城市污水處理廠能耗分析及節(jié)能措施

劉潔嶺，蔣文舉

（四川大學(xué) 建筑與環(huán)境學(xué)院，四川 成都610065）

1 引言

隨著我國社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和城市化進(jìn)程的加快，工業(yè)污水和生活污水排放量劇增，污水處理廠數(shù)量隨之增多，規(guī)模也不斷擴(kuò)大。但污水處理是一種高能耗產(chǎn)業(yè)，能源消耗主要包括電能、燃料和藥劑等，其中電耗占去總能耗的60%～90%［1］。相關(guān)部門于2009年抽樣選取了1856座正常運(yùn)行的污水處理廠進(jìn)行能耗分析，結(jié)果表明：這1856座污水處理廠2009年年均電耗約為0.254kW·h／m3，與發(fā)達(dá)國家相距甚遠(yuǎn)。1999年美國污水處理廠年均電耗為0.20kW·h／m3，日本為0.26kW·h／m3，2000年德國污水處理廠年均電耗為0.32kW·h／m3，且這些能耗中包含了我國污水處理廠尚未涵蓋的污水消毒、污泥消化和焚燒等耗能環(huán)節(jié)［2］。由此可見，我國污水處理廠的能耗僅相當(dāng)于發(fā)達(dá)國家20世紀(jì)末的水平，具有較大的節(jié)能空間。

以污水的二級處理為例進(jìn)行分析，能源消耗主要用于污水的提升，生物處理的供氧，以及污泥處理過程。污水提升部分占總能耗的10%～20%，生物處理的主要能耗來自于曝氣池，曝氣系統(tǒng)能耗占總能耗的50%～70%，污泥處理占10%～25%，三者能耗的總和超過污水處理廠總能耗的70%［3］。因此，污水處理廠節(jié)能降耗的重點在于提高主要耗能設(shè)備的用電效率，降低能耗。

本文從城市污水處理廠的能耗構(gòu)成進(jìn)行分析，指出污水處理過程中主要的能耗單元及設(shè)備，有針對性的提出節(jié)能降耗的措施意見，為城市污水處理廠節(jié)約資源、降低運(yùn)營成本提供依據(jù)。

2 污水處理廠的能耗分析

目前，我國城市污水處理廠普遍采用二級或三級處理，以生物處理工藝為主體，通常由預(yù)處理、生化處理及污泥處理三部分組成。常江等［4］對北京某污水處理廠（采用A2／O處理工藝，污泥處理采用厭氧消化）的各單元能耗分布情況以及主要設(shè)備的能耗進(jìn)行了分析，結(jié)果表明，整個污水處理過程中，預(yù)處理單元、二級處理單元和污泥處理單元的能耗分別占總能耗的20.52%、68.96%、6.66%。其中，進(jìn)水提升泵、鼓風(fēng)機(jī)、污泥進(jìn)泥泵是各單元中能耗最大的設(shè)備，分別占各單元能耗的94.91%、75.13%和62.51%，換算成總能耗比例為：19.48%、51.81%、4.16%。牛 住 元 等［5］調(diào) 查 分 析 北 京某污水處理廠提升泵實際運(yùn)行能耗，結(jié)果顯示該廠污水提升泵能耗占總能耗的17%。胡鋒平等［6］對不同的污泥濃縮工藝的能耗進(jìn)行了比較，結(jié)果表明，重力濃縮、離心濃縮和氣浮濃縮的比能耗分別為0.02～0.14kW·h／m3，0.5～1.2kW·h／m3，0.2～1.0kW·h／m3，氣浮濃縮中生物氣浮的比能耗為0.05～0.12kW·h／m3。由此可見，污水的提升、生物過程的曝氣、污泥的回流和濃縮脫水過程是城市污水處理廠的節(jié)能重點，曝氣系統(tǒng)和污水提升泵更是重中之重。

3 城市污水處理廠節(jié)能降耗的途徑

針對我國城市污水處理廠的實際生產(chǎn)運(yùn)行情況，提出從污水提升、曝氣系統(tǒng)、污泥處理過程以及管理機(jī)制4個方面進(jìn)行改進(jìn)和完善，以實現(xiàn)污水處理廠的節(jié)能降耗。

3.1 污水提升

污水提升過程的能耗控制關(guān)鍵在于污水提升泵。提升泵的能耗取決于實際工作揚(yáng)程、構(gòu)筑物水頭損失設(shè)計以及運(yùn)行方式的調(diào)節(jié)等。降低提升泵能耗可采取以下措施。

（1）設(shè)計時充分考慮污水廠的地形和自然坡度，合理設(shè)置進(jìn)水管底標(biāo)高，改非淹沒堰為淹沒堰，控制跌流落差，降低提升泵的實際工作揚(yáng)程。

（2）總體布置要流線清楚，結(jié)構(gòu)緊湊，選用阻力系數(shù)小的管材，連接管路短而直，應(yīng)盡量減少彎管、連接管和閥門的使用，避免處理構(gòu)筑物水頭損失。

（3）適當(dāng)增減提升泵運(yùn)行臺數(shù)，對其進(jìn)行變頻調(diào)速控制，以適應(yīng)不同時間、季節(jié)的污水量波動，有效降低提升泵能耗。

（4）定期對系統(tǒng)進(jìn)行維護(hù)和檢修，可減少因滲漏、結(jié)垢、機(jī)械磨損等原因造成的效率降低，保證提升泵的高效運(yùn)行。

許多學(xué)者對提升泵的節(jié)能降耗進(jìn)行了研究。李鵬峰等［7］結(jié)合江蘇省某污水處理廠的工程實踐提出，僅利用前端管網(wǎng)的蓄水能力，就可以減少提升泵的運(yùn)行臺數(shù)，可節(jié)能20%。向偉芳［8］研究變頻調(diào)速技術(shù)對降低提升泵能耗效果的數(shù)據(jù)表明，利用變頻調(diào)速設(shè)備可使提升泵平均轉(zhuǎn)速比工頻轉(zhuǎn)速降低20%以上，可達(dá)20%～40%的節(jié)能效果。沈曉鈴等［9］通過超聲波液位計監(jiān)測進(jìn)水水位的變化，并結(jié)合出水管流量計控制泵變頻運(yùn)行，以確保上游管網(wǎng)不溢管為前提，適當(dāng)保持集水池在較高液位下運(yùn)行，節(jié)省了10%左右的能耗。

3.2 曝氣系統(tǒng)

我國城市污水處理廠大多采用好氧生物處理工藝，曝氣系統(tǒng)是整個生物處理系統(tǒng)的關(guān)鍵，與曝氣池中溶解氧濃度密切相關(guān)，直接關(guān)系到污水的處理效果，同時，曝氣系統(tǒng)也是整個污水處理系統(tǒng)中能耗最大的單元，降低其能耗對整個污水處理廠的節(jié)能降耗意義重大。實現(xiàn)曝氣系統(tǒng)的節(jié)能降耗主要從曝氣頭的類型、曝氣方式、曝氣池中溶解氧濃度以及曝氣流量控制等方面入手，有效的節(jié)能措施有：微氣泡空氣擴(kuò)散裝置可以產(chǎn)生微小氣泡，增大氣、液接觸面，提高氧利用率；單側(cè)布設(shè)曝氣裝置，形成水流在斷面上的旋轉(zhuǎn)推流，使氣、液充分接觸，從而增加氧的轉(zhuǎn)移率；安裝自動調(diào)節(jié)裝置，根據(jù)曝氣池中的溶解氧濃度自動調(diào)節(jié)供氣量；通過變頻調(diào)速等技術(shù)提高鼓風(fēng)機(jī)、攪拌機(jī)等曝氣設(shè)備的運(yùn)行效率。

黃浩華等［10］以北京某污水廠二期工程A2／O工藝為例，對降低其供氧能耗的可行性進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，現(xiàn)有曝氣池停留時間過長，存在過度曝氣現(xiàn)象，通過小試試驗研究提出將曝氣池中溶解氧嚴(yán)格控制在2～3mg·L－1，并把好氧前段變?yōu)槿毖鯀^(qū)，以減少曝氣段長度，降低能耗。沈曉鈴等［9］在無錫惠山污水廠實際運(yùn)營時，對曝氣池中溶解氧實行在線檢測，根據(jù)測定值調(diào)節(jié)進(jìn)口葉片角度，達(dá)到調(diào)節(jié)鼓風(fēng)機(jī)進(jìn)風(fēng)流量的目的，按需供氣，實現(xiàn)節(jié)能效率15%左右。廣州瀝滘污水廠對南北池進(jìn)行曝氣智能控制系統(tǒng)的對比試驗，結(jié)果表明在出水穩(wěn)定達(dá)標(biāo)的情況下，曝氣量平均節(jié)約15%［11］。

3.3 污泥處理

污泥處理是能耗較多的單元，主要包括污泥的回流和濃縮脫水。污泥回流泵把沉淀池中污泥回流到厭氧池內(nèi)，以保證工藝中的活性污泥量，實現(xiàn)厭氧菌和好氧菌的交換，防止污泥膨脹及反硝化作用，提高脫氮除磷的效果。可根據(jù)進(jìn)廠水量、水質(zhì)情況，適當(dāng)調(diào)整回流比，保證污泥回流泵的高效運(yùn)行，實現(xiàn)污泥回流過程的節(jié)能。污泥濃縮方法通常有重力濃縮、氣浮濃縮和機(jī)械濃縮。我國污水處理廠污泥濃縮過程以重力濃縮為主，但此方法濃縮效率低，可能造成二次釋磷問題。從可持續(xù)發(fā)展看，生物氣浮代替重力濃縮是降低污泥濃縮能耗的一種有效途徑，污泥濃縮脫水一體化是污泥處理的發(fā)展趨勢。污泥脫水過程的節(jié)能主要是減少設(shè)備運(yùn)作和縮短處理時間，根據(jù)儲泥池內(nèi)泥量、污泥沉降性能確定脫水機(jī)器使用數(shù)量和脫水時間。

3.4 管理機(jī)制

（1）建立目標(biāo)。深入分析能耗構(gòu)成，識別節(jié)能潛力，提高能耗管理水平，精確控制城市污水處理廠的運(yùn)行，完成節(jié)能降耗的目標(biāo)。

（2）過程控制。通過對污水處理各個階段的能耗進(jìn)行分析，明確不同處理單元的能量需求，確定與能耗密切相關(guān)的控制環(huán)節(jié)，挖掘各控制環(huán)節(jié)的節(jié)能降耗潛力，有針對性的提出節(jié)能措施建議。

（3）建立激勵機(jī)制。污水處理廠的運(yùn)行管理離不開員工辛勤工作，發(fā)揮員工聰明才智，提高其工作積極性是搞好運(yùn)行管理的必要條件。制定科學(xué)的考核、控制指標(biāo)和激勵制度，全員參與，職責(zé)明細(xì)，獎罰分明，使員工自覺培養(yǎng)節(jié)能降耗的習(xí)慣，實現(xiàn)企業(yè)與個人的雙贏。

［1］ 黃浩華，張 杰，文湘華，等.城市污水處理廠A2／O工藝的節(jié)能降耗途徑研究［J］.環(huán)境工程學(xué)報，2009，3（1）：35～38.

［2］ 孟德良，劉建廣.污水處理廠的能耗與能量的回收利用［J］.給水排水，2002，28（4）：18～20.

［3］ 金昌權(quán)，汪誠文.污水處理廠能耗分析［J］.建設(shè)科技，2009（3）：54～55.

［4］ 常 江，楊岸明，甘一萍，等.城市污水處理廠能耗分析及節(jié)能途徑［J］.中國給水排水，2011，27（4）：33～36.

［5］ 牛住元，張雅君，王文海.污水處理廠污水提升節(jié)能措施研究［J］.給水排水，2009，35（5）：155～158.

［6］ 胡鋒平，朱自偉，李偉民，等.城市污水處理廠污泥濃縮工藝的應(yīng)用與發(fā)展趨勢［J］.重慶建筑大學(xué)學(xué)報，2004，2（5）：124～127.

［7］ 李鵬峰，鄭興燦，孫永利，等.A2／O工藝污水處理廠的主要能耗點識別及節(jié)能途徑［J］.中國給水排水，2012，28（8）：886～890.

［8］ 向偉芳.污水處理廠節(jié)能設(shè)計的途徑［J］.企業(yè)技術(shù)開發(fā)，2008，27（7）：57～59，71.

［9］ 沈曉鈴，薛 敏，李大成，等.無錫惠山污水廠的優(yōu)化運(yùn)行與節(jié)能降耗［J］.中國給水排水，2011，27（22）：45～47.

［10］ 黃浩華，張 杰，文湘華，等.城市污水處理廠A2／O工藝的節(jié)能降耗途徑研究［J］.環(huán)境工程學(xué)報，2009，3（1）：35～38.

［11］ 李蘇晉，張 軼，侯云霞.淺談室內(nèi)裝修材料有害物質(zhì)對人體的危害和影響［J］.環(huán)境工程，2010，28（2）：39～41.