氣量的計算原理相差不大，但在不同工程中的計算效率和準確度卻不同。
在實際工程設計和測量中，需根據實際情況選擇合適的公式。
3、汙泥處理單元
汙泥處理是汙水處理廠過程中的最後一個單元。
該階段耗能大約佔汙水廠執行全部能耗的11%，其能耗主要體現在汙泥、藥和裝置三個方面。
因而，該部分的耗能不容忽視，其能耗的大小主要由汙泥產量的多少決定。
1）每日增長的揮發性汙泥量的計算式：
式中：
ΔX為每日增長的揮發性汙泥量，kg/d；
Y為產率係數；
Kd為衰減係數，d-1；
Q為每日處理汙水量，m3/d；
Sa為進入曝氣池的汙水中含有有機汙染物的濃度，kg/m3；
Se為經生化處理後水中殘留的有機汙染物的濃度，kg/m3；
V為生化池的有效容積，m3；
Xv為混合液中揮發性懸浮固體量，kg/m3。
系統剩餘汙泥量的計算式：
式中：
YH為異養微生物的增殖率，取0。5~0。6；
bH為異養微生物的內源呼吸速率，bH=0。08d-1；
fTH為溫度修正係數；
YSS為不能水解的懸浮固體率；
Sin和Sout分別為反應池進水和出水的懸浮固體濃度。
式（13）和式（14）計算詳細，準確度高。
然而由於公式中的變數較多，且中間係數不易取得，應用範圍受到限制。
2）為了更好地計算汙泥量，可以採用幹汙泥量計算公式：
式中：
S為幹泥量，t/h；
C0為原水濁度設計取值，NTU；
K1為原水濁度單位NTU與懸浮物SS單位mg/L的換算係數，應經過實測確定；
D為藥劑投加量，mg/L；
K2為藥劑轉化成泥量的係數。
式（15）計算準確、簡便，應用較多，尤其適用於汙水廠排泥系統的設計應用。
汙泥脫水作為汙泥處理的關鍵技術，其電耗計算式為：
式中：
W為水泵及電機節約電耗，kWh；
tds為脫水的幹固體重量，t/h；
t3為脫水機每天工作時間，h；
b為比能耗，kWh/tds。
式（16）計算簡便，變數少且易於取得，應用起來較為方便，更適合汙泥處理階段電能的估算。
三、實際案例
以某汙水處理廠資料為例，根據引數採集情況，選擇適合的前述公式進行能耗計算。
該汙水處理廠一期工程2010年開始投入使用，採用A/O工藝對汙水進行生物處理後再經人工溼地生態處理。
處理汙水主要來源於綜合生活汙水和部分工業廢水。
日處理規模為1。5萬m3/d。
下面結合該廠的相關執行引數，分別從預處理、生化處理、汙泥處理三個單元給出能耗計算結果。
1、預處理單元單泵引數如下：
設計流量Q=320m3/h=0。09m3/s，水泵實際揚程H=3m，取η1=0。7，η2=0。95。
正常執行時，平均日工作時2臺泵工作，最大日工作時3臺泵工作，雨季4臺泵同時工作。
取平均日工作時（8h）為例，應用式（1）計算能耗，計算結果為624。7845kWh。
2、生化處理單元鼓風機設計引數如下：
流量GS=20。8m3/min=1248m3/h，升壓P′=60kPa=0。61kg/cm2，風機效率n=0。88。
正常執行時，透過生化池內的溶解氧濃度控制風機的開啟臺數，多數情況是3用1備，應用式（9）和式（10）計算電耗，計算結果為2391。8kWh。
3、汙泥處理單元
汙泥處理採用帶式濃縮脫水一體機（1臺）進行脫水，每天工作6h。
其脫水的汙泥乾重tds=7。50t/h，比能耗b=3。07kWh/tds，脫水機每天工作時間t3=10h。
正常執行時，透過生化池內的溶解氧濃度控制風機的開啟臺數，多數情況是3用1備，應用式（16）計算電耗，計算結果為230。25kWh。
計算能耗與實際能耗的對比結果如下：
由表2可以看出，計算能耗和實際能耗稍有差別。
首先，預處理單元中，提升泵能耗的計算值比實際值偏小些。
這是由於計算過程中水泵的效率 η1 和電機的效率 η2 取的實際工程計算中常用的固定值導致的。
在實際工程計算中，如果能較為準確地知道其確定值，可更準確地計算其能耗值。
其次，生化處理單元中，鼓風機能耗的計算比實際值偏大些，這是由於計算過程中的引數值大多使用的是設計值（高於實際值）。
由於表2中的實際能耗是根據全廠日平均能耗與各部分耗能比例計算而得，因而計算值和實際值出現微小的偏差是正常的。
透過對比相同條件下汙水處理各單元實際耗能情況和正常耗能情況的差距，尋找最具調控潛力的耗能裝置，進行調控。
由表2可知，該汙水廠最具調控潛力的耗能裝置是生化處理單元的鼓風機。
鑑於不同季節的汙染物構成及其成分比重不同，尤其是有機物的濃度相差較大，冬季高於夏季，春、秋介於冬夏之間。
當有機物濃度發生變化時，應根據有機物的實際需氧量調整曝氣量的大小。
該廠處於北方地區，冬季降水較少，日汙水處理量變動小，可適當調整汙水提升範圍，減少能耗。