淺議污水處理廠的節(jié)能途徑

邊朝輝　華中科技大學(xué)給排水0201
指導(dǎo)老師：任 擁 政

　　【摘 要】：近幾年我國建成并運(yùn)行的污水處理廠越來越多，但是近幾年以電費(fèi)為主的能耗費(fèi)用不斷上漲，許多污水處理廠因?yàn)闊o法解決巨額的運(yùn)行費(fèi)用而不能正常運(yùn)轉(zhuǎn)，使國家投巨資建設(shè)的污水處理廠沒有發(fā)揮它的社會(huì)效益，致使我國的水環(huán)境狀況日益惡化，因此對(duì)污水處理廠運(yùn)行進(jìn)行優(yōu)化管理，節(jié)約能源費(fèi)用，降低處理成本是保障污水處理廠正常運(yùn)行的重要手段。本文通過以活性污泥法為例分析污水處理成本高的主要原因和相應(yīng)采取的措施。
　　 【關(guān)鍵字】： 污水處理 能效 節(jié)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,我國已建成并投入運(yùn)行的城市污水處理廠約180座,設(shè)計(jì)處理能力達(dá)到1050×10⁴ m³/d ,其中二級(jí)生化處理能力約750×104m³/d ,全國城市污水二級(jí)處理率達(dá)到9%-10%。，98年度國家采取擴(kuò)大內(nèi)需的政策,加大城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的投資力度是一項(xiàng)重要內(nèi)容。國家政策性投資主要用于大中城市的污水和垃圾處理、供水、供熱、供氣、城市道路和綠化等方面,其中國家立項(xiàng)的城市污水處理工程建設(shè)項(xiàng)目就達(dá)137個(gè)。國內(nèi)目前建設(shè)二級(jí)污水處理廠的投資水平按單位處理水量計(jì)約為1200-1600元/m³ ,相應(yīng)的配套排水管網(wǎng)投資約為400-700元/m³ ,污水廠單位水量處理成本0.55-0.80元/m³ ,單位水量運(yùn)營(yíng)費(fèi)0.35-0.55元/m³ 。^[1]縱觀我國的污水處理廠其運(yùn)行狀況不容樂觀，尤其是近幾年以電費(fèi)為主的能耗費(fèi)用不斷上漲，許多污水處理廠不能正常運(yùn)轉(zhuǎn)，使國家投巨資建設(shè)的污水處理廠沒有發(fā)揮它的社會(huì)效益，我國的水環(huán)境狀況日益惡化。因此在能保障污水處理量和尾水達(dá)標(biāo)排放的前提下，對(duì)污水處理廠運(yùn)行進(jìn)行優(yōu)化管理，節(jié)約能源費(fèi)用，降低處理成本是保障污水處理廠正常運(yùn)行的重要手段。本文通過以活性污泥法為例的污水處理廠進(jìn)行能耗分析與評(píng)價(jià)，提出污水處理廠的節(jié)能措施，以供污水處理廠設(shè)計(jì)人員和管理人員參考。

2 污水處理廠的能耗分析

2.1污水處理廠的工藝流程：
　　 圖1所示為活性污泥法的處理流程。從城市管網(wǎng)收集的污水井污水提升泵之后進(jìn)入到污水處理廠，在污水處理廠首先經(jīng)過格柵、沉砂池等預(yù)處理后進(jìn)入一級(jí)處理，然后再進(jìn)過曝氣池、二沉池等二級(jí)處理設(shè)施，最后經(jīng)過加氯消毒然后排放到自然水體，二沉池產(chǎn)生的污泥一部分經(jīng)過泵回流到曝氣池，二沉池剩余污泥和初沉池的污泥經(jīng)過污泥濃縮池濃縮后，再經(jīng)過厭氧消化，然后由運(yùn)輸工具運(yùn)往垃圾處理場(chǎng)。

活性污水處理廠流程圖

2.2 各個(gè)構(gòu)筑物的能耗分析
　　以上述工藝流程的一座典型的活性污泥污水處理廠（11.4×10⁴m³/d）的物料及平衡數(shù)據(jù)見表一：

表1 典型活性污泥法處理廠的物料與能量平衡表^[2]

處理單元 廠內(nèi)能耗 回收能量 凈能量 1．污水提升 41.36 41.36 2．預(yù)處理 3.17 3.17 3．一級(jí)處理 0.84 0.84 4．活性污泥法 116.05 116.05 5．消毒 9.50 9.50 6．氣浮濃縮 15.61 15.61 7．厭氧消化 32.92 -121.75 -88.83 8．污泥外運(yùn) 20.15 20.15 總能耗 239.60 -121.75 117.85

　　 其各部分的能耗比例如下圖所示：

圖 2 能耗比例圖

　　 從以上圖表可以發(fā)現(xiàn)，節(jié)能的主要潛力在污水提升部分和生化處理階段的曝氣部分、污泥回流部分。因此面對(duì)能源價(jià)格的上漲和運(yùn)行費(fèi)用的縮減，節(jié)約能耗的重點(diǎn)主要集中在污水處理廠的二級(jí)處理的曝氣系統(tǒng)和水泵機(jī)水泵站部分。

3 污水處理廠的節(jié)能措施

3.1 污水（泥）提升泵
　　 提升泵的節(jié)能應(yīng)首先從設(shè)計(jì)入手，進(jìn)行節(jié)能設(shè)計(jì)；對(duì)于已投產(chǎn)的污水處理廠，提升泵節(jié)能的關(guān)鍵在于控制方式，只有實(shí)行提升過程的最優(yōu)控制，才能達(dá)到節(jié)能的目的。^[3]
3.1.1 合理降低水泵的揚(yáng)程
　　目前我國進(jìn)行污水處理廠的設(shè)計(jì)時(shí)，水頭損失普遍偏高，導(dǎo)致水泵的揚(yáng)程計(jì)算值偏高。從水泵的有效功率Nu = rQH可以看出，r 、Q一定時(shí)，Nu與H成正比，因此降低水泵的揚(yáng)程節(jié)能效果顯著。降低水泵的揚(yáng)程可以采取以下措施：
　　（1）污水處理廠的各個(gè)構(gòu)筑物總體布置盡量緊湊，盡量減少彎頭和閥門，連接管路盡量短，從而最大限度減少水頭損失。
　?。?）減小跌流的落差，例如將非淹沒式的堰改成淹沒式的堰，水流的落差可以減小25cm。
　?。?）盡量利用自然地勢(shì)，實(shí)現(xiàn)污水自流或者利用自然落差補(bǔ)償部分污水管路水頭損失。
　?。?）采用阻力系數(shù)系數(shù)小的管材，減少污水的沿程水頭損失。
3.1.2 合理確定水泵的型號(hào)和臺(tái)數(shù)
　　選用流量與揚(yáng)程盡量達(dá)到設(shè)計(jì)要求的污水提升泵，盡量減少水泵臺(tái)數(shù)，選用高效率的污水泵。如，液下泵、潛污泵與普通臥式離心泵相比，安裝形式簡(jiǎn)單，沒有吸水管與啟動(dòng)輔助設(shè)備，直接能耗相同時(shí)，間接能耗要低得多；WG／WGF型污水泵在同一工況下比PW型污水泵效率高，另外，水泵機(jī)組盡量采用同一泵型，以便維修管理，不同流量大小搭配的水泵，型號(hào)盡量一致。^[4]對(duì)污水提升流量調(diào)節(jié)時(shí)，要避免閥門調(diào)節(jié)來節(jié)省能耗，可采用調(diào)速泵或多臺(tái)定速泵組合調(diào)節(jié)的形式。^[5]當(dāng)采用水泵調(diào)速時(shí)，應(yīng)該選用大機(jī)組和臺(tái)數(shù)少的調(diào)速水泵。^[6]
3.1.3 采用合理的流量控制
　　污水量往往隨著季節(jié)、天氣、用水時(shí)間等變化，目前理性的做法是采用最大流量作為選泵依據(jù)，實(shí)際上水泵全速運(yùn)轉(zhuǎn)的時(shí)間不超過10%，相當(dāng)部分時(shí)間水泵處于低效運(yùn)轉(zhuǎn)。由水泵的軸功率N=Nu/n（n為運(yùn)行效率）可見，水泵處于高效運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)下可以節(jié)省大量電能。因此應(yīng)選擇合適的調(diào)控方式，合理確定泵流量，保持泵的高效運(yùn)轉(zhuǎn)。目前主要的水泵調(diào)控方式有：
　　（1）對(duì)位控制
　　對(duì)位控制就是在吸水池水位發(fā)生變化時(shí)，根據(jù)事先確定的水位等級(jí)，控制對(duì)應(yīng)水泵機(jī)組的自動(dòng)開停，以適應(yīng)泵站來水量的變化。這種控制方式簡(jiǎn)單易行，使用方便，應(yīng)用廣泛。但是，這種方式吸水池水位的變化幅度較大，水泵揚(yáng)程也隨之發(fā)生相應(yīng)的變化。因此，節(jié)能效果不好，而且水泵起動(dòng)頻繁，忙閑不均。^[7]（2）自動(dòng)流量及配編組控制
　　多臺(tái)定速水泵流量級(jí)配編組控制，就是根據(jù)泵站的實(shí)際來水量，將泵站中的幾臺(tái)水泵組成幾種流量級(jí)配，使泵站的出水量比較接近實(shí)際的來水量。這樣就可以保證吸水池中的水位較長(zhǎng)時(shí)間地穩(wěn)定在高水位上，從而使水泵的工作揚(yáng)程減小，最終達(dá)到節(jié)能的目的。北京高碑店污水處理廠采用的就是這種控制方式。其具體做法是在泵站的進(jìn)水渠道上加設(shè)一座堰高2m的溢流井，把溢流堰頂以下300mm處作為中心控制點(diǎn)，其上下各300mm處的水位值作為上下限控制點(diǎn)。溢流井的設(shè)置使吸水池水位提高1.15m，而且溢流井處設(shè)置的水位和溢流量監(jiān)測(cè)儀表還為泵站的最優(yōu)化控制提供必要的數(shù)據(jù)。實(shí)踐證明，高碑店污水處理廠采用這種控制方式節(jié)能效果顯著。每天可節(jié)約用電量900kwh(流量按50萬m³／d計(jì))。
　?。?）轉(zhuǎn)速加臺(tái)數(shù)控制
　　目前國外大型污水廠普遍采用轉(zhuǎn)速加臺(tái)數(shù)控制方法，定速泵按平均流量選擇，定速運(yùn)轉(zhuǎn)以滿足基本流量的要求；調(diào)速泵變速運(yùn)轉(zhuǎn)以適應(yīng)流量的變化，流量出現(xiàn)較大波動(dòng)時(shí)以增減運(yùn)轉(zhuǎn)臺(tái)數(shù)作為補(bǔ)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(duì)于調(diào)速泵也不可能將流量調(diào)到任意小，而仍能保持高效。^[8]
　　此外還可以通過調(diào)節(jié)出水閘開啟度、切削水泵葉輪等方式實(shí)現(xiàn)流量控制。
3.2 曝氣系統(tǒng)
　　曝氣過程是活性污泥法的中心環(huán)節(jié)，也是污水處理過程中能耗最大的工序。曝氣系統(tǒng)的節(jié)能主要有以下幾方面：
3.2.1 選擇高效的曝氣設(shè)備
　　僅從降低能耗的角度考慮，表面曝氣的性能要優(yōu)于穿孔管曝氣，微孔擴(kuò)散器效率高于中氣泡、大氣泡擴(kuò)散器，亦優(yōu)于表面曝氣機(jī)。但是表面曝氣機(jī)械不需要修建鼓風(fēng)機(jī)房，不需設(shè)置大量布?xì)夤艿篮推貧馄?，因此與微孔擴(kuò)散器相比，表面曝氣雖然直接能耗和間接能耗低，但氧的利用率低，在設(shè)計(jì)中，應(yīng)綜合考慮采用。幾種主要空氣擴(kuò)散器的性能比較見表2。

表2 幾種空氣擴(kuò)散器的性能比較^[9]

3.2.2 合理布置曝氣器
　　活性污泥法的曝氣器應(yīng)按微生物反應(yīng)規(guī)律布置，使供氣量在曝氣池的各段內(nèi)與該段微生物反應(yīng)需氧相適應(yīng)。如傳統(tǒng)活性污泥法就應(yīng)布置成漸減曝氣的形式，否則，就會(huì)出現(xiàn)前段供氧不足，后段供氧過剩的現(xiàn)象，既不節(jié)能，也影響處理效果。
　　另外，傳統(tǒng)的曝氣池，曝氣管是單邊布置形成旋流，過去認(rèn)為這種方式有利于保持真正推流，可以減小風(fēng)量，但經(jīng)過多年實(shí)踐與研究發(fā)現(xiàn)，這種方式不如全面曝氣效果好。全面曝氣可使整個(gè)池內(nèi)均勻產(chǎn)生小旋渦，形成局部混合，同時(shí)可將小氣泡吸至1／3到2／3深處，提高充氧效率(見表3)。^[10]微孔曝氣器應(yīng)布滿整個(gè)曝氣池底部。德國的一項(xiàng)研究結(jié)果表明，在所有曝氣系統(tǒng)中。布滿曝氣池底部的微孔曝氣器系統(tǒng)的傳氧效率最高可達(dá)3kgO₂／kWh。^[11]

不同充氧方式的效率

3.2.3 合理設(shè)計(jì)池形
　　曝氣池的池形會(huì)影響曝氣設(shè)備的氧傳遞性。每種曝氣池形的影響又有所不同。例如在3-7.6m的池深范圍內(nèi)，深度對(duì)小氣泡的總充氧效率幾乎沒有影響，而當(dāng)淹沒深度從3m增加到7m大氣泡擴(kuò)散裝置的充氧效率提高了20-30%。^[12]Rooney指出，最佳池形設(shè)計(jì)，淹沒式渦輪曝氣和擴(kuò)散曝氣的充氧效率可提高50%。^[13]一般而言，橫向環(huán)流混合型較好，擴(kuò)散裝置對(duì)稱并均勻的分布在池底。
　　表面機(jī)械曝氣在高動(dòng)力密度下，可能出現(xiàn)額外的問題，因?yàn)橄噜徠貧馄鏖g的相互干擾，產(chǎn)生波浪而降低充氧效率。^[14]可以在各個(gè)曝氣器之間設(shè)立隔板而解決上述問題。
3.2.4 曝氣設(shè)備供氧量的自動(dòng)調(diào)節(jié)
　　隨著污水廠水質(zhì)和水量的變化，需要時(shí)時(shí)調(diào)節(jié)曝氣設(shè)備的曝氣量，曝氣量的調(diào)節(jié)方式有控制多組曝氣池或多組曝氣單元的運(yùn)轉(zhuǎn)、使用可調(diào)節(jié)的曝氣系統(tǒng)、采用計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)控制的曝氣系統(tǒng)、分期建設(shè)、分期使用曝氣池等。
　　 雖然在曝氣系統(tǒng)和污水（泥）提升系統(tǒng)外的其他系統(tǒng)里也有許多節(jié)能措施，但限于文章篇幅，不在此一一贅述。

4 結(jié)論

　　由于近幾年國家只注重污水處理廠數(shù)量的建設(shè)而不注重污水處理廠的節(jié)能建設(shè)，隨著近幾年來電費(fèi)、藥劑、人力等費(fèi)用的不斷上漲，使污水處理廠的運(yùn)行費(fèi)用不斷增加，甚至造成了一大批污水處理廠不能正常運(yùn)轉(zhuǎn)。所以對(duì)污水處理廠進(jìn)行能耗分析，發(fā)揮污水處理廠的巨大節(jié)能潛力，提高污水處理廠的經(jīng)濟(jì)效益，是保障污水處理廠正常運(yùn)轉(zhuǎn)的重要措施，同時(shí)也有利于緩解社會(huì)能源日益緊張的局面。在污水處理廠的設(shè)計(jì)、建設(shè)中，盡可能的優(yōu)化設(shè)計(jì)，選擇合理的處理工藝，實(shí)際合理的構(gòu)筑物，使用節(jié)能的設(shè)備；在污水處理廠的運(yùn)行中，要大膽運(yùn)用先進(jìn)的技術(shù)實(shí)現(xiàn)設(shè)備的優(yōu)化運(yùn)行，加強(qiáng)管理，實(shí)現(xiàn)污水的資源化和再利用，那么污水處理才能逐漸向高效低耗的方向發(fā)展，實(shí)現(xiàn)其社會(huì)效益。

【參考文獻(xiàn)】：

[1] 張建文,張海燕.城市污水處理廠運(yùn)行管理優(yōu)化方案.城市環(huán)境與城市生態(tài),第14卷4期,2001年8月：18。
[2] W.F.OWEN著，章北平、車武譯.污水能效與能耗，能源出版社，1989年12月：14（有改動(dòng)）。
[3] 張力，張善發(fā).城市污水處理廠的節(jié)能技術(shù)對(duì)策.上海水務(wù)，第19卷2期，2003年：20。
[4] 吳慧芳，孔火良．城鎮(zhèn)小型生活污水處理設(shè)備及其展望．工業(yè)安全與環(huán)保，第29卷第5期，2003年：17～20。
[5] 唐受印，戴友芝等主編．水處理工程手冊(cè)．北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2O04。
[6] 周金全．城市污水處理工藝設(shè)備及招標(biāo)投標(biāo)管理．北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2003。
[7] 李亞峰，馬學(xué)文．淺談城市污處處理廠的節(jié)能．節(jié)能，1998年第1期．
[8] 張力，張善發(fā).城市污水處理廠的節(jié)能技術(shù)對(duì)策.上海水務(wù)，第19卷2期，2003年：21。
[9] 楊敏，張建強(qiáng)，李亞瀾，污水處理工程中節(jié)能問題的探討，工業(yè)安全與環(huán)保.第31卷第2期，2005年：23。
[10] 張力，張善發(fā).城市污水處理廠的節(jié)能技術(shù)對(duì)策.上海水務(wù)，第19卷2期，2003年：21。
[11] 王彩霞．城市污水處理廠能源開發(fā)利用與節(jié)能技術(shù)．設(shè)計(jì)與研究，1991。
[12] Yunt，F(xiàn).，T.Hancuff ，D.Brenner，and G.Shell；“An Evaluations of Submerged Aeration Equipment-Clean water Test Results.”Presented at WWEMA Industrial Pollution Conference, Houston ,Tex ., June 5, 1980。
[13] Rooney，T.，“Influence of Tank Geometry on Aeration Performance.”Proceedings：Working Toward an Oxygen Transfer Standard，ASCE Committee，EPA-60019-78-021，1979。
[14] W.F.OWEN著，章北平、車武譯.污水能效與能耗，能源出版社，1989年12月：132。