地下式污水處理廠節(jié)能設(shè)計實(shí)例分析

陳靜　張炳學(xué)　王巍巍　張愛平

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

關(guān)鍵詞：地下式污水處理廠;節(jié)能;設(shè)計

中圖分類號：X703 文獻(xiàn)標(biāo)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(tài)文明建設(shè)和城市化進(jìn)程快速推進(jìn)，城市環(huán)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(jié)省土地資源，節(jié)省管網(wǎng)投資，視覺、噪聲和臭氣污染小等特點(diǎn)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(huán)境效益，但是投資與成本高、運(yùn)行維護(hù)困難、安全風(fēng)險大等問題也是現(xiàn)階段限制其廣泛應(yīng)用的關(guān)鍵因素[2]。由于出水提升、除臭通風(fēng)等因素，地下式污水處理廠運(yùn)行期間耗電量比較大，運(yùn)行費(fèi)用較高，嚴(yán)重影響污水處理廠的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，在污水處理廠設(shè)計中需要引起足夠的重視。

1 工程實(shí)例

為滿足城市發(fā)展的需要，我國中部地區(qū)某城市擬新建一座污水處理廠。考慮到人口入住規(guī)模，近期污水處理廠處理規(guī)模定為10萬m3/d，項目設(shè)計進(jìn)水水質(zhì)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(huán)境質(zhì)量越來越高的要求，出水水質(zhì)設(shè)計為地表Ⅲ類水水質(zhì)（氨氮除外）。設(shè)計進(jìn)出水水質(zhì)指標(biāo)具體情況如表1所示。

根據(jù)本工程進(jìn)出水水質(zhì)要求和處理規(guī)模，經(jīng)多種污水處理工藝分析，從技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、節(jié)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(jīng)板框脫水后運(yùn)送至污泥處理廠進(jìn)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(jìn)水泵房、細(xì)格柵及曝氣沉砂池、精細(xì)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(fēng)機(jī)房、生物除臭間、通風(fēng)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(jī)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(jīng)核算，項目年綜合能源消費(fèi)量當(dāng)量折標(biāo)為2 707.23tce，等價折標(biāo)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(chǎn)系統(tǒng)、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(tǒng)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(shè)標(biāo)準(zhǔn)》（2001年修訂）中的能耗限額標(biāo)準(zhǔn)。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(jié)能措施

2.1 合理選擇建廠地點(diǎn)

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

2.2 平面布置設(shè)計良好

項目總平面布置緊湊、流程清晰，聯(lián)系協(xié)作條件好。分變配電間位于鼓風(fēng)機(jī)房附近，減少供電損耗。污泥脫水機(jī)房臨近廠區(qū)主干道的出入口，便于污泥運(yùn)輸。廠前區(qū)、宿舍及食堂位于廠區(qū)另一主道出入口附近，交通便利。構(gòu)筑物的總平面布置從進(jìn)水到出水流程較順，管道規(guī)劃較為合理，減少了管道工程量及污水動力消耗量。鼓風(fēng)機(jī)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(gòu)筑物布置緊湊，有利于污水處理廠的生產(chǎn)管理，實(shí)現(xiàn)管理節(jié)能。

2.3 合理選擇處理工藝

項目粗格柵選用回轉(zhuǎn)式固液分離機(jī)，細(xì)格柵選擇內(nèi)進(jìn)流網(wǎng)板格柵機(jī)，按時間順序控制，周期運(yùn)行，同時根據(jù)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(zhì)要求較高，需采用脫氮除磷效率高的工藝。經(jīng)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(chǔ)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(tài)氮的反硝化，好氧段主要用于去除反硝化過程產(chǎn)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(zhì)穩(wěn)定達(dá)標(biāo)，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(yīng)所需堿度數(shù)量的50%、所需氧量的42%[4]，噸水電耗比氧化溝工藝低15%～20%。

結(jié)合本工程用地情況、進(jìn)出水水質(zhì)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(shè)模式，出水水質(zhì)嚴(yán)格，宜選用占地面積小、處理效率高的工藝，因此化學(xué)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?；钚越辜夹g(shù)屬于最經(jīng)濟(jì)有效的低能耗、無污染的綠色水處理技術(shù)，投資少、見效快。特別是在市政污水深度處理方面，該技術(shù)在脫色和去除COD上有非常大的優(yōu)勢，還不受氣溫影響，進(jìn)水波動受影響小，抗沖擊能力強(qiáng)。V型濾池在水處理上應(yīng)用廣泛，具有節(jié)省儀表和閘門、可實(shí)現(xiàn)恒水位等速過濾等多項優(yōu)點(diǎn)。

本工程規(guī)模較大，臭氣處理目標(biāo)較高，同時，污水廠采用地下式，運(yùn)營管理人員處于封閉的廠區(qū)環(huán)境，為了降低整體除臭風(fēng)量，整個生化系統(tǒng)采用全過程除臭，即在生物池、好氧池安裝微生物培養(yǎng)箱，并將部分污泥回流至預(yù)處理前段。

此外，粗格柵及進(jìn)水泵房、細(xì)格柵及曝氣沉砂池、精細(xì)格柵及生物池厭缺氧段等區(qū)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(fēng)量較大，考慮到景觀效果，其選擇土壤除臭濾池;脫水機(jī)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(lián)工藝。

2.4 合理選擇耗能設(shè)備

本工程選用的設(shè)備均為技術(shù)先進(jìn)、高效節(jié)能的產(chǎn)品，能夠經(jīng)濟(jì)運(yùn)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(huán)節(jié)，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(yīng)用的潛水排污泵耗能較大，項目通過優(yōu)化設(shè)計、變頻處理等多項措施優(yōu)化選型。與生化池配套的鼓風(fēng)機(jī)選用磁懸浮鼓風(fēng)機(jī)，采用磁懸浮軸承，沒有接觸損失和機(jī)械損失，實(shí)現(xiàn)了高轉(zhuǎn)速無極變轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)[5]，使得風(fēng)機(jī)運(yùn)行效率較高，節(jié)約運(yùn)行能耗。項目除臭選用離心鼓風(fēng)機(jī)，該設(shè)備以提高轉(zhuǎn)速來達(dá)到所需風(fēng)壓，較多級風(fēng)機(jī)流道短，減少了多級間的流道損失，設(shè)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(tǒng)采用目前國內(nèi)外污水處理工程廣泛應(yīng)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(tǒng)以及監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集（SCADA）系統(tǒng)。本工程供生化池曝氣用的鼓風(fēng)機(jī)采用離心風(fēng)機(jī)，并設(shè)置變頻調(diào)速裝置控制來控制鼓風(fēng)機(jī)的流量[6]，以達(dá)到節(jié)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(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)，達(dá)到精準(zhǔn)調(diào)節(jié)曝氣量的目的。生物處理系統(tǒng)增加精確曝氣系統(tǒng)，可節(jié)能約10%[7]。

2.6 附屬設(shè)施節(jié)能分析

嚴(yán)格控制地上建筑辦公樓及餐廳等公共建筑體型系數(shù)和進(jìn)風(fēng)側(cè)的窗墻比，以兼顧自然通風(fēng)采光和日射得熱的控制，達(dá)到節(jié)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(nèi)設(shè)置廠內(nèi)回用水泵3臺（2用1備），用于設(shè)備清洗、藥劑配置、道路和綠化澆灑等，回用污水廠出水，節(jié)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(nèi)路燈設(shè)置太陽能板，進(jìn)行太陽能利用。

3 結(jié)論

隨著城市化的發(fā)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(jīng)成為一種趨勢。但是，運(yùn)行高能耗成為制約地下式污水處理廠發(fā)展的重要因素，節(jié)能問題需要在地下式污水處理廠的設(shè)計中得到重視。該污水處理在設(shè)計階段通過新工藝、新技術(shù)、新方法的運(yùn)用，在保證污水處理達(dá)到要求的前提下減少各方面的能耗。本工程運(yùn)用的節(jié)能措施在設(shè)計污水處理中應(yīng)用普遍，對地下式污水處理廠的節(jié)能設(shè)計有一定的借鑒意義。

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