摘要：近幾年我國建成并運行的污水處理廠越來越多，但是近幾年以電費為主的能耗費用不斷上漲，許多污水處理廠因為無法解決巨額的運行費用而不能正常運轉(zhuǎn)，使國家投巨資建設(shè)的污水處理廠沒有發(fā)揮它的 社會 效益，致使我國的水環(huán)境狀況日益惡化，因此對污水處理廠運行進行優(yōu)化管理，節(jié)約能源費用，降低處理成本是保障污水處理廠正常運行的重要手段。本文通過以活性污泥法為例 分析 污水處理成本高的主要原因和相應(yīng)采取的措施。

關(guān)鍵詞：污水處理 能效 節(jié)能

1 概述

目前 ,我國已建成并投入運行的城市污水處理廠約180座,設(shè)計處理能力達到1050×104 m3/d ,其中二級生化處理能力約750×104m3/d ,全國城市污水二級處理率達到9%-10%。，98年度國家采取擴大內(nèi)需的政策,加大城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的投資力度是一項重要 內(nèi)容 。國家政策性投資主要用于大中城市的污水和垃圾處理、供水、供熱、供氣、城市道路和綠化等方面,其 中國 家立項的城市污水處理工程建設(shè)項目就達137個。國內(nèi)目前建設(shè)二級污水處理廠的投資水平按單位處理水量計約為1200-1600元/m3 ,相應(yīng)的配套排水管網(wǎng)投資約為400-700元/m3 ,污水廠單位水量處理成本0.55-0.80元/m3 ,單位水量運營費0.35-0.55元/m3 。[1]縱觀我國的污水處理廠其運行狀況不容樂觀，尤其是近幾年以電費為主的能耗費用不斷上漲，許多污水處理廠不能正常運轉(zhuǎn)，使國家投巨資建設(shè)的污水處理廠沒有發(fā)揮它的社會效益，我國的水環(huán)境狀況日益惡化。因此在能保障污水處理量和尾水達標(biāo)排放的前提下，對污水處理廠運行進行優(yōu)化管理，節(jié)約能源費用，降低處理成本是保障污水處理廠正常運行的重要手段。本文通過以活性污泥法為例的污水處理廠進行能耗分析與評價，提出污水處理廠的節(jié)能措施，以供污水處理廠設(shè)計人員和管理人員 參考 。

2 污水處理廠的能耗分析

2.1污水處理廠的工藝流程：

圖1所示為活性污泥法的處理流程。從城市管網(wǎng)收集的污水井污水提升泵之后進入到污水處理廠，在污水處理廠首先經(jīng)過格柵、沉砂池等預(yù)處理后進入一級處理，然后再進過曝氣池、二沉池等二級處理設(shè)施，最后經(jīng)過加氯消毒然后排放到 自然 水體，二沉池產(chǎn)生的污泥一部分經(jīng)過泵回流到曝氣池，二沉池剩余污泥和初沉池的污泥經(jīng)過污泥濃縮池濃縮后，再經(jīng)過厭氧消化，然后由運輸工具運往垃圾處理場。

圖 1 活性污水處理廠流程圖

2.2 各個構(gòu)筑物的能耗分析

以上述工藝流程的一座典型的活性污泥污水處理廠(11.4×104m3/d)的物料及平衡數(shù)據(jù)見表一：

表1 典型活性污泥法處理廠的物料與能量平衡表[2]

其各部分的能耗比例如下圖所示：

圖 2 能耗比例圖

從以上圖表可以發(fā)現(xiàn)，節(jié)能的主要潛力在污水提升部分和生化處理階段的曝氣部分、污泥回流部分。因此面對能源價格的上漲和運行費用的縮減，節(jié)約能耗的重點主要集中在污水處理廠的二級處理的曝氣系統(tǒng)和水泵機水泵站部分。

3 污水處理廠的節(jié)能措施

3.1 污水(泥)提升泵

提升泵的節(jié)能應(yīng)首先從設(shè)計入手，進行節(jié)能設(shè)計;對于已投產(chǎn)的污水處理廠，提升泵節(jié)能的關(guān)鍵在于控制方式，只有實行提升過程的最優(yōu)控制，才能達到節(jié)能的目的。[3]

3.1.1 合理降低水泵的揚程

目前 我國進行污水處理廠的設(shè)計時，水頭損失普遍偏高，導(dǎo)致水泵的揚程 計算 值偏高。從水泵的有效功率Nu = rQH可以看出，r 、Q一定時，Nu與H成正比，因此降低水泵的揚程節(jié)能效果顯著。降低水泵的揚程可以采取以下措施：

(1)污水處理廠的各個構(gòu)筑物總體布置盡量緊湊，盡量減少彎頭和閥門，連接管路盡量短，從而最大限度減少水頭損失。

(2)減小跌流的落差，例如將非淹沒式的堰改成淹沒式的堰，水流的落差可以減小25cm。

(3)盡量利用 自然 地勢，實現(xiàn)污水自流或者利用自然落差補償部分污水管路水頭損失。

(4)采用阻力系數(shù)系數(shù)小的管材，減少污水的沿程水頭損失。

3.1.2 合理確定水泵的型號和臺數(shù)

選用流量與揚程盡量達到設(shè)計要求的污水提升泵，盡量減少水泵臺數(shù)，選用高效率的污水泵。如，液下泵、潛污泵與普通臥式離心泵相比，安裝形式簡單，沒有吸水管與啟動輔助設(shè)備，直接能耗相同時，間接能耗要低得多;WG/WGF型污水泵在同一工況下比PW型污水泵效率高，另外，水泵機組盡量采用同一泵型，以便維修管理，不同流量大小搭配的水泵，型號盡量一致。[4]

對污水提升流量調(diào)節(jié)時，要避免閥門調(diào)節(jié)來節(jié)省能耗，可采用調(diào)速泵或多臺定速泵組合調(diào)節(jié)的形式。[5]當(dāng)采用水泵調(diào)速時，應(yīng)該選用大機組和臺數(shù)少的調(diào)速水泵。[6]

3.1.3 采用合理的流量控制

污水量往往隨著季節(jié)、天氣、用水時間等變化，目前理性的做法是采用最大流量作為選泵依據(jù)，實際上水泵全速運轉(zhuǎn)的時間不超過10%，相當(dāng)部分時間水泵處于低效運轉(zhuǎn)。由水泵的軸功率N=Nu/n(n為運行效率)可見，水泵處于高效運轉(zhuǎn)狀態(tài)下可以節(jié)省大量電能。因此應(yīng)選擇合適的調(diào)控方式，合理確定泵流量，保持泵的高效運轉(zhuǎn)。目前主要的水泵調(diào)控方式有：

(1)對位控制

對位控制就是在吸水池水位發(fā)生變化時，根據(jù)事先確定的水位等級，控制對應(yīng)水泵機組的自動開停，以適應(yīng)泵站來水量的變化。這種控制方式簡單易行，使用方便， 應(yīng)用 廣泛。但是，這種方式吸水池水位的變化幅度較大，水泵揚程也隨之發(fā)生相應(yīng)的變化。因此，節(jié)能效果不好，而且水泵起動頻繁，忙閑不均。[7]

(2)自動流量及配編組控制

多臺定速水泵流量級配編組控制，就是根據(jù)泵站的實際來水量，將泵站中的幾臺水泵組成幾種流量級配，使泵站的出水量比較接近實際的來水量。這樣就可以保證吸水池中的水位較長時間地穩(wěn)定在高水位上，從而使水泵的工作揚程減小，最終達到節(jié)能的目的。北京高碑店污水處理廠采用的就是這種控制方式。其具體做法是在泵站的進水渠道上加設(shè)一座堰高2m的溢流井，把溢流堰頂以下300mm處作為中心控制點，其上下各300mm處的水位值作為上下限控制點。溢流井的設(shè)置使吸水池水位提高1.15m，而且溢流井處設(shè)置的水位和溢流量監(jiān)測儀表還為泵站的最優(yōu)化控制提供必要的數(shù)據(jù)。實踐證明，高碑店污水處理廠采用這種控制方式節(jié)能效果顯著。每天可節(jié)約用電量900kwh(流量按50萬m3/d計)。

(3)轉(zhuǎn)速加臺數(shù)控制

目前國外大型污水廠普遍采用轉(zhuǎn)速加臺數(shù)控制 方法 ，定速泵按平均流量選擇，定速運轉(zhuǎn)以滿足基本流量的要求;調(diào)速泵變速運轉(zhuǎn)以適應(yīng)流量的變化，流量出現(xiàn)較大波動時以增減運轉(zhuǎn)臺數(shù)作為補充。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。[8]

此外還可以通過調(diào)節(jié)出水閘開啟度、切削水泵葉輪等方式實現(xiàn)流量控制。

3.2 曝氣系統(tǒng)

曝氣過程是活性污泥法的中心環(huán)節(jié)，也是污水處理過程中能耗最大的工序。曝氣系統(tǒng)的節(jié)能主要有以下幾方面：

3.2.1 選擇高效的曝氣設(shè)備

僅從降低能耗的角度考慮，表面曝氣的性能要優(yōu)于穿孔管曝氣，微孔擴散器效率高于中氣泡、大氣泡擴散器，亦優(yōu)于表面曝氣機。但是表面曝氣機械不需要修建鼓風(fēng)機房，不需設(shè)置大量布氣管道和曝氣器，因此與微孔擴散器相比，表面曝氣雖然直接能耗和間接能耗低，但氧的利用率低，在設(shè)計中，應(yīng)綜合考慮采用。幾種主要空氣擴散器的性能比較見表2。

表2 幾種空氣擴散器的性能比較[9]

3.2.2 合理布置曝氣器

活性污泥法的曝氣器應(yīng)按微生物反應(yīng) 規(guī)律 布置，使供氣量在曝氣池的各段內(nèi)與該段微生物反應(yīng)需氧相適應(yīng)。如傳統(tǒng)活性污泥法就應(yīng)布置成漸減曝氣的形式，否則，就會出現(xiàn)前段供氧不足，后段供氧過剩的現(xiàn)象，既不節(jié)能，也 影響 處理效果。

另外，傳統(tǒng)的曝氣池，曝氣管是單邊布置形成旋流，過去認為這種方式有利于保持真正推流，可以減小風(fēng)量，但經(jīng)過多年實踐與 研究 發(fā)現(xiàn)，這種方式不如全面曝氣效果好。全面曝氣可使整個池內(nèi)均勻產(chǎn)生小旋渦，形成局部混合，同時可將小氣泡吸至1/3到2/3深處，提高充氧效率(見表3)。[10]微孔曝氣器應(yīng)布滿整個曝氣池底部。德國的一項研究結(jié)果表明，在所有曝氣系統(tǒng)中。布滿曝氣池底部的微孔曝氣器系統(tǒng)的傳氧效率最高可達3kgO2/kWh。[11]

表3 不同充氧方式的效率

3.2.3 合理設(shè)計池形

曝氣池的池形會影響曝氣設(shè)備的氧傳遞性。每種曝氣池形的影響又有所不同。例如在3-7.6m的池深范圍內(nèi)，深度對小氣泡的總充氧效率幾乎沒有影響，而當(dāng)淹沒深度從3m增加到7m大氣泡擴散裝置的充氧效率提高了20-30%。[12]

Rooney指出，最佳池形設(shè)計，淹沒式渦輪曝氣和擴散曝氣的充氧效率可提高50%。[13]一般而言，橫向環(huán)流混合型較好，擴散裝置對稱并均勻的分布在池底。

表面機械曝氣在高動力密度下，可能出現(xiàn)額外的 問題 ，因為相鄰曝氣器間的相互干擾，產(chǎn)生波浪而降低充氧效率。[14]可以在各個曝氣器之間設(shè)立隔板而解決上述問題。

3.2.4 曝氣設(shè)備供氧量的自動調(diào)節(jié)

隨著污水廠水質(zhì)和水量的變化，需要時時調(diào)節(jié)曝氣設(shè)備的曝氣量，曝氣量的調(diào)節(jié)方式有控制多組曝氣池或多組曝氣單元的運轉(zhuǎn)、使用可調(diào)節(jié)的曝氣系統(tǒng)、采用計算機實時控制的曝氣系統(tǒng)、分期建設(shè)、分期使用曝氣池等。

雖然在曝氣系統(tǒng)和污水(泥)提升系統(tǒng)外的其他系統(tǒng)里也有許多節(jié)能措施，但限于文章篇幅，不在此一一贅述。

4 結(jié)論

由于近幾年國家只注重污水處理廠數(shù)量的建設(shè)而不注重污水處理廠的節(jié)能建設(shè)，隨著近幾年來電費、藥劑、人力等費用的不斷上漲，使污水處理廠的運行費用不斷增加，甚至造成了一大批污水處理廠不能正常運轉(zhuǎn)。所以對污水處理廠進行能耗 分析 ，發(fā)揮污水處理廠的巨大節(jié)能潛力，提高污水處理廠的 經(jīng)濟 效益，是保障污水處理廠正常運轉(zhuǎn)的重要措施，同時也有利于緩解 社會 能源日益緊張的局面。在污水處理廠的設(shè)計、建設(shè)中，盡可能的優(yōu)化設(shè)計，選擇合理的處理工藝，實際合理的構(gòu)筑物，使用節(jié)能的設(shè)備;在污水處理廠的運行中，要大膽運用先進的技術(shù)實現(xiàn)設(shè)備的優(yōu)化運行，加強管理，實現(xiàn)污水的資源化和再利用，那么污水處理才能逐漸向高效低耗的方向 發(fā)展 ，實現(xiàn)其社會效益。

【 參考 文獻 】：

[1] 張建文,張海燕.城市污水處理廠運行管理優(yōu)化方案.城市環(huán)境與城市生態(tài),第14卷4期,2001年8月：18。

[2] W.F.OWEN著，章北平、車武譯.污水能效與能耗，能源出版社，1989年12月：14(有改動)。

[3] 張力，張善發(fā).城市污水處理廠的節(jié)能技術(shù)對策.上海水務(wù)，第19卷2期，2003年：20。

[4] 吳慧芳，孔火良.城鎮(zhèn)小型生活污水處理設(shè)備及其展望. 工業(yè) 安全與環(huán)保，第29卷第5期，2003年：17～20。

[5] 唐受印，戴友芝等主編.水處理工程手冊.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2O04。

[6] 周金全.城市污水處理工藝設(shè)備及招標(biāo)投標(biāo)管理.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2003。

[7] 李亞峰，馬學(xué)文.淺談城市污處處理廠的節(jié)能.節(jié)能，1998年第1期.

[8] 張力，張善發(fā).城市污水處理廠的節(jié)能技術(shù)對策.上海水務(wù)，第19卷2期，2003年：21。

[9] 楊敏，張建強，李亞瀾，污水處理工程中節(jié)能 問題 的探討，工業(yè)安全與環(huán)保.第31卷第2期，2005年：23。

[10] 張力，張善發(fā).城市污水處理廠的節(jié)能技術(shù)對策.上海水務(wù)，第19卷2期，2003年：21。

[11] 王彩霞.城市污水處理廠能源開發(fā)利用與節(jié)能技術(shù).設(shè)計與 研究 ，1991。

[12] Yunt，F(xiàn).，T.Hancuff ，D.Brenner，and G.Shell;“An Evaluations of Submerged Aeration Equipment-Clean water Test Results.”Presented at WWEMA Industrial Pollution Conference, Houston ,Tex ., June 5, 1980。

[13] Rooney，T.，“Influence of Tank Geometry on Aeration Performance.”Proceedings：Working Toward an Oxygen Transfer Standard，ASCE Committee，EPA-60019-78-021，1979。

[14] W.F.OWEN著，章北平、車武譯.污水能效與能耗，能源出版社，1989年12月：132。

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