湯  磊¹，趙榮良¹，王樹光²

（1、銅山區(qū)水利局，江蘇省徐州市，221116；2、銅山區(qū)新城污水處理廠，江蘇省徐州市，221116）

摘  要：隨著我國污水處理規(guī)模的增加,污水處理廠的能耗也越來越引起重視。從污水處理廠的能耗單元審核、運行參數(shù)控制、設備升級改造等方面總結(jié)和分析了各種最新的節(jié)能降耗技術,并研究了其可行性。結(jié)合國外污水處理廠運行中的經(jīng)驗,對其中的一些技術方法提供了實際應用的案例。提出了今后要從污水處理設計、設備選型、運行管理控制、維護、升級改造等每個環(huán)節(jié)中貫徹節(jié)能降耗技術,以達到降低污水處理成本、減小用電量的目標。

關鍵詞：污水處理廠；節(jié)能降耗；設計；運行管理；升級改造

前  言

在活性污泥處理系統(tǒng)中,污水處理廠能耗成本占污水處理廠運營維護成本的60%―90%。據(jù)美國統(tǒng)計,城鎮(zhèn)污水處理廠的總電耗約占美國總電力負荷的3%。隨著人口的增長和污染物去除標準的不斷提高,未來15年內(nèi)用于污水處理的總用電量還將繼續(xù)增加20%以上^[1]。

在我國,隨著近幾年全國各縣級以上城市污水處理設施的不斷上馬,污水處理率也不斷提高,導致了各地的電力資源緊缺日益突出。201年中國城鎮(zhèn)污水處理廠用電量約為100億 kWh，約占全國社會總用電量的0.2％。因此,研究污水處理廠的能耗管理和節(jié)能降耗措施,降低污水處理廠的運行總能耗,對我國的經(jīng)濟和社會發(fā)展具有重要的意義。

1  污水處理廠的能耗分析

我國城鎮(zhèn)污水處理廠能耗主要用于污水、污泥的提升,生物處理的供氧,以及污泥處理這幾個工藝過程,其中污水生物處理和污泥處理的單元過程耗能量要占污水處理廠直接能耗的60%以上^[2]。在不同污水處理廠的運行中,實際能耗還與污水處理廠規(guī)模、污水的水質(zhì)特征、處理程度、處理工藝、運行模式等因素有關。要評價污水處理設施的能耗和成本,首先要對各用電設備的情況進行統(tǒng)計分析。采用的技術不同，城市污水處理能耗的差別也很大，而技術的選用主要受污染控制要求和土地資源約束兩方面限制。具有硝化作用的深度處理能耗是簡單過濾處理技術的2倍，穩(wěn)定塘類技術能耗較低但需要占用較多的土地。在美國，大型污水處理廠(約38萬m3／d)的電耗水平一般為：一級過濾處理0．177kWh／m3，活性污泥法約0.272kWh／m3，深度處理約0.314kWh／m3，具有硝化作用的深度處理約0.412kWh／m3^[3]。造成能耗上升的主要原因是曝氣及污泥回流，美國電力研究協(xié)會(EPRI)統(tǒng)計了不同工藝、不同規(guī)模的美國污水處理廠的平均電耗（見圖1）。

圖1  美國不同規(guī)模的污水處理廠的電耗水平

2  污水處理廠節(jié)能途徑與技術

2．1  污水處理廠能量利用審核

能量利用審核管理不僅能為處理廠運轉(zhuǎn)提供可靠的基礎數(shù)據(jù),而且可指導處理廠工藝方案的選擇與節(jié)能改造。采用生命周期成本分析等方法,對處理系統(tǒng)和各單元組件進行分析并優(yōu)化,以達到降低能耗需求和成本的目的;采用能量利用程序?qū)δ芰坷眠M行審核,還能用以輔助管理污水處理廠的設備的維護,確定設備升級改造或者更換的最佳時機^[4]。能量審核評價程序分為兩步,第一步是工程可行性研究,包括推薦技術方案的評估,初步設計工作,項目的工作范圍、成本以及財務評價等。第二步是詳細設計工作,包括施工、試運行、培訓、運行與維護,并根據(jù)在線監(jiān)測來檢驗系統(tǒng)改造后的成果。從工程的前期到工程運行后的整個流程對污水處理廠的能耗狀況進行審核,以確定具備節(jié)能降耗潛力的單元。

2.2  控制污水處理廠運行參數(shù)

2.2.1  反應器單體在線數(shù)

考慮到今后發(fā)展的要求,或者為了抵抗工業(yè)廢水和暴雨徑流的沖擊負荷,一般污水處理廠設計時都會預留一定的容量,在運行中反應器容積如全部在線,會導致活性污泥系統(tǒng)長期處于低負荷運行狀態(tài)。如果負荷率能維持在正常水平的話,那么能量的利用率也可以提高。例如,在旱季時,如果污水處理廠的生物反應器有2個或2個以上在線時,建議對污水處理廠的運行情況進行分析,評價在停止其中一個運行后對污水處理廠的運行負荷是否會對出水造成影響,大部分污水處理廠在旱季減少反應器容積后仍能保持較好的處理效果。

2.2.2  單位容積的能量輸入

生物反應器內(nèi)能量的輸入必須滿足均勻混合和氧氣傳遞的需要。最低能量輸入值是保證污泥處于懸浮狀態(tài)所需的能量,如果單位容積內(nèi)能量輸入超過最大需要值,活性污泥絮體會發(fā)生剪切作用而被破壞,從而影響污泥的沉降性能。

2.2.3  溶解氧水平

許多污水處理廠的生物反應池會曝氣過度,主要原因是缺乏自動調(diào)節(jié)系統(tǒng),或者是為了保險起見。過度曝氣直接導致了能耗的浪費,并會使污泥的沉降性變差。圖2混合液DO濃度與能耗的關系，由圖2可以看到,曝氣池中的DO從2mg/L升高到5mg/L,所需要消耗的能量增加了近一倍[5]。因為氧氣溶解在水中的動力是氧濃度梯度,如果混合液中的DO越高,則濃度梯度越小,氧擴散速率越慢。最節(jié)能的方法是根據(jù)降解污水中有機物和硝化所需的最低需氧量進行供氧曝氣,并維持穩(wěn)定的DO濃度。對于一般的活性污泥系統(tǒng),DO為1.2―2.5mg/L。由于進水有機負荷的不穩(wěn)定,實際運行中,一般下午和傍晚的需氧量要比夜間和早晨的需氧量大,因此維持穩(wěn)定DO濃度所需的鼓風量也要實時調(diào)整。

圖2 混合液DO濃度與能耗關系

2.2.4  污泥齡MCRT

通過控制活性污泥的MCRT也可以實現(xiàn)節(jié)能的目的。一般而言,在不需要進行硝化的反應器中,MCRT可控制在6―10d,在溫度20e時,基本能滿足碳基BOD的去除效果;而有硝化要求的反應器中,MCRT一般至少需要8―10d,才能出現(xiàn)硝化反應,當MCRT達到20d以上時,硝化反應才能較完全發(fā)生。從能耗對比來看,不需要硝化脫氮的反應器的能耗比進行硝化反應的能耗可以節(jié)約30%―40%。

2.3  升級改造設備和控制系統(tǒng)

2.3.1  節(jié)能曝氣

根據(jù)美國1982年的統(tǒng)計數(shù)據(jù)^[6],北美地區(qū)污水處理廠的曝氣設備總能耗功率約為1.3x10kW。

曝氣系統(tǒng)的能耗占活性污泥系統(tǒng)的污水處理廠總能耗的40%―70%。因此,對曝氣系統(tǒng)進行節(jié)能研究改造具有重要意義。

擴散曝氣系統(tǒng)是目前使用最為普遍的充氧方式,曝氣設備的充氧能力取決于多個因素,包括曝氣頭類型、池體形狀、擴散器安裝深度、水溫、環(huán)境大氣壓、曝氣器設計以及污水的特征等。

氧轉(zhuǎn)移效率(OTE)是衡量曝氣系統(tǒng)的重要指標,OTE的改善能有效提高能量利用效率。影響氧轉(zhuǎn)移效率的因素有水質(zhì)特征、反應器水深、氣泡直徑、風量風速、擴散器密度以及曝氣頭的堵塞情況等。

OTE隨著生物反應器中擴散器數(shù)量的增加而提高,有些污水處理廠在設計時根據(jù)反應池的尺寸來布置和安裝曝氣器;還有些污水處理廠采用將原有的粗孔曝氣器更換為微孔曝氣器,這樣也能大大提高用電效率。據(jù)某污水處理廠統(tǒng)計,全部更新所有的曝氣頭后每年能節(jié)約的電費為100000美元,投資回收期為4年^[7]。

對于維持混合液懸浮而言,也可以采用混合效率更高的其他專用設備(如潛水攪拌器等)來替代曝氣設備,這樣就可以關停曝氣設備,大大減少能量需求。

2.3.2  水泵

與活性污泥工藝相關的水泵設施主要有初次或中途提升泵、污泥回流泵、剩余污泥泵和內(nèi)回流泵。按照北美地區(qū)的運行經(jīng)驗,一般提升水頭減少0.3m,可以節(jié)約能耗成本0.0304美元/(m3/d)。

對水泵的運行而言,可以采取如下措施來改善水泵效率:

(1)泵運行時盡量保持在高效區(qū)間內(nèi)(如應控制2臺泵運行在額定流量90%,而不是3臺泵運行在額定流量的60%);

(2)調(diào)節(jié)水位控制器,使水泵運行的啟閉盡量減少,使出水水流穩(wěn)定;

(3)利用電容補償(大型水泵)來改善功率因子;

(4)如果水泵一直在低效區(qū)低負荷下運行,可以減小葉輪的尺寸;

(5)對于定速水泵,當流量變化范圍較大時,采用可調(diào)速電機或者多級變速電機驅(qū)動。2.3.3  變頻控制器

風機、水泵在水處理行業(yè)是經(jīng)常使用的通用機械。以往風機、水泵采用恒速交流電動機拖動,通過調(diào)節(jié)擋板或閥門開度大小來調(diào)節(jié)風量或流量,這勢必造成電能的浪費。若利用變頻調(diào)速技術,以調(diào)節(jié)電動機轉(zhuǎn)速的方法取代調(diào)節(jié)擋板或閥門,則將達到節(jié)約電能目的。因為這類負載的輸入功率和轉(zhuǎn)速的3次方成正比,利用調(diào)速使流量減少,則異步電動機的輸入電功率按立方規(guī)律下降,從而使耗電量大大降低,節(jié)能效果十分顯著,達20%以上^[8]。國內(nèi)的工程實際運行數(shù)據(jù)表明,使用變頻調(diào)速設備可使水泵平均轉(zhuǎn)速比工頻轉(zhuǎn)速降低20%以上,綜合節(jié)能效率可達20%~40%。與采用擋板、閥門調(diào)節(jié)流量相比,可節(jié)能40%~60%。對于中小型的污水處理廠,一年左右就可收回投資成本^[9]。

2.3.4  電機效率

根據(jù)統(tǒng)計,典型污水處理廠的電機運行所消耗的電力約占總電耗的90%左右^[10]。影響電機效率主要因素有供電電壓、電機的尺寸、設計以及運行荷載等。一般高效電機的效率比普通電機高出8%左右,雖然高效電機的一次性投資比普通電機高10%~15%,但在電機投入運行后,該部分投資的回收期很短,一般幾個月或者數(shù)年就可回收增加的成本。因此,在污水處理廠新建設計或升級改造工程中,應優(yōu)先選用高效電機^[11]。

2.3.5  監(jiān)控系統(tǒng)

自動監(jiān)測和控制是有效的節(jié)能工具。在污水處理中,最常用也是最有效的控制指標是DO濃度。從工藝角度看,DO濃度的監(jiān)測,可以減少或避免過度曝氣和不必要硝化反應;從設備運行的角度看,DO濃度可以調(diào)節(jié)機械曝氣器的淹沒深度,鼓風機的輸出風量以及水泵的流量等,這些設備的運行工況對總能耗均具有重要影響。DO傳感器直接關系到DO控制系統(tǒng)的正常使用與控制精度。隨著技術的進步,DO傳感器可以做到連續(xù)自動清洗,而無需人工清洗維護,同時自動監(jiān)測的精確度也大大提高,為節(jié)能與正常運行提供了保證。根據(jù)美國西雅圖、華盛頓地區(qū)的污水處理廠的工程改造經(jīng)驗,升級改造中更換新的在線DO傳感器的成本可以通過節(jié)能措施在3年內(nèi)收回成本。

3  結(jié)語

污水廠的節(jié)能降耗是一項系統(tǒng)的和需持續(xù)改進的工作。在運營管理中，應充分調(diào)研污水廠的能耗水平，制定切實可行的目標.隨著科技的進步和新設備新工藝的開發(fā),污水處理廠的節(jié)能降耗的技術也在不斷發(fā)展更新。污水處理廠的節(jié)能降耗是一項綜合性工作,涉及到工藝、設備、電氣及自控等多個環(huán)節(jié),多學科的交叉和各種技術的融合是其發(fā)展的必然趨勢。今后污水處理廠的節(jié)能技術應從設計、設備選型、運行管理控制、維修、升級改造等每個環(huán)節(jié)進行貫徹審核,以降低污水處理成本,減小用電量。

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[11] California energy commission. Water /waste water process energy, Emerge Efficient Motors,2003.

作者簡介：湯磊，男，助理工程師，銅山區(qū)水利局科員，銅山區(qū)生態(tài)辦成員，從事銅山區(qū)建制鎮(zhèn)污水處理設施建設工程項目及國家生態(tài)區(qū)（水利部門）創(chuàng)建工作；趙榮良，男，高級工程師，銅山區(qū)水利局副局長；王樹光，男，工程師，銅山區(qū)新城污水處理廠廠長。