地下式污水處理廠節能設計實例分析

陳靜　張炳學　王巍巍　張愛平

摘 要：地下式污水處理廠在我國應用越來越普遍，但是高能耗、高成本成為制約其發展的重要因素。本文介紹了我國中部地區某污水處理廠在設計過程中運用的節能措施，為地下式污水處理廠設計提供借鑒。

關鍵詞：地下式污水處理廠;節能;設計

中圖分類號：X703 文獻標識碼：A 文章編號：1003-5168（2019）20-0073-03

Analysis of Energy-saving Design of an Underground

Sewage Treatment Plant

CHEN Jing ZHANG Bingxue WANG Weiwei ZHANG Aiping

（Henan Low-carbon Energy Saving Technology Co.， Ltd.， Zhengzhou Henan 450000）

Abstract： Underground sewage treatment plants are becoming more and more popular in China， but high energy consumption and high cost have become important factors restricting their development. This paper introduced the energy-saving measures used in the design process of a sewage treatment plant in central China， and provided reference for the design of underground sewage treatment plants.

Keywords： underground wastewater;treatment plant;energy-saving;design

近年來，隨著我國生態文明建設和城市化進程快速推進，城市環境對污水廠的要求也越來越高，地下式污水處理廠因其具有節省土地資源，節省管網投資，視覺、噪聲和臭氣污染小等特點逐漸被人們重視[1]。我國從2010年起修建了多座地下式污水處理廠，雖然取得了較好的社會環境效益，但是投資與成本高、運行維護困難、安全風險大等問題也是現階段限制其廣泛應用的關鍵因素[2]。由于出水提升、除臭通風等因素，地下式污水處理廠運行期間耗電量比較大，運行費用較高，嚴重影響污水處理廠的正常運轉，在污水處理廠設計中需要引起足夠的重視。

1 工程實例

為滿足城市發展的需要，我國中部地區某城市擬新建一座污水處理廠。考慮到人口入住規模，近期污水處理廠處理規模定為10萬m3/d，項目設計進水水質參照收水范圍較為相近的另一家污水處理站。為滿足國家對水環境質量越來越高的要求，出水水質設計為地表Ⅲ類水水質（氨氮除外）。設計進出水水質指標具體情況如表1所示。

根據本工程進出水水質要求和處理規模，經多種污水處理工藝分析，從技術、經濟、節能等角度比較，最終確定新建污水廠生物處理采用“五段式巴顛甫工藝（加填料）”，深度處理采用“加砂高效沉淀池+中間提升泵房+活性焦吸附池+V型濾池”工藝，消毒用次氯酸鈉消毒工藝。污泥處理采用離心濃縮+板框脫水工藝，污泥經板框脫水后運送至污泥處理廠進行堆肥干化處理。

本工程為地下式污水處理廠，地下共兩層。粗格柵及進水泵房、細格柵及曝氣沉砂池、精細格柵、生物池、二沉池及污泥回流泵站、高效沉淀池、V型濾池、接觸消毒池、出水泵站、變配電間、回用水泵站和消防水泵站布置于地下二層，鼓風機房、生物除臭間、通風間、加藥間等布置于地下一層，活性焦吸附池及活性焦房布置于地下一層和二層，綜合樓、污泥脫水機房等布置于地上。項目平面布置圖如圖1所示。

該項目主要消耗的能源為電力、柴油、汽油、自來水、液化氣，經核算，項目年綜合能源消費量當量折標為2 707.23tce，等價折標6 696.31tce，其中年消耗電力2 120.73萬kW·h。

該項目用能工序分為污水一級處理、污水二級處理、污水深度處理、污泥處理、輔助及附屬生產系統、變壓器及電路損耗。其中，污水一級處理部分耗電230.48萬kW·h，污水二級處理部分耗電842.11萬kW·h，污水深度處理部分耗電695.27萬kW·h，污泥處理部分耗電274.43萬kW·h，輔助及附屬系統部分耗電36.85萬kW·h，變壓器及電路損耗部分耗電41.58kW·h。各工序電力消耗情況如表2所示。

項目二級處理單位電耗為0.231kW·h/m3，處理每千克BOD5電耗為1.499kW·h/kg，均符合《城市污水處理廠工程項目建設標準》（2001年修訂）中的能耗限額標準。項目單位污水處理電耗為0.484kW·h/m3，與同類工程相比，能耗在合理范圍。

2 項目主要采用的節能措施

2.1 合理選擇建廠地點

該污水處理廠擬選地址臨近市內某河流，便于處理后的污水就近排入水體。選址地點距變電站較近，供電方便可靠。污泥脫水機房旁的廠區出入口靠近主路，交通方便，便于污泥的運輸和處置。選址地勢較低，部分收水區域污水可自流至污水廠。選址距居住區較遠，對環境影響較小。

2.2 平面布置設計良好

項目總平面布置緊湊、流程清晰，聯系協作條件好。分變配電間位于鼓風機房附近，減少供電損耗。污泥脫水機房臨近廠區主干道的出入口，便于污泥運輸。廠前區、宿舍及食堂位于廠區另一主道出入口附近，交通便利。構筑物的總平面布置從進水到出水流程較順，管道規劃較為合理，減少了管道工程量及污水動力消耗量。鼓風機房臨近生化處理池，加藥間臨近加砂沉淀池，減少物料損耗，有利于減少項目投資及污水電耗。地下污水處理工藝整體工藝流程順暢，避免管線的迂回并減少水頭損失。污水處理主要構筑物布置緊湊，有利于污水處理廠的生產管理，實現管理節能。

2.3 合理選擇處理工藝

項目粗格柵選用回轉式固液分離機，細格柵選擇內進流網板格柵機，按時間順序控制，周期運行，同時根據格柵前后液位差，由PLC自動控制。雖然選擇的曝氣沉砂池耗能較高，但是其沉砂效果、除油和浮渣效果更好，可以滿足污水處理需求。

本污水處理廠出水水質要求較高，需采用脫氮除磷效率高的工藝。經過多方比較，項目選用五段式巴顛甫（加填料）工藝，該工藝在典型生物池基礎上，增加了外加碳源缺氧段和好氧段。外加碳源缺氧段利用外加碳源在此段完成剩余硝態氮的反硝化，好氧段主要用于去除反硝化過程產生并附著于活性污泥絮體上的“氮沫”[3]，改善泥水混合液的沉降性能，這樣可有效防止外加碳源過量投加造成COD和BOD5升高，以確保出水水質穩定達標，而且具有一定濃度的溶解氧，便于其再生利用。該工藝在反硝化過程中可回收硝化反應所需堿度數量的50%、所需氧量的42%[4]，噸水電耗比氧化溝工藝低15%～20%。

結合本工程用地情況、進出水水質要求，并考慮二次提升，本次工程深度處理工藝選擇“加砂高效沉淀池+中間提升泵房+活性焦吸附池+V型濾池”。該污水處理廠一期工程采用全地下建設模式，出水水質嚴格，宜選用占地面積小、處理效率高的工藝，因此化學除磷工藝采用加砂高效沉淀池。加砂高效沉淀池不僅能去除TP，還能有效降低污水中SS、COD等含量。活性焦技術屬于最經濟有效的低能耗、無污染的綠色水處理技術，投資少、見效快。特別是在市政污水深度處理方面，該技術在脫色和去除COD上有非常大的優勢，還不受氣溫影響，進水波動受影響小，抗沖擊能力強。V型濾池在水處理上應用廣泛，具有節省儀表和閘門、可實現恒水位等速過濾等多項優點。

本工程規模較大，臭氣處理目標較高，同時，污水廠采用地下式，運營管理人員處于封閉的廠區環境，為了降低整體除臭風量，整個生化系統采用全過程除臭，即在生物池、好氧池安裝微生物培養箱，并將部分污泥回流至預處理前段。

此外，粗格柵及進水泵房、細格柵及曝氣沉砂池、精細格柵及生物池厭缺氧段等區域的臭氣濃度較高，因此選擇生物除臭濾池;生物池好氧段臭氣濃度較低，并且處理風量較大，考慮到景觀效果，其選擇土壤除臭濾池;脫水機房臭氣濃度較高，并且位于地面上，考慮到景觀效果、臭氣去除效果等因素，其采用生物除臭濾池+土壤濾池串聯工藝。

2.4 合理選擇耗能設備

本工程選用的設備均為技術先進、高效節能的產品，能夠經濟運行。項目采用雙回路供電，選用SCB11系列變壓器，減少變配電中間環節，提高供電安全，減少電耗。項目污水排放管道采用水力條件好的管材，合理選用閥門、流量計和附件，減少水頭損失，降低能耗。項目中應用的潛水排污泵耗能較大，項目通過優化設計、變頻處理等多項措施優化選型。與生化池配套的鼓風機選用磁懸浮鼓風機，采用磁懸浮軸承，沒有接觸損失和機械損失，實現了高轉速無極變轉速調節[5]，使得風機運行效率較高，節約運行能耗。項目除臭選用離心鼓風機，該設備以提高轉速來達到所需風壓，較多級風機流道短，減少了多級間的流道損失，設備效率較高，選型合理。

2.5 采用智能化控制

項目自動控制系統采用目前國內外污水處理工程廣泛應用并取得良好效果的基于可編程邏輯控制器（PLC）的集散型控制系統以及監控和數據采集（SCADA）系統。本工程供生化池曝氣用的鼓風機采用離心風機，并設置變頻調速裝置控制來控制鼓風機的流量[6]，以達到節能效果。變頻器主要以曝氣池中污泥混和液的DO值作為控制參數進行調節，達到精準調節曝氣量的目的。生物處理系統增加精確曝氣系統，可節能約10%[7]。

2.6 附屬設施節能分析

嚴格控制地上建筑辦公樓及餐廳等公共建筑體型系數和進風側的窗墻比，以兼顧自然通風采光和日射得熱的控制，達到節能效果。綜合樓、職工宿舍和食堂的朝向與布置盡量利用自然光，有利于減少照明電耗。污水廠內設置廠內回用水泵3臺（2用1備），用于設備清洗、藥劑配置、道路和綠化澆灑等，回用污水廠出水，節約新鮮水。

2.7 可再生能源的利用

項目所處地太陽能資源較為豐富，可以考慮利用太陽能資源。項目擬在綜合樓和廠內路燈設置太陽能板，進行太陽能利用。

3 結論

隨著城市化的發展，地下空間的利用越來越得到重視，地下式污水處理廠已經成為一種趨勢。但是，運行高能耗成為制約地下式污水處理廠發展的重要因素，節能問題需要在地下式污水處理廠的設計中得到重視。該污水處理在設計階段通過新工藝、新技術、新方法的運用，在保證污水處理達到要求的前提下減少各方面的能耗。本工程運用的節能措施在設計污水處理中應用普遍，對地下式污水處理廠的節能設計有一定的借鑒意義。

參考文獻：

[1]Ohansson E J W.Treating Sewage Underground[J].Tunnels and Tunnulling，1995（7）：21-23.

[2]胡維杰.地埋式城市污水處理廠的技術研究及其建設運行經驗[J].供水技術，2014（4）：61-64.

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[5]黃海明.污水處理廠磁懸浮風機與羅茨風機節能分析及應用[J].建筑工程技術與設計，2017（5）：1764.

[6]林耿明.變頻器在污水處理廠的應用[J].廣東化工，2011（4）：151-152.

[7]羅中玉.鄭州市南三環污水處理廠工程設計和建設特點[J].凈水技術，2018（1）：143-145.