污水處理廠相關(guān)節(jié)能措施的分析研究

(中國市政工程中南設(shè)計(jì)研究總院有限公司，湖北 武漢 430010)

根據(jù)住建部相關(guān)公告，截至2014年3月底，我國城鎮(zhèn)污水處理廠規(guī)模已經(jīng)達(dá)到3622座，總污水處理規(guī)模約1.53億m3/日。大批污水廠建成，表明我國在水環(huán)境污染設(shè)置方面取得了驕人成績。

在取得成績的同時(shí)也產(chǎn)生了一些新的問題。由于污水處理廠有大量用電設(shè)備，所以其能耗比較大。如何降低能耗，對于污水處理廠的運(yùn)營有十分重要的意義。

1 污水處理廠相關(guān)能耗分析

1.1 能耗的類型

污水處理廠要維持正常運(yùn)行，需要消耗電力、汽油、柴油以及一部分水，對于某些特定的廠還需消耗熱力與天然氣來維持運(yùn)營。

a.電能消耗。污水處理廠工藝設(shè)備均需要電力驅(qū)動(dòng)，故電能消耗是污水處理廠運(yùn)營的主要成本。

b.油耗。運(yùn)送污泥、絮凝劑、藥劑用的運(yùn)輸車消耗汽油或柴油。

c.水耗。污水處理廠需要消耗一部分水做工質(zhì)來維持運(yùn)營。如消防生活用水、設(shè)備冷卻與沖洗用水、溶解與稀釋藥劑用水、綠化澆水、建筑物與道路清洗用水、水射器壓力水等。

d.氣耗。對于裝有污泥深度處理設(shè)施的污水處理廠，需要消耗天然氣用于污泥干化。

e.熱力。地處北方的污水處理廠冬天是需要鍋爐采暖的。

1.2 主要設(shè)備的耗能

以一座(出水達(dá)到GB 18918一級B標(biāo)準(zhǔn))10萬t/天二級城鎮(zhèn)污水處理廠為例，其處理工藝流程如下圖所示。

污水處理廠工藝流程圖

污水處理廠耗能設(shè)備按照其用途可劃分如下：

a.工藝設(shè)備。工藝單體中主要用電設(shè)備有：粗格柵及進(jìn)水泵房的潛水提升泵；生化池諸多潛水推流器、潛水?dāng)嚢杵?、污泥?nèi)回流泵；污泥泵房的回流污泥潛水泵及剩余污泥潛水泵；鼓風(fēng)機(jī)房的鼓風(fēng)機(jī)；污泥脫水車間的脫水機(jī)系統(tǒng)。

工藝單體中主要水耗設(shè)備有：加氯間的水射器；鼓風(fēng)機(jī)房的鼓風(fēng)機(jī)(若采用水冷卻鼓風(fēng)機(jī))；污泥脫水車間的脫水機(jī)系統(tǒng)。

b.電氣設(shè)備。廠內(nèi)變壓器、高低壓電氣設(shè)備具有一定的電能損耗。同時(shí)儀表、自控設(shè)備需要電能維持運(yùn)行。

c.輔助設(shè)備?？傮w來說廠區(qū)輔助建(構(gòu))筑物的使用頻率低，耗能相對少。僅機(jī)修間在使用時(shí)用電量稍微多點(diǎn)。

d.生活設(shè)備。廠區(qū)存在一部分生活建筑物，如綜合樓、食堂、宿舍等，這些建筑物里面有熱水器、空調(diào)等耗電設(shè)備；廠區(qū)人員日常需要生活用水；食堂需要消耗一定的天然氣。

e.照明設(shè)備。為了夜間維持廠區(qū)正常生產(chǎn)，廠區(qū)與各建(構(gòu))筑物的照明會(huì)帶來一部分電耗。

1.3 相關(guān)能耗分析

資料顯示:美國二級污水處理廠平均能耗值為0.20kW·h/m3，我國二級污水處理廠能耗值范圍為0.12～0.40kW·h/m3，其平均值為0.26kW·h/m3，相比于發(fā)達(dá)國家，我國污水處理廠在節(jié)能方面還有很多工作要做。根據(jù)國內(nèi)專家梅小樂、周燕相關(guān)城市污水處理廠節(jié)能水平分析報(bào)告，國內(nèi)5%城鎮(zhèn)污水處理廠的能耗較大，其能耗值大于0.30kW·h/m3，85%城鎮(zhèn)污水廠的能耗值控制在0.20～0.30kW·h/m3的范圍內(nèi)，10%城鎮(zhèn)污水廠的能耗較低，其能耗值小于0.20kW·h/m3[1]。因此，城市二級處理廠耗電指標(biāo)不宜超過0.15～0.28kW·h/m3，這是最新版《城市污水處理工程項(xiàng)目建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)》所要求的。

以河南濮陽污水廠10萬t/天污水處理廠為樣本，其能耗現(xiàn)狀見表1和表2。

表1 河南濮陽污水處理廠電耗情況

續(xù)表

注表中所示功率為設(shè)備安裝功率，其中包含備用設(shè)備。耗電量是根據(jù)污水處理廠滿負(fù)荷以及其對應(yīng)的運(yùn)行時(shí)間得出的。一般設(shè)備的功率計(jì)算依據(jù)需要系數(shù)法進(jìn)行，大型風(fēng)機(jī)、水泵的功率計(jì)算依據(jù)軸功率法進(jìn)行。

表2 河南濮陽污水處理廠總能耗情況

由表1、表2格數(shù)據(jù)可得出結(jié)論，在該污水廠各項(xiàng)耗能指標(biāo)中，耗電量占比最重達(dá)97%，油耗、氣耗、水耗的占比都很小，故廠區(qū)節(jié)能的重中之重是減少電耗。

從表1可知，生化系統(tǒng)(曝氣設(shè)備及攪拌設(shè)備)、污泥處理系統(tǒng)、提升水泵系統(tǒng)(進(jìn)水提升泵及污泥泵)應(yīng)該是廠區(qū)節(jié)約電能的重點(diǎn)區(qū)域。

2 污水廠節(jié)能應(yīng)對措施

2.1 處理規(guī)模及標(biāo)準(zhǔn)的合理制定

能耗量主要取決于污水處理廠規(guī)模及污染物去除率。

2.1.1 污水處理廠規(guī)模

在已建成的污水處理廠運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明，大廠的能耗要低于小廠的能耗，污水處理的集中度越高越能較少能耗。故應(yīng)盡可能地將污水集中處理。

雖然污水廠處理規(guī)模越大越節(jié)能，但如果污水處理廠設(shè)計(jì)規(guī)模太大以至超出實(shí)際進(jìn)水量，將會(huì)造成較大的經(jīng)濟(jì)浪費(fèi)，同時(shí)也會(huì)使得某些設(shè)備(如生物池?cái)嚢铏C(jī))浪費(fèi)電能運(yùn)行，因?yàn)闊o論污水量大小，其都需要全開。因此合理確定污水處理廠的規(guī)模，也是污水處理廠節(jié)能的一項(xiàng)有效措施。

同時(shí)，加強(qiáng)管網(wǎng)建設(shè)尤其是雨污分離，減少雨水、地下水、地表河流水的影響，也可降低污水處理廠的能耗。

2.1.2 污水處理廠進(jìn)出水標(biāo)準(zhǔn)

明確污水處理廠進(jìn)廠水的水質(zhì)，避免因進(jìn)廠水設(shè)計(jì)水質(zhì)指標(biāo)比實(shí)際進(jìn)廠水水質(zhì)指標(biāo)高太多，從而造成設(shè)備配置過高，以至于設(shè)備不能在最有效的工況下運(yùn)行，造成較大的能耗。

制定合理的出水標(biāo)準(zhǔn)。一般情況下，如果污水處理廠過高地提高出廠水標(biāo)準(zhǔn)，將會(huì)給污水處理廠帶來較多的電耗、藥耗以及投資，同時(shí)因提高出水標(biāo)準(zhǔn)而去掉的污染物的量卻不是很多，總體性價(jià)比不是很高。

2.2 污水處理工藝的節(jié)能性

根據(jù)有關(guān)資料,國內(nèi)各種主流污水處理工藝能耗見表3[2]。

表3 國內(nèi)各常規(guī)工藝能耗情況

就目前國內(nèi)主流處理工藝如SBR系列、氧化溝系列、A2/O系列等而言，A2/O系列的特點(diǎn)是運(yùn)用鼓風(fēng)曝氣，從而達(dá)到較好的脫氮除磷效果，整體技術(shù)成熟，可作為頭號方案使用。

2.3 工藝選型的節(jié)能性

2.3.1 生化系統(tǒng)設(shè)備的節(jié)能選型

a.曝氣設(shè)備一般分底曝和表曝兩種，根據(jù)現(xiàn)有運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，鼓風(fēng)曝氣(底曝)運(yùn)行效率高于表曝。就鼓風(fēng)機(jī)的選擇又有多種類型，按照其效率高低來分主要有單級高速離心風(fēng)機(jī)、多級離心風(fēng)機(jī)、羅茨風(fēng)機(jī)，若采用底曝工藝，最優(yōu)選擇應(yīng)是單級高速離心風(fēng)機(jī)。若因?yàn)橐恍┨厥庠蜻x擇表曝工藝，轉(zhuǎn)碟設(shè)備的效率高于轉(zhuǎn)刷，尤其是新型1.5m直徑的轉(zhuǎn)碟效率更是高于普通轉(zhuǎn)碟。

b.合理選擇高效曝氣器如采用高效微孔曝氣器等，可使氧的傳質(zhì)效率得到提高。

c.由于污水處理廠在污水處理過程中，水量、水質(zhì)不斷地在變換波動(dòng)，生物池的微生物的生化反應(yīng)所需要的氧量也是不斷變化的，因此需要不停地調(diào)整風(fēng)量。為了避免過度曝氣造成不必要的能耗，需采用先進(jìn)的控制系統(tǒng)，達(dá)到精確曝氣的效果，提高設(shè)備利用率?？稍谏锍睾醚鯀^(qū)合理位置適量布置攪拌裝置，在水量較小、水質(zhì)濃度較低時(shí)只需潛水?dāng)嚢杵?或潛水推流器)就可維持最低流速，此時(shí)可降低表曝機(jī)或鼓風(fēng)機(jī)的利用率，從而節(jié)省大量電能。

2.3.2 提升系統(tǒng)設(shè)備的節(jié)能選型

a.關(guān)于提升泵采用的節(jié)能措施。采用水泵效率至少為85%的高效泵。

選取泵揚(yáng)程時(shí)，應(yīng)使泵高效運(yùn)行時(shí)進(jìn)水泵處于高水位；若管線水頭損失經(jīng)過精確計(jì)算可忽略安全水頭。

由于進(jìn)水量的波動(dòng)性較大，為適應(yīng)這種波動(dòng)性，可利用變頻調(diào)速技術(shù)或采取大小泵搭配的方法。

可采取如下措施減少進(jìn)水泵揚(yáng)程：一是污水處理廠常見水泵出水方式基本上有兩種：單管出水和多管出水，由于采用單管出水時(shí)水泵運(yùn)行相互沒有影響，可使每臺(tái)泵均處于高效狀態(tài)，降低水頭損失，在條件允許時(shí)，可作為頭號方案。二是設(shè)計(jì)廠區(qū)規(guī)劃布置時(shí)，應(yīng)達(dá)到構(gòu)筑物布置合理、流程通暢，在條件允許的情況下，盡可能采用渠道連接，以使構(gòu)筑物之前的水頭降低。三是涉及到配水堰時(shí)，盡量選擇淹沒堰，以降低跌水；若污水處理廠存在間歇提升的情況，需綜合考慮進(jìn)水提升、出水提升的揚(yáng)程，這樣可使兩者總的電耗最低。

b.污泥回流提升節(jié)能。挑選合理的泵型。理論上，選用揚(yáng)程約為4m的污泥外回流泵能滿足運(yùn)行要求。實(shí)際生產(chǎn)中選用的揚(yáng)程偏高的潛水泵，運(yùn)行時(shí)根本不在高效段。在條件允許的情況下盡可能使用軸流泵或螺桿泵。內(nèi)回流宜選用水頭在0.5～1.0m的墻式安裝潛水回流泵。

污水處理廠實(shí)際運(yùn)行過程中，應(yīng)明確實(shí)際污泥回流量。對污泥回流泵盡量采用變頻調(diào)速技術(shù)。

2.3.3 污泥脫水系統(tǒng)設(shè)備的節(jié)能選型

a.根據(jù)出泥要求選擇合理的脫水機(jī)型。國內(nèi)用得比較多的是帶機(jī)和離心機(jī)。單從耗電量方面考慮帶機(jī)遠(yuǎn)低于離心機(jī)。對于某些小型污水處理廠可考慮使用疊壓脫水機(jī)。

b.增設(shè)污泥預(yù)處理系統(tǒng)。對于大型污水處理廠，增設(shè)機(jī)械濃縮機(jī)、污泥重力濃縮池，可達(dá)到減脫水車間進(jìn)泥量的目的。對于小型污水處理廠，可在貯泥池中增設(shè)潷水器或增設(shè)污泥預(yù)濃縮池，這樣既能降低脫水設(shè)備的能耗，也能降低出泥的含水率，降低運(yùn)輸成本以及后期處理能耗。

c.污泥脫水系統(tǒng)的用水盡量采用再生水可減少水耗。

2.4 電器選型的節(jié)能性

2.4.1 選擇高效供電方案

a.電器設(shè)備如變壓器、電動(dòng)機(jī)等宜選用節(jié)能高效型。選擇變壓器容量時(shí)，其負(fù)荷率最好控制在75%～85%范圍內(nèi)，最低為60%，否則變壓器運(yùn)行就不經(jīng)濟(jì)。

根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況結(jié)合業(yè)主要求，選用相應(yīng)的無功補(bǔ)償設(shè)備，從而達(dá)到減少線路損耗的目的。

提高設(shè)備配套電機(jī)的效率。電機(jī)的負(fù)載率不應(yīng)低于額定容量的40%。

b.設(shè)計(jì)合理的配電系統(tǒng)，應(yīng)將廠區(qū)線路損耗控制在3%，其做法有：?廠區(qū)變配電中心布置在負(fù)荷較多的區(qū)域；?選擇電纜截面時(shí)應(yīng)綜合考慮技術(shù)與經(jīng)濟(jì)性，取技術(shù)性和經(jīng)濟(jì)性中截面較大者，從而達(dá)到節(jié)能效果。

2.4.2 建立污水處理廠節(jié)能控制管理體系

a.在污水處理廠生化處理系統(tǒng)、污水提升系統(tǒng)設(shè)置監(jiān)測儀表，結(jié)合先進(jìn)的微機(jī)節(jié)能管理軟件體系，在工藝運(yùn)行不受影響的前提下，達(dá)到節(jié)能的效果：?以溶氧為參考量，對生物池實(shí)行精確曝氣，從而降低鼓風(fēng)機(jī)的電耗。國外相關(guān)調(diào)查報(bào)告表明，采用以上方法對鼓風(fēng)機(jī)進(jìn)行控制可以減少33%的電耗。?以進(jìn)水流量作為參考，自動(dòng)調(diào)節(jié)泵的啟停、運(yùn)行臺(tái)數(shù)、轉(zhuǎn)速、運(yùn)行時(shí)間，實(shí)現(xiàn)水泵的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

b.全廠實(shí)行能源監(jiān)控，為運(yùn)行人員應(yīng)對廠耗變化提供調(diào)度依據(jù)。

c.照明節(jié)電。設(shè)置諸如光控以及帶太陽能電池板的智能高效燈具。

3 結(jié) 語

綜上所述，我國污水處理廠的能耗以電耗為主，其他能耗占比較小。故污水處理廠的節(jié)能應(yīng)以節(jié)電為主要方向。第一，合理確定污水處理廠總的規(guī)模與出水標(biāo)準(zhǔn)，控制好總的能耗量。第二，在污水處理工藝與電器設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，多選用高效節(jié)能的設(shè)備以及多采取一些相應(yīng)的節(jié)能措施，尤其是曝氣系統(tǒng)、進(jìn)水提升系統(tǒng)、污泥脫水系統(tǒng)。

[1] 梅小樂，周燕.城市污水處理廠節(jié)能水平評估標(biāo)準(zhǔn)探討[J].給水排水，2011(3)：45-49.

[2] 錢易，米祥友.現(xiàn)代廢水處理新技術(shù)[M].北京：中國科學(xué)技術(shù)出版社，1993.