城市污水處理廠設(shè)備能耗及影響因素分析研究

謝添

摘? 要：近年來，隨著環(huán)境保護(hù)力度的加大，污水處理廠的數(shù)量也逐漸增長，但是污水處理廠在運(yùn)行過程中，由于運(yùn)行需要長期投入費(fèi)用較高、缺少專業(yè)人士運(yùn)營等各種原因，很多污水處理廠不能保證正常運(yùn)行。因此，該文以河北某污水處理廠為例，探討工藝和設(shè)備的能耗情況，重點(diǎn)分別對(duì)預(yù)處理單元、二級(jí)生化處理單元和污泥處理單元進(jìn)行了設(shè)備情況介紹和能耗分析影響評(píng)價(jià)，提出節(jié)能降耗的措施，旨在為污水處理廠的運(yùn)行節(jié)省成本。

關(guān)鍵詞：城市污水處理廠? 處理單元? 污泥? 影響因素

中圖分類號(hào)：X703? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1672-3791（2021）04（a）-0093-03

Analysis on Energy Consumption and Influencing Factors of Each Treatment Unit in Municipal Wastewater

Treatment Plant

XIE Tian

（CCCC Eco Environmental Protection Investment Co.， Ltd.， Beijing， 100020? China）

Abstract： In recent years， with the increase of environmental protection， the number of sewage treatment plants has gradually increased， but in the operation process of sewage treatment plants， due to the long-term investment， high cost， lack of professional operation and other reasons， many sewage treatment plants can not guarantee the normal operation. Therefore， taking a sewage treatment plant in Hebei Province as an example， this paper discusses the energy consumption of process and equipment， focuses on the introduction of equipment and energy consumption analysis and impact evaluation of pretreatment unit， secondary biochemical treatment unit and sludge treatment unit， and puts forward measures for energy saving and consumption reduction， aiming at saving costs for the operation of sewage treatment plant.

Key Words： Municipal wastewater treatment plant; Treatment unit; Sludge; Influencing factors

水是寶貴的自然資源，是工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和人民日常生活中不可或缺的重要物質(zhì)，而且大自然的水體還具有調(diào)節(jié)氣候、凈化環(huán)境的功能[1]。20世紀(jì)以來，全球人口增長了3倍，經(jīng)濟(jì)增長了20倍，用水量增長了10倍。由于生產(chǎn)廢水和生活污水急增，污廢水未經(jīng)全部處理或收集后處理不合格，直接排入自然水體，嚴(yán)重污染我們賴以生存的水資源、破壞我們的生態(tài)環(huán)境、威脅我們的身體健康。

為了加大生態(tài)環(huán)境保護(hù)工作的力度，截至目前為止，我國已建成運(yùn)行4 800余座污水處理廠 ，按照工程壽命30年計(jì)算，這些污水處理廠短期內(nèi)不可能大量重建，因此重點(diǎn)對(duì)污水處理廠的能耗情況進(jìn)行調(diào)查分析和研究評(píng)價(jià)，同時(shí)借助較高水平的污水處理全流程控制技術(shù)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)高水平的節(jié)能降耗，為我國資源循環(huán)再利用和生態(tài)環(huán)境保護(hù)工作進(jìn)行分析和研究具有重要意義。

1? 污水處理廠概況

該文以河北某污水處理廠為研究對(duì)象，該污水處理廠成立于1987年1月，項(xiàng)目投資近7 714.42萬元，工程占地40畝，日處理污水量4萬t。污水處理采用生物脫氮除磷工藝，污水經(jīng)過污水處理廠各單元處理后，最終排放的污水執(zhí)行的標(biāo)準(zhǔn)要求高，是《城市污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB 18918-2002）中一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)，脫水后污泥含水率小于80%，統(tǒng)一運(yùn)至污泥處置中心進(jìn)行集中處置。污水深度處理采用高效沉淀池+活性砂濾池工藝，污泥處理采用帶式濃縮脫水一體機(jī)脫水，消毒采用二氧化氯接觸消毒工藝，如圖1所示。

該處理工藝是以改良生物脫氮除磷工藝為主要的處理工藝，從處理單元的特性上來分類，總共分為4個(gè)：一是格柵處理單元、曝氣沉砂單元構(gòu)成的預(yù)處理階段;二是改良物脫氮除磷工藝處理單元構(gòu)成的生化處理單元;三是二氧化氫消毒單元構(gòu)成的深度處理單元;四是貯泥處理單元構(gòu)成的污泥處理單元。結(jié)合該污水處理廠的實(shí)際運(yùn)行情況，可以知道能耗主要包括直接能耗和間接能耗，其中直接能耗則為用于提升泵、曝氣充氧設(shè)備等運(yùn)行所需要的電能，間接能耗則是指化學(xué)除磷以及污泥脫水等投加的各種藥劑等[2]。

每個(gè)處理單元都消耗能耗，產(chǎn)生能耗最大的處理單元為生化處理單元，耗電量高達(dá)21 792 kWh/d，經(jīng)計(jì)算，占總耗電量的比例超過50%，占58.46%，分析是因?yàn)樯幚韱卧巧锘瘜W(xué)反應(yīng)，需要長時(shí)間開啟曝氣設(shè)備等，以使生化處理單元中微生物和廢水能夠充分的接觸，從而有機(jī)物等重要水質(zhì)指標(biāo)得以去除。產(chǎn)生能耗排在第二位的處理單元是預(yù)處理單元，耗電量將近10 000 kWh/d，經(jīng)計(jì)算，占總耗電量的比例占23.66%。產(chǎn)生能耗最小的處理單元是污泥處理單元，耗電量為6 666 kWh/d，經(jīng)計(jì)算，占總耗電量的比例占17.88%。該單元污泥壓濾機(jī)等設(shè)備并不是一直處于工作的狀態(tài)，是間歇性的工作，所以耗電量小[3]。對(duì)污水處理廠自身的能耗結(jié)構(gòu)分析，分析評(píng)價(jià)污水處理廠的真實(shí)能耗水平，挖掘經(jīng)濟(jì)運(yùn)行潛力，對(duì)推進(jìn)和提升污水處理廠的節(jié)能降耗具有很重要的現(xiàn)實(shí)意義。

作為城市基礎(chǔ)設(shè)施的重要組成部分和水污染控制的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，城市污水處理廠工程的運(yùn)行意義重大。污水處理廠投資建設(shè)投入資金多，運(yùn)行階段同樣需要耗能大，花費(fèi)大量的資金，論文重點(diǎn)對(duì)運(yùn)行階段能耗的影響因素進(jìn)行著重分析。各處理單元的能耗優(yōu)化對(duì)確保凈化廠的運(yùn)行性能和降低費(fèi)用尤為關(guān)鍵，因此下面將從整體優(yōu)化的角度出發(fā)，結(jié)合設(shè)計(jì)規(guī)模、污水水質(zhì)特性，對(duì)污水處理廠能耗占比大的幾個(gè)處理單元進(jìn)行能耗分析和評(píng)價(jià)[4]。

2? 預(yù)處理單元設(shè)備能耗情況及影響因素分析

從污水處理廠的工藝流程圖（見圖1）可以看出，預(yù)處理單元的處理過程為：進(jìn)水井→粗格柵間→進(jìn)水提升泵站→細(xì)格柵間→曝氣沉砂池，該設(shè)備的抽吸泵和其他設(shè)備的能耗在下面詳細(xì)列出。

能耗是由進(jìn)水泵和羅茨鼓風(fēng)機(jī)的運(yùn)行產(chǎn)生的，進(jìn)水提升泵是預(yù)處理裝置所有主要設(shè)備中能耗最高的設(shè)備，功耗達(dá)到7 920 kWh/d。占計(jì)算后的總消耗量，用電量占89.81%，分析歸因于水泵長時(shí)間運(yùn)行。在第二位產(chǎn)生能耗的設(shè)備是羅茨鼓風(fēng)機(jī)，耗電量約為720 kWh /d，經(jīng)計(jì)算，總功耗比為8.16。能耗最低的設(shè)備是粗電網(wǎng)，而粗電網(wǎng)設(shè)備會(huì)間歇運(yùn)行而不是始終運(yùn)行，因此消耗的功率更少[5]。

因此，預(yù)處理單元進(jìn)水提升泵的能耗分析和節(jié)能技術(shù)改造對(duì)于整個(gè)污水處理廠的節(jié)能降耗非常重要。提升泵節(jié)能技術(shù)的改造應(yīng)結(jié)合污水處理廠的具體情況，加強(qiáng)對(duì)提升泵運(yùn)行的管理，如及時(shí)調(diào)整提升泵的運(yùn)行方式等方法。預(yù)處理單元中提升泵能耗高的原因在于設(shè)計(jì)和選擇的早期階段。污水處理廠中使用的吸水提升泵避免了泵輸出功率低和水量增加不足以及污水溢出的現(xiàn)象。但是，由于通常選擇大功率水泵，因此水泵的設(shè)計(jì)揚(yáng)程高于實(shí)際揚(yáng)程，并且在運(yùn)行過程中水泵可能會(huì)偏離高效運(yùn)行區(qū)域。對(duì)預(yù)處理進(jìn)口提升泵系統(tǒng)進(jìn)行節(jié)能技術(shù)改造非常重要，因?yàn)樗速M(fèi)了能源。

3? 二級(jí)生化處理單元設(shè)備能耗情況及影響因素分析

二級(jí)生化處理單元主要設(shè)備有鼓風(fēng)機(jī)、推流器和內(nèi)回流泵等，其中推流器主要用于污水循環(huán)及硝化、脫氮和除磷階段創(chuàng)建水流，完成有機(jī)物的分解和生物脫氮[6]，為后續(xù)泥水分離提供條件;曝氣風(fēng)機(jī)設(shè)備通過曝氣管路向生化池供氧，以提供微生物需要的氧氣。內(nèi)回流泵用于污水處理廠混合液的回流、反硝化脫氨除氨，其主要特點(diǎn)是流量大揚(yáng)程低使其污水混合液一直處于一個(gè)來回流動(dòng)的狀態(tài)，不會(huì)出現(xiàn)凝固的現(xiàn)象。下面對(duì)該單元鼓風(fēng)機(jī)等設(shè)備的能耗情況進(jìn)行詳細(xì)羅列。

鼓風(fēng)機(jī)、內(nèi)回流泵、外回流泵等設(shè)備的運(yùn)行都產(chǎn)生能耗，產(chǎn)生能耗最大的設(shè)備為鼓風(fēng)機(jī)，耗電量高達(dá)17 280 kWh/d，經(jīng)計(jì)算，占總耗電量的比例超過50%，占79.3%，分析是因?yàn)樯幚韱卧泄娘L(fēng)機(jī)是起到曝氣的作用，且長時(shí)間處于運(yùn)行的狀態(tài);產(chǎn)生能耗排在第二位的設(shè)備是外回流泵，耗電量將近2 000 kWh/d，經(jīng)計(jì)算，占總耗電量的比例占9.3%。產(chǎn)生能耗最小的設(shè)備是刮吸泥機(jī)及剩余泵，刮吸泥機(jī)設(shè)備及剩余泵設(shè)備并不是一直處于工作的狀態(tài)，是間歇性的工作，所以耗電量小。

4? 結(jié)語

該文在分析工藝流程和能耗比的前提下，主要關(guān)注預(yù)處理裝置、二級(jí)生化處理裝置和設(shè)備的引進(jìn)以及行業(yè)的能源性能，以正式運(yùn)營的污水處理廠為例，污泥處理單元能耗分析的影響評(píng)估旨在為污水處理廠提供參考，減少生產(chǎn)和運(yùn)營成本，并為運(yùn)營能耗制訂優(yōu)化的控制計(jì)劃。

（1）污水處理廠的能耗主要分為預(yù)處理單元、二次生化處理單元和污泥處理單元這3個(gè)單元，而能耗最高的處理單元是生化處理單元，它的最高能耗為21 792 kWh/d，計(jì)算占總耗電量的58.46%，分析是因?yàn)樯幚韱卧且粋€(gè)生化反應(yīng)，并且曝氣設(shè)備需要長時(shí)間開啟。生化處理單元中的微生物和廢水可以充分接觸，因此去除了重要的水質(zhì)指標(biāo)（如有機(jī)物），產(chǎn)生第二能量消耗的處理單元是預(yù)處理單元，能耗最低的處理單元是污泥處理單元。

（2）污水處理廠預(yù)處理設(shè)備進(jìn)水泵、羅茨鼓風(fēng)機(jī)、細(xì)格柵等設(shè)備的運(yùn)行均產(chǎn)生能耗，進(jìn)水提升泵是主要設(shè)備中能耗最高的設(shè)備。它作為預(yù)處理設(shè)備消耗的電量達(dá)到7 920 kWh /d，占總功耗的89.81%，因?yàn)榻o水泵已經(jīng)運(yùn)行了很長時(shí)間。能耗最低的設(shè)備是粗電網(wǎng)，并且粗電網(wǎng)設(shè)備組合在一起并不能始終工作，由于間歇性運(yùn)行，它消耗的功率更少。

（3）污水處理廠二級(jí)生化處理單元中的鼓風(fēng)機(jī)、內(nèi)部回油泵、外部回油泵和其他設(shè)備的運(yùn)行均產(chǎn)生了能耗。能耗最高的設(shè)備是鼓風(fēng)機(jī)，其功率可達(dá)到17 280 kWh/d。根據(jù)計(jì)算，其占總功耗的50%以上，占79.3%。分析表明，生化處理單元的鼓風(fēng)機(jī)起著曝氣的作用，產(chǎn)生能耗最小的設(shè)備是刮吸泥機(jī)及剩余泵。

參考文獻(xiàn)

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