1 能耗分析

　　城市污水處理廠消耗的能源主要包括電、燃料及藥劑等潛在能源，其中電耗占總能耗的60%～90%，具體電耗分布情況因工藝和管理水平的不同而有差異(見(jiàn)表1)。

　　根據(jù)資料分析不難得出以下結(jié)論：

　�、� 污水處理電耗占全廠總電耗的50%～80%，污泥處理僅占15%～40%，可見(jiàn)污水處理是處理廠耗電大戶，自然也就是節(jié)能重點(diǎn)。其中又以提升泵、風(fēng)機(jī)為重中之重。

　　② 表1列出4個(gè)污水廠均為老廠，無(wú)污泥脫水等工藝，處理單位污水耗電量約0.262 kW·h/m³，從表面上看與日本全國(guó)平均0.260 kW·h/m³ 相近，比美國(guó)0.20 kW·h/m³稍高。但仔細(xì)分析就會(huì)發(fā)現(xiàn)：日本沉砂池普遍有洗砂、通風(fēng)、脫臭等，約耗電0.01 kW·h/m³；美、日兩國(guó)普遍對(duì)出水進(jìn)行消毒處理，該項(xiàng)電耗約0.002 kW·h/m³；美、日兩國(guó)對(duì)污泥都進(jìn)行消化、脫水、焚燒處理，美國(guó)還進(jìn)行氣浮處理，約耗電0.05～0.1 kW·h/m³，而回收的能源均未計(jì)算在內(nèi)。另外，美、日兩國(guó)自控設(shè)備比我們多，照明空調(diào)等耗電也比我們多不少�？梢�(jiàn)老廠節(jié)能問(wèn)題十分突出，潛力巨大。

2 提升泵的節(jié)能

　　提升泵的電耗一般占全廠電耗的10%～20%，是污水廠的節(jié)能重點(diǎn)。提升泵的節(jié)能首先應(yīng)從設(shè)計(jì)入手，進(jìn)行節(jié)能設(shè)計(jì)；對(duì)于已投產(chǎn)的污水廠，仍能通過(guò)加強(qiáng)管理或更換部分設(shè)備進(jìn)行節(jié)能。

2.1 精確計(jì)算水頭損失，合理確定泵揚(yáng)程

　　從泵的有效功率NU=γQH可以看出當(dāng)γ、Q一定時(shí)，NU與H呈正比，因此降低泵揚(yáng)程節(jié)能效果顯著。如天津東郊污水廠總水位差4.5m，小于紀(jì)莊子污水廠的6 m，僅此一項(xiàng)每年即可節(jié)電100×10.4kW·h。然而，目前進(jìn)行污水廠設(shè)計(jì)時(shí)，水頭損失估算普遍偏高，導(dǎo)致泵揚(yáng)程計(jì)算值偏高。在日本一般污水廠總水位差僅2.0 m左右，可見(jiàn)我們的差距還很大。

        降低泵揚(yáng)程可采取以下措施：

　�、� 總體布置要緊湊。連接管路要短而直，盡量減小水頭損失。

　�、� 改非淹沒(méi)堰為淹沒(méi)堰，落差可由35～40cm減少到10cm。

　�、� 日本總水位差小的關(guān)鍵在于初沉池、曝氣池、二沉池均采用方形平流式，三池為一體，首尾相連，水流通暢，從而最大限度地減小了水頭損失。雖然造價(jià)比輻流式要高一些，但其差價(jià)很快可以從節(jié)電效益得到補(bǔ)償。平流式沉淀池在我國(guó)應(yīng)用較少，主要原因是刮泥設(shè)備不過(guò)關(guān)，近年來(lái)環(huán)保設(shè)備技術(shù)水平有了長(zhǎng)足進(jìn)步，所以平流式沉淀池應(yīng)用前景廣闊。

2.2 流量調(diào)節(jié)方式

　　污水廠進(jìn)水量往往隨時(shí)間、季節(jié)波動(dòng)，如果按目前通行的以最大流量作為選泵依據(jù)，水泵全速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間將不超過(guò)10%，大部分時(shí)間都無(wú)法高效運(yùn)轉(zhuǎn)，造成能源浪費(fèi)。

　　由軸功率N=NU/η1(η1為泵運(yùn)行效率)可以看出，一定流量揚(yáng)程下NU是一定的，而泵的軸功率直接由η1決定，所以應(yīng)選擇合適調(diào)控方式，合理確定泵流量，以保證泵始終高效運(yùn)轉(zhuǎn)。

2.2.1 轉(zhuǎn)速加臺(tái)數(shù)控制方式

　　目前國(guó)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。四種調(diào)速方法效率-轉(zhuǎn)速關(guān)系如圖1。

2.2.2 其它調(diào)節(jié)方式

　　除調(diào)速外還有一些流量調(diào)節(jié)方式，不需添置設(shè)備，只需加強(qiáng)管理，就可很快收到可觀效益。

　�、� 機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)

　　主要指水量出現(xiàn)大的波動(dòng)時(shí)關(guān)閉或開(kāi)啟出水閘，這樣雖然會(huì)增大水頭損失，但因N-Q曲線為上升曲線，所以還是有一定節(jié)能作用的。

　　② 運(yùn)行方式調(diào)節(jié)

　　一般可以很簡(jiǎn)單地采用隨進(jìn)水量增減臺(tái)數(shù)的方法進(jìn)行，通過(guò)縮短運(yùn)行時(shí)間達(dá)到節(jié)能目的。這一點(diǎn)在各廠都已采用，但要注意對(duì)于大型水泵，因?yàn)閱?dòng)電流很大，所以應(yīng)盡量避免頻繁啟動(dòng)。

　�、� 調(diào)整改造

　　離心式水泵都配有一系列直徑的葉輪，可簡(jiǎn)單地通過(guò)更換葉輪使水泵適應(yīng)低于額定流量的流量。另外，在確認(rèn)流量為恒定低流量后，還可以采用切削葉輪的方法。

2.3 選用高效電機(jī)及傳動(dòng)裝置

　　泵系統(tǒng)電耗　W=t NU/(η₁η₂η₃)
　　　　　　　　式中 η₂、η₃--傳動(dòng)效率和電機(jī)效率
　　　　　　　　　　t --- 運(yùn)行時(shí)間

　　因此可從η₂、η₃入手，采用高效電機(jī)進(jìn)行節(jié)能。

　　高效電機(jī)沒(méi)有一個(gè)準(zhǔn)確定義，一般效率比常規(guī)電機(jī)高2%～8%，雖然提高幅度不大，但因?yàn)槲鬯么蠖酁榇蠊β省?4h運(yùn)轉(zhuǎn)，所以即便只提高1%，能效果也是很明顯的。

　　當(dāng)然高效電機(jī)價(jià)格比普通電機(jī)高15%～60%，所以采用該方法應(yīng)進(jìn)行經(jīng)濟(jì)校核，看是否能在使用期內(nèi)由節(jié)電效益收回投資。

3 曝氣系統(tǒng)的節(jié)能

　　鼓風(fēng)曝氣系統(tǒng)電耗一般占全廠電耗的40%～50%，是全廠節(jié)能的關(guān)鍵。最根本的節(jié)能措施就是減小風(fēng)量，而減小風(fēng)量必須提高擴(kuò)散裝置效率，降低污泥對(duì)氧的需求。

3.1 擴(kuò)散裝置

3.1.1 改進(jìn)布置方式

　　傳統(tǒng)的曝氣池，曝氣管是單邊布置形成旋流，過(guò)去認(rèn)為這種方式有利于保持真正推流，另外可以減小風(fēng)量，但經(jīng)過(guò)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(jiàn)表2。

3.1.2 采用微孔曝氣器

　　微孔曝氣器可以減小氣泡尺寸，增大表面積，因而轉(zhuǎn)移速度高，節(jié)約風(fēng)量。天津東郊污水廠和紀(jì)莊子污水廠均采用微孔全面曝氣，比穿孔管節(jié)電20%以上。英國(guó)有報(bào)道采用微孔曝氣每去除1 kgBOD可節(jié)約風(fēng)量25%，電力18%。日本的情況如表3所示。

　　美國(guó)對(duì)一大批老式穿孔曝氣進(jìn)行了改造，效果顯著。如美國(guó)的Hartford在224 640 m³/d的污水廠采用微孔曝氣，實(shí)際氧利用率從穿孔管4.4%提高到了10.0%，總投資600 000美元，每年節(jié)約電費(fèi)200 000美元，不計(jì)清洗費(fèi)用，3年即可收回投資。

3.2 風(fēng)量控制節(jié)能

　　選擇風(fēng)機(jī)時(shí)，都要在計(jì)算需氣量基礎(chǔ)上加上一個(gè)足夠大的安全系數(shù)，以滿足最大負(fù)荷時(shí)的需要。所以在日常負(fù)荷下一般都要適當(dāng)減小風(fēng)量，負(fù)荷低時(shí)更應(yīng)如此，這不僅是節(jié)能的需要，也是防止過(guò)曝氣、保證處理效果的要求。而進(jìn)行風(fēng)量控制是曝氣系統(tǒng)效果最顯著的節(jié)能方法，據(jù)EPA對(duì)美國(guó)12個(gè)處理設(shè)施的調(diào)查結(jié)果顯示，以DO為指標(biāo)控制風(fēng)量時(shí)可節(jié)電33%。圖2反映了風(fēng)機(jī)風(fēng)量與電耗的關(guān)系，圖中電耗指每小時(shí)的耗電量。

　　可見(jiàn)，電耗隨風(fēng)量變化很大，因此進(jìn)行風(fēng)量控制節(jié)能效果顯著，而且功率越大效果越明顯，當(dāng)然風(fēng)量并不是可以任意減小，它將受到許多因素的影響。

3.2.1 風(fēng)量程序控制

　　長(zhǎng)期觀測(cè)進(jìn)水水質(zhì)、水量，掌握其變化特性，再由經(jīng)驗(yàn)確定風(fēng)量與時(shí)間的關(guān)系，并設(shè)定程序，自動(dòng)進(jìn)行控制。該方法簡(jiǎn)便易行，但當(dāng)水質(zhì)水量出現(xiàn)很大波動(dòng)時(shí)，應(yīng)與其他方法配合使用。

3.2.2 按進(jìn)水比例控制風(fēng)量

　　該方法也比較簡(jiǎn)單，按一定氣水比，根據(jù)進(jìn)水量調(diào)節(jié)風(fēng)量即可。但該方法最易受水質(zhì)波動(dòng)的影響，處理效果不穩(wěn)定。

3.2.3 按DO控制風(fēng)量

　　曝氣池DO是一個(gè)重要運(yùn)行參數(shù)，理論上達(dá)0.3mg/L就不影響微生物的生理功能，但考慮到水質(zhì)水量的波動(dòng)，一般保證入口處0.5～1.0mg/L，出口2～3mg/L即可。如天津東郊污水處理廠采用溶解氧PLC自動(dòng)控制風(fēng)量，可節(jié)省氣量10%；日本有報(bào)道DO控制風(fēng)量可節(jié)電10%～30%。

3.3 風(fēng)量調(diào)節(jié)方式

　　由于各種風(fēng)量控制方式最終都要由調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)，所以與水泵相似，風(fēng)機(jī)也存在風(fēng)量調(diào)節(jié)問(wèn)題，也就同樣存在高效運(yùn)轉(zhuǎn)問(wèn)題。目前城市污水廠一般都采用高速離心風(fēng)機(jī)，其原理與離心泵相似，所以原則上泵調(diào)節(jié)流量的方式同樣適用于風(fēng)機(jī)。

　　另外，泵的調(diào)速方式也適用于風(fēng)機(jī)，雖然需要一定投資，但節(jié)能效果也更明顯。

　　除此之外，風(fēng)機(jī)還有一些不同于水泵的特殊調(diào)節(jié)方式，如進(jìn)口導(dǎo)葉片調(diào)節(jié)，這也是目前普遍采用的技術(shù)。天津東郊污水廠從法國(guó)引進(jìn)的高速離心風(fēng)機(jī)帶有進(jìn)口導(dǎo)葉片調(diào)節(jié)裝置，當(dāng)單池DO過(guò)高時(shí)，PLC會(huì)發(fā)出指令關(guān)小該池空氣管蝶閥，當(dāng)各池DO都偏高時(shí)，PLC就會(huì)發(fā)出指令關(guān)小進(jìn)口導(dǎo)葉片，采用該技術(shù)可節(jié)電10%。
 

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