某污水廠氧化溝改造后能耗現狀及節能分析

王 龍 井 匯 趙玉蘭

某污水廠氧化溝改造后能耗現狀及節能分析

王 龍 井 匯 趙玉蘭

山東英才學院建筑工程學院

簡要介紹了某污水處理廠的處理工藝及運行狀態，分析了生物處理階段各設備的能耗情況，針對能耗最高的曝氣設備研究了其節能空間并提出了節能措施。好氧池的曝氣器曝氣效果較差，DO利用率不高，存在著曝氣過量現象，提出了采用更換曝氣器、改變曝氣器的布置方式和給曝氣轉盤加裝變頻器三種節能措施等。

污水處理廠氧化溝曝氣設備節能

0 引言

某城鎮污水處理廠的設計處理能力為2.5萬m3/d，于2004年開工建設，2006年正式投產運行。原先采用一體化氧化溝生物處理工藝，設計出水水質執行《污水綜合排放標準》（GB8978-1996）一級排放標準，后因國家、省市對海河流域的污染治理要求，此污水處理廠的污水出水水質要求達到《城鎮污水處理廠污染物排放標準》（GB18918-20002）中的一級A排放標準，于2009年7月進行了升級改造，將一體化氧化溝生物處理工藝改造為倒置A2/O處理工藝，并且增加了深度處理部分，處理工藝流程圖見圖1，設計進出水水質見表1。

圖1 某污水處理廠處理工藝流程圖

表1 改造后設計進出水水質

1 運行狀態

氧化溝進行改造后，增加了缺氧池。其中缺氧池主要有一臺水下推進器和兩臺回流泵在工作；厭氧池主要用電設備是攪拌器，每個厭氧池有兩臺攪拌器，但每池均有一臺損壞，且其攪拌效果不好，導致污泥上浮現象嚴重；好氧池主要用電設備有曝氣轉盤和曝氣鼓風機，以底曝為主，表曝為輔，在實際的運行中，曝氣轉盤未采用變頻器且時有損壞，曝氣鼓風機采用變頻控制技術，但因此廠曝氣頭采用的是盤式曝氣器，堵塞嚴重，導致管道壓力過大，現只有一臺曝氣鼓風機在工作，但曝氣轉盤較往年多開了6～7臺。

2 能耗分析

通過對該廠相關設備的運行狀態和設備相關參數的調查分析，得出了各設備的能耗情況，并分析了從全廠和生物處理單元來看的主要能耗設備，分別見圖2和圖3。

圖2 生物處理部分各設備能耗比例構成

圖3 全廠相關設備能耗比例構成

從圖2和圖3可以看出，無論是從生物處理單元還是從全廠的相關設備的能耗比例來看，曝氣設備都是主要的能耗設備，所占比例分別為79%和59.21%，是全廠節能降耗的主要設備。有研究表明，通過精確控制曝氣量可以節約30%左右的電耗[1]，好氧池的需氧量可以按下式進行計算[2]：

式中：O2為混合液需氧量，kg/d；a′為微生物對有機底物氧化分解過程的需氧率，即微生物平均代謝1kgBOD所需的氧量，a′為0.5左右；b′為活性污泥微生物自身氧化的需氧率，即每千克活性污泥每天自身氧化所需的氧量，b′為0.1左右；Q為污水流量，m3/d；Xv為MLVSS；V為曝氣池容積，m3。

式中：So為原污水中有機底物濃度，mg/l；Se為處理水中有機底物濃度，mg/l。

該廠曝氣轉盤在恒定電壓下工作，曝氣鼓風機采用手動變頻控制。目前是一臺曝氣鼓風機和5～9臺曝氣轉盤在進行曝氣，另外再根據進水量和溶解氧量控制曝氣轉盤的開啟臺數。根據式（1）計算可知，好氧池的需氧量為4000kg/d左右，而由曝氣轉盤和曝氣鼓風機提供的氧量大于10000kg/d，遠大于實際的需氧量，存在著曝氣過量，造成了能量的大量浪費。另外根據美國環境署（EPA）對12個處理設施的調查結果表明，以DO作為控制供氧量指標可節省電耗達33%[3]。根據各個污水處理廠多年的運行經驗，DO保持在1.5～2.0mg/l就能保證達到穩定且良好的出水效果，而通過對該廠DO歷史數據的觀察來看，其DO大多時間在2.0mg/l以上，存在著曝氣過量現象，如圖4和圖5。

圖4 2011年某三天的DO情況

圖5 2012年某三天的DO情況

從圖4和圖5可以看出該廠的DO量高于實際需氧量，尤其是2011年，其DO量基本一直高于安全值，其大多時間高于2.0mg/l，曝氣過量現象嚴重。但2012年比2011年少開了一臺曝氣鼓風機，多開了6～7臺曝氣轉盤，用電量增加了，但DO量卻降低了，因此采取相應的節能措施十分必要。

3 節能措施

1）合理確定曝氣設備的供氧能力及供氧范圍[4]。當曝氣設備的最小供氧能力大于系統的最小需氧量時，就會存在供氧過量現象，造成能量浪費。因此在設計時，要充分考慮曝氣設備的供氧能力及調節范圍，選擇合適的曝氣設備，避免曝氣過量現象。

2）更換曝氣器。該廠采用的盤式曝氣器具有膜孔易堵塞、橡膠易老化、成膜原理較局限、能耗較高等缺陷，可考慮采用各項性能較好、能耗較低的曝氣器。表2列舉了幾種常見曝氣器的性能參數。由表2可以看出，管式聚乙烯曝氣器在單位通氣量、單位服務面積、氧利用率、理論動力效率、阻力損失等方面均優于以上兩種形式的曝氣器。國外大量實踐應用表明，管式曝氣器能提高曝氣效率且能耗較低，是一種效率較高并且節能效果明顯的曝氣器。采用管式曝氣器取代盤式曝氣器，可以提高氧的利用率大約20%，并節省電耗15%～20%。如采用管式曝氣器，每年可節約電量78.6MWh，可見，更換曝氣器帶來的減排效果明顯。

表2 幾種常見曝氣器的性能參數

3）對曝氣器進行節能布置。在好氧池中微生物以有機物為能量來源進行增殖，同時伴隨著氧氣的消耗。隨著時間的推移，氧的利用速度是不斷降低的。可以根據這一規律，將曝氣器沿著池長的方向按遞減的方式進行布置，如圖6所示，第一段約為35%，第二段為30%，第三段為25%。采用這種布置方式，可節省15%的電耗[5]，即每年可以節約電量約61.6MWh。

4）給曝氣轉盤加裝變頻器。通過改變曝氣轉盤的臺數來控制曝氣量存在著操作不及時、能量浪費、出水水質不穩定等缺陷，針對此種情況，可給曝氣轉盤加裝變頻器，使用PLC自動控制技術，按照好氧池中的DO值來控制曝氣轉盤的轉速，不僅可以達到節能的效果，還能保證出水水質的穩定，曝氣轉盤的自動控制原理見圖7。有研究表明，使用變頻調速技術，可節省耗電量30%～40%左右[6]，因此加裝變頻器后可實現年節電289MWh，由此可見此種方法帶來的節能效果相當可觀。

圖6 漸疏型曝氣器布置方式

圖7 曝氣轉盤自動控制示意圖

4 結語

近年來，我國污水處理事業迅猛發展，在污水處理廠數量增加的同時，電力等能源的消耗也在飛速增長，因此污水處理廠的節能降耗問題勢必引起全社會的高度關注，而曝氣系統是污水處理廠的主要能耗設備，也是全廠節能降耗的重點，因此應從曝氣設備的選擇、曝氣量的精確控制、設備的運行管理等方面來采取節能措施，加強污水處理廠新工藝、新技術的研究，實現經濟增長與能源消費之間的可持續發展，促進我國污水處理行業節能減排工作的進展。

[1]劉永麗,張辰.排水系統具有廣闊減碳空間[J].中國水網,2010, (12):1-4

[2]張自杰.排水工程(第四版)[M].北京:中國建筑工業出版社, 2000

[3]俞天明.合建式一體化氧化溝水力性能和節能特點研究[D].重慶:重慶大學,2001

[4]李俊峰,張錦鋒.城市污水處理氧化溝工藝節能途徑研究[J].漯河職業技術學院學報,2011,10(5):3-4

[5]谷成國,宋劍鋒.城市污水處理廠鼓風曝氣階段的節能降耗研究[J].環境保護科學,2008,34(5):26-28

[6]鄧榮森,李尚月,王濤,等.變頻器在曝氣轉刷自動控制中的應用[J].重慶建筑大學學報,2004,26(5):89-89

The Ene rgy Cons um ption Sta tus a nd Ene rgy Sa ving Ana lys is of a Se w a ge Tre a tm e nt Pla nt Oxida tion Ditc h a fte r Tra ns form a tion

WANG Long,JING Hui,ZHAO Yu-lan
Faculty of Civil Engineering and Architecture,Shandong Yingcai University

This article introduces the process and operation condition of a sewage treatment plant,and analyzed the equipment energy consumption of the biological treatment stage,besides studies the energy saving space of the most energy-intensive aeration equipment and puts forward energy saving measures.In aerobic pond,the aeration effect of aerators is poor,so the utilization of DO is not high,and there is aeration excessive phenomenon.Three power-saving measures,which are replacing the aerators,changing the arrangement of aerators and installing inverter in the aeration rotary disk,etc.,were put forward.

sewage treatment plant,oxidation ditch,aeration equipment,energy-saving

1003-0344（2014）04-067-3

2013-7-12

王龍（1952～），男，教授；山東省濟南市山東英才學院建筑工程學院（250104）；E-mail:wangxinshiyun@126.com