浅议污水处理厂的节能途径

浅议污水处理厂的节能途径

边朝辉　华中科技大学给排水0201
指导老师：任 拥 政

　　【摘 要】：近几年我国建成并运行的污水处理厂越来越多，但是近几年以电费为主的能耗费用不断上涨，许多污水处理厂因为无法解决巨额的运行费用而不能正常运转，使国家投巨资建设的污水处理厂没有发挥它的社会效益，致使我国的水环境状况日益恶化，因此对污水处理厂运行进行优化管理，节约能源费用，降低处理成本是保障污水处理厂正常运行的重要手段。本文通过以活性污泥法为例分析污水处理成本高的主要原因和相应采取的措施。
　　 【关键字】： 污水处理 能效 节能

【Abstract】：More and more sewage treatment plants have been built up in our country. But in recent years a lot of sewage treatment plants couldn‘t run well because of the huge operation expenses. That means the sewage treatment plants which we spent a huge sum of money to construction wouldn‘t to give play to their social benefit. The water environment still gets worse and worse day by day. So the optimum management to the sewage treatment plants, economizing the energy expenses, reducing the cost of the normal running are important ways to keep sewage treatment plants regularly. In this paper，the main causes of high running cost are analyzed and corresponding measures are put forward with an example of the active sludge way.
【keywords】：waste water treatment energy consumption energy saving

1 概述

　　目前,我国已建成并投入运行的城市污水处理厂约180座,设计处理能力达到1050×10⁴ m³/d ,其中二级生化处理能力约750×104m³/d ,全国城市污水二级处理率达到9%-10%。，98年度国家采取扩大内需的政策,加大城市基础设施建设的投资力度是一项重要内容。国家政策性投资主要用于大中城市的污水和垃圾处理、供水、供热、供气、城市道路和绿化等方面,其中国家立项的城市污水处理工程建设项目就达137个。国内目前建设二级污水处理厂的投资水平按单位处理水量计约为1200-1600元/m³ ,相应的配套排水管网投资约为400-700元/m³ ,污水厂单位水量处理成本0.55-0.80元/m³ ,单位水量运营费0.35-0.55元/m³ 。^[1]纵观我国的污水处理厂其运行状况不容乐观，尤其是近几年以电费为主的能耗费用不断上涨，许多污水处理厂不能正常运转，使国家投巨资建设的污水处理厂没有发挥它的社会效益，我国的水环境状况日益恶化。因此在能保障污水处理量和尾水达标排放的前提下，对污水处理厂运行进行优化管理，节约能源费用，降低处理成本是保障污水处理厂正常运行的重要手段。本文通过以活性污泥法为例的污水处理厂进行能耗分析与评价，提出污水处理厂的节能措施，以供污水处理厂设计人员和管理人员参考。

2 污水处理厂的能耗分析

2.1污水处理厂的工艺流程：
　　 图1所示为活性污泥法的处理流程。从城市管网收集的污水井污水提升泵之后进入到污水处理厂，在污水处理厂首先经过格栅、沉砂池等预处理后进入一级处理，然后再进过曝气池、二沉池等二级处理设施，最后经过加氯消毒然后排放到自然水体，二沉池产生的污泥一部分经过泵回流到曝气池，二沉池剩余污泥和初沉池的污泥经过污泥浓缩池浓缩后，再经过厌氧消化，然后由运输工具运往垃圾处理场。

活性污水处理厂流程图

2.2 各个构筑物的能耗分析
　　以上述工艺流程的一座典型的活性污泥污水处理厂（11.4×10⁴m³/d）的物料及平衡数据见表一：

表1 典型活性污泥法处理厂的物料与能量平衡表^[2]

处理单元 厂内能耗 回收能量 净能量 1．污水提升 41.36 41.36 2．预处理 3.17 3.17 3．一级处理 0.84 0.84 4．活性污泥法 116.05 116.05 5．消毒 9.50 9.50 6．气浮浓缩 15.61 15.61 7．厌氧消化 32.92 -121.75 -88.83 8．污泥外运 20.15 20.15 总能耗 239.60 -121.75 117.85

　　 其各部分的能耗比例如下图所示：

图 2 能耗比例图

　　 从以上图表可以发现，节能的主要潜力在污水提升部分和生化处理阶段的曝气部分、污泥回流部分。因此面对能源价格的上涨和运行费用的缩减，节约能耗的重点主要集中在污水处理厂的二级处理的曝气系统和水泵机水泵站部分。

3 污水处理厂的节能措施

3.1 污水（泥）提升泵
　　 提升泵的节能应首先从设计入手，进行节能设计；对于已投产的污水处理厂，提升泵节能的关键在于控制方式，只有实行提升过程的最优控制，才能达到节能的目的。^[3]
3.1.1 合理降低水泵的扬程
　　目前我国进行污水处理厂的设计时，水头损失普遍偏高，导致水泵的扬程计算值偏高。从水泵的有效功率Nu = rQH可以看出，r 、Q一定时，Nu与H成正比，因此降低水泵的扬程节能效果显著。降低水泵的扬程可以采取以下措施：
　　（1）污水处理厂的各个构筑物总体布置尽量紧凑，尽量减少弯头和阀门，连接管路尽量短，从而最大限度减少水头损失。
　　（2）减小跌流的落差，例如将非淹没式的堰改成淹没式的堰，水流的落差可以减小25cm。
　　（3）尽量利用自然地势，实现污水自流或者利用自然落差补偿部分污水管路水头损失。
　　（4）采用阻力系数系数小的管材，减少污水的沿程水头损失。
3.1.2 合理确定水泵的型号和台数
　　选用流量与扬程尽量达到设计要求的污水提升泵，尽量减少水泵台数，选用高效率的污水泵。如，液下泵、潜污泵与普通卧式离心泵相比，安装形式简单，没有吸水管与启动辅助设备，直接能耗相同时，间接能耗要低得多；WG／WGF型污水泵在同一工况下比PW型污水泵效率高，另外，水泵机组尽量采用同一泵型，以便维修管理，不同流量大小搭配的水泵，型号尽量一致。^[4]对污水提升流量调节时，要避免阀门调节来节省能耗，可采用调速泵或多台定速泵组合调节的形式。^[5]当采用水泵调速时，应该选用大机组和台数少的调速水泵。^[6]
3.1.3 采用合理的流量控制
　　污水量往往随着季节、天气、用水时间等变化，目前理性的做法是采用最大流量作为选泵依据，实际上水泵全速运转的时间不超过10%，相当部分时间水泵处于低效运转。由水泵的轴功率N=Nu/n（n为运行效率）可见，水泵处于高效运转状态下可以节省大量电能。因此应选择合适的调控方式，合理确定泵流量，保持泵的高效运转。目前主要的水泵调控方式有：
　　（1）对位控制
　　对位控制就是在吸水池水位发生变化时，根据事先确定的水位等级，控制对应水泵机组的自动开停，以适应泵站来水量的变化。这种控制方式简单易行，使用方便，应用广泛。但是，这种方式吸水池水位的变化幅度较大，水泵扬程也随之发生相应的变化。因此，节能效果不好，而且水泵起动频繁，忙闲不均。^[7]（2）自动流量及配编组控制
　　多台定速水泵流量级配编组控制，就是根据泵站的实际来水量，将泵站中的几台水泵组成几种流量级配，使泵站的出水量比较接近实际的来水量。这样就可以保证吸水池中的水位较长时间地稳定在高水位上，从而使水泵的工作扬程减小，最终达到节能的目的。北京高碑店污水处理厂采用的就是这种控制方式。其具体做法是在泵站的进水渠道上加设一座堰高2m的溢流井，把溢流堰顶以下300mm处作为中心控制点，其上下各300mm处的水位值作为上下限控制点。溢流井的设置使吸水池水位提高1.15m，而且溢流井处设置的水位和溢流量监测仪表还为泵站的最优化控制提供必要的数据。实践证明，高碑店污水处理厂采用这种控制方式节能效果显著。每天可节约用电量900kwh(流量按50万m³／d计)。
　　（3）转速加台数控制
　　目前国外大型污水厂普遍采用转速加台数控制方法，定速泵按平均流量选择，定速运转以满足基本流量的要求；调速泵变速运转以适应流量的变化，流量出现较大波动时以增减运转台数作为补充。但是由于泵的特性曲线高效段范围不是很大，这就决定了对于调速泵也不可能将流量调到任意小，而仍能保持高效。^[8]
　　此外还可以通过调节出水闸开启度、切削水泵叶轮等方式实现流量控制。
3.2 曝气系统
　　曝气过程是活性污泥法的中心环节，也是污水处理过程中能耗最大的工序。曝气系统的节能主要有以下几方面：
3.2.1 选择高效的曝气设备
　　仅从降低能耗的角度考虑，表面曝气的性能要优于穿孔管曝气，微孔扩散器效率高于中气泡、大气泡扩散器，亦优于表面曝气机。但是表面曝气机械不需要修建鼓风机房，不需设置大量布气管道和曝气器，因此与微孔扩散器相比，表面曝气虽然直接能耗和间接能耗低，但氧的利用率低，在设计中，应综合考虑采用。几种主要空气扩散器的性能比较见表2。

表2 几种空气扩散器的性能比较^[9]

3.2.2 合理布置曝气器
　　活性污泥法的曝气器应按微生物反应规律布置，使供气量在曝气池的各段内与该段微生物反应需氧相适应。如传统活性污泥法就应布置成渐减曝气的形式，否则，就会出现前段供氧不足，后段供氧过剩的现象，既不节能，也影响处理效果。
　　另外，传统的曝气池，曝气管是单边布置形成旋流，过去认为这种方式有利于保持真正推流，可以减小风量，但经过多年实践与研究发现，这种方式不如全面曝气效果好。全面曝气可使整个池内均匀产生小旋涡，形成局部混合，同时可将小气泡吸至1／3到2／3深处，提高充氧效率(见表3)。^[10]微孔曝气器应布满整个曝气池底部。德国的一项研究结果表明，在所有曝气系统中。布满曝气池底部的微孔曝气器系统的传氧效率最高可达3kgO₂／kWh。^[11]

不同充氧方式的效率

3.2.3 合理设计池形
　　曝气池的池形会影响曝气设备的氧传递性。每种曝气池形的影响又有所不同。例如在3-7.6m的池深范围内，深度对小气泡的总充氧效率几乎没有影响，而当淹没深度从3m增加到7m大气泡扩散装置的充氧效率提高了20-30%。^[12]Rooney指出，最佳池形设计，淹没式涡轮曝气和扩散曝气的充氧效率可提高50%。^[13]一般而言，横向环流混合型较好，扩散装置对称并均匀的分布在池底。
　　表面机械曝气在高动力密度下，可能出现额外的问题，因为相邻曝气器间的相互干扰，产生波浪而降低充氧效率。^[14]可以在各个曝气器之间设立隔板而解决上述问题。
3.2.4 曝气设备供氧量的自动调节
　　随着污水厂水质和水量的变化，需要时时调节曝气设备的曝气量，曝气量的调节方式有控制多组曝气池或多组曝气单元的运转、使用可调节的曝气系统、采用计算机实时控制的曝气系统、分期建设、分期使用曝气池等。
　　 虽然在曝气系统和污水（泥）提升系统外的其他系统里也有许多节能措施，但限于文章篇幅，不在此一一赘述。

4 结论

　　由于近几年国家只注重污水处理厂数量的建设而不注重污水处理厂的节能建设，随着近几年来电费、药剂、人力等费用的不断上涨，使污水处理厂的运行费用不断增加，甚至造成了一大批污水处理厂不能正常运转。所以对污水处理厂进行能耗分析，发挥污水处理厂的巨大节能潜力，提高污水处理厂的经济效益，是保障污水处理厂正常运转的重要措施，同时也有利于缓解社会能源日益紧张的局面。在污水处理厂的设计、建设中，尽可能的优化设计，选择合理的处理工艺，实际合理的构筑物，使用节能的设备；在污水处理厂的运行中，要大胆运用先进的技术实现设备的优化运行，加强管理，实现污水的资源化和再利用，那么污水处理才能逐渐向高效低耗的方向发展，实现其社会效益。

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[10] 张力，张善发.城市污水处理厂的节能技术对策.上海水务，第19卷2期，2003年：21。
[11] 王彩霞．城市污水处理厂能源开发利用与节能技术．设计与研究，1991。
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[14] W.F.OWEN著，章北平、车武译.污水能效与能耗，能源出版社，1989年12月：132。