林榮忱 李金河 (天津大學環境工程系)
林文波 (天津市東郊污水處理廠)

1 能耗分析

　　城市污水處理廠消耗的能源主要包括電、燃料及藥劑等潛在能源，其中電耗占總能耗的60％～90％，具體電耗分布情況因工藝和管理水平的不同而有差異(見表1)。

　　根據資料分析不難得出以下結論：?
　　① 污水處理電耗占全廠總電耗的50％～80％，污泥處理僅占15％～40％，可見污水處理是處理廠耗電大戶，自然也就是節能重點。其中又以提升泵、風機為重中之重。
　　② 表1列出4個污水廠均為老廠，無污泥脫水等工藝，處理單位污水耗電量約0.262 kW·h/m³，從表面上看與日本全國平均0.260 kW·h/m³ 相近，比美國0.20 kW·h/m³稍高。但仔細分析就會發現：日本沉砂池普遍有洗砂、通風、脫臭等，約耗電0.01 kW·h/m³；美、日兩國普遍對出水進行消毒處理，該項電耗約0.002 kW·h/m?3；美、日兩國對污泥都進行消化、脫水、焚燒處理，美國還進行氣浮處理，約耗電0.05～0.1 kW·h/m³，而回收的能源均未計算在內。另外，美、日兩國自控設備比我們多，照明空調等耗電也比我們多不少。可見老廠節能問題十分突出，潛力巨大。

2 提升泵的節能

　　提升泵的電耗一般占全廠電耗的10％～20％，是污水廠的節能重點。提升泵的節能首先應從設計入手，進行節能設計；對于已投產的污水廠，仍能通過加強管理或更換部分設備進行節能。
2.1 精確計算水頭損失，合理確定泵揚程
　　從泵的有效功率N_U=γQH?可以看出當γ、Q一定時，N_U與H呈正比，因此降低泵揚程節能效果顯著。如天津東郊污水廠總水位差4.5m，小于紀莊子污水廠的6 m，僅此一項每年即可節電100×10.4kW·h。然而，目前進行污水廠設計時，水頭損失估算普遍偏高，導致泵揚程計算值偏高。在日本一般污水廠總水位差僅2.0 m左右，可見我們的差距還很大。
降低泵揚程可采取以下措施：
　　① 總體布置要緊湊。連接管路要短而直，盡量減小水頭損失。?
　　② 改非淹沒堰為淹沒堰^［1］，落差可由35～40cm減少到10cm。?
　　③ 日本總水位差小的關鍵在于初沉池、曝氣池、二沉池均采用方形平流式，三池為一體，首尾相連，水流通暢，從而最大限度地減小了水頭損失。雖然造價比輻流式要高一些，但其差價很快可以從節電效益得到補償。平流式沉淀池在我國應用較少，主要原因是刮泥設備不過關，近年來環保設備技術水平有了長足進步，所以平流式沉淀池應用前景廣闊。?
2.2 流量調節方式
　　污水廠進水量往往隨時間、季節波動，如果按目前通行的以最大流量作為選泵依據，水泵全速運轉時間將不超過10％^［2］，大部分時間都無法高效運轉，造成能源浪費。
　　由軸功率N=N_U/η₁(η₁為泵運行效率)可以看出，一定流量揚程下N_U是一定的，而泵的軸功率直接由η₁決定，所以應選擇合適調控方式，合理確定泵流量，以保證泵始終高效運轉。
2.2.1 轉速加臺數控制方式
　　目前國外大型污水廠普遍采用轉速加臺數控制方法，定速泵按平均流量選擇，定速運轉以滿足基本流量的要求；調速泵變速運轉以適應流量的變化，流量出現較大波動時以增減運轉臺數作為補充。但是由于泵的特性曲線高效段范圍不是很大，這就決定了對于調速泵也不可能將流量調到任意小，而仍能保持高效。四種調速方法效率-轉速關系如圖1。?

2.2.2 其它調節方式
　　除調速外還有一些流量調節方式，不需添置設備，只需加強管理，就可很快收到可觀效益。
　　① 機構調節?
　　主要指水量出現大的波動時關閉或開啟出水閘，這樣雖然會增大水頭損失，但因N-Q曲線為上升曲線，所以還是有一定節能作用的。?
　　② 運行方式調節?
　　一般可以很簡單地采用隨進水量增減臺數的方法進行，通過縮短運行時間達到節能目的。這一點在各廠都已采用，但要注意對于大型水泵，因為啟動電流很大，所以應盡量避免頻繁啟動。?
　　③ 調整改造?
　　離心式水泵都配有一系列直徑的葉輪，可簡單地通過更換葉輪使水泵適應低于額定流量的流量。另外，在確認流量為恒定低流量后，還可以采用切削葉輪的方法。
2.3 選用高效電機及傳動裝置
　　泵系統電耗　W=t N_U/(η₁η₂η₃)?
　　　　　　　　式中 η₂、η₃--傳動效率和電機效率
　　　　　　?　　　　t --- 運行時間?
　　因此可從η₂、η₃入手，采用高效電機進行節能。
　　高效電機沒有一個準確定義，一般效率比常規電機高2％～8％，雖然提高幅度不大，但因為污水泵大多為大功率、24h運轉，所以即便只提高1％,節能效果也是很明顯的。?
　　當然高效電機價格比普通電機高15％～60％，所以采用該方法應進行經濟校核，看是否能在使用期內由節電效益收回投資。?

3 曝氣系統的節能

　　鼓風曝氣系統電耗一般占全廠電耗的40％～50％，是全廠節能的關鍵。最根本的節能措施就是減小風量，而減小風量必須提高擴散裝置效率，降低污泥對氧的需求。
3.1 擴散裝置
3.1.1 改進布置方式
　　傳統的曝氣池，曝氣管是單邊布置形成旋流，過去認為這種方式有利于保持真正推流，另外可以減小風量，但經過多年實踐與研究發現，這種方式不如全面曝氣效果好。全面曝氣可使整個池內均勻產生小旋渦，形成局部混合，同時可將小氣泡吸至1/3到2/3深處，提高充氧效率，見表2。?

3.1.2 采用微孔曝氣器
　　微孔曝氣器可以減小氣泡尺寸，增大表面積，因而轉移速度高，節約風量。天津東郊污水廠和紀莊子污水廠均采用微孔全面曝氣，比穿孔管節電20％以上。英國有報道采用微孔曝氣每去除1 kgBOD可節約風量25％，電力18％^［4］?。日本的情況如表3所示。

　　美國對一大批老式穿孔曝氣進行了改造，效果顯著。如美國的Hartford在224 640 m³/d的污水廠采用微孔曝氣，實際氧利用率從穿孔管4.4％提高到了10.0％，總投資600 000美元，每年節約電費200 000美元，不計清洗費用，3年即可收回投資^［５］。?
3.2 風量控制節能
　　選擇風機時，都要在計算需氣量基礎上加上一個足夠大的安全系數，以滿足最大負荷時的需要。所以在日常負荷下一般都要適當減小風量，負荷低時更應如此，這不僅是節能的需要，也是防止過曝氣、保證處理效果的要求。而進行風量控制是曝氣系統效果最顯著的節能方法，據EPA對美國12個處理設施的調查結果顯示，以DO為指標控制風量時可節電33％^［4］。圖2反映了風機風量與電耗的關系，圖中電耗指每小時的耗電量。?

　　可見，電耗隨風量變化很大，因此進行風量控制節能效果顯著，而且功率越大效果越明顯，當然風量并不是可以任意減小，它將受到許多因素的影響。?
3.2.1 風量程序控制
　　長期觀測進水水質、水量，掌握其變化特性，再由經驗確定風量與時間的關系，并設定程序，自動進行控制。該方法簡便易行，但當水質水量出現很大波動時，應與其他方法配合使用。
3.2.2 按進水比例控制風量
　　該方法也比較簡單，按一定氣水比，根據進水量調節風量即可。但該方法最易受水質波動的影響，處理效果不穩定。
3.2.3 按DO控制風量
　　曝氣池DO是一個重要運行參數，理論上達0.3mg/L就不影響微生物的生理功能，但考慮到水質水量的波動，一般保證入口處0.5～1.0mg/L，出口2～3mg/L^［４］?即可。如天津東郊污水處理廠采用溶解氧PLC自動控制風量，可節省氣量10％；日本有報道DO控制風量可節電10％～30％。?
3.3 風量調節方式
　　由于各種風量控制方式最終都要由調節風機來實現，所以與水泵相似，風機也存在風量調節問題，也就同樣存在高效運轉問題。目前城市污水廠一般都采用高速離心風機，其原理與離心泵相似，所以原則上泵調節流量的方式同樣適用于風機。?
　　另外，泵的調速方式也適用于風機，雖然需要一定投資，但節能效果也更明顯。
　　除此之外，風機還有一些不同于水泵的特殊調節方式，如進口導葉片調節，這也是目前普遍采用的技術。天津東郊污水廠從法國引進的高速離心風機帶有進口導葉片調節裝置，當單池DO過高時，PLC會發出指令關小該池空氣管蝶閥，當各池DO都偏高時，PLC就會發出指令關小進口導葉片，采用該技術可節電10％。??

參考文獻

　　1 周雹. 關于污水處理廠設計中的幾個問題的討論. 中國給水排水，1989；5(2)
　　2 呂乃熙. 城市污水節能技術及其發展主要趨向. 建筑選刊，1990；(1)
　　3 王彩霞. 城市污水處理廠能源開發利用與節能技術. 設計與研究，1991
　　4 日本下水道協會. 下水道施設省資源省エネルギ化對策. 1983
　　5 Water Environment Federation. Energy Conservation in Wastewater Treatment Facilities. Alexandia. USA，1997

國家"九五"攻關項目　　
作者通訊處：300072 天津大學環境工程系?
(收稿日期 1998-08-12)