思顯佩

(中煤科工集團(tuán)武漢設(shè)計研究院有限公司，湖北 武漢 430070)

全球經(jīng)濟(jì)在全面快速增長，城市的現(xiàn)代化工作逐漸加快，當(dāng)前的城市污水處理廠數(shù)量逐漸增加，污水處理率也逐漸提高，為減輕環(huán)境容納能力，提高水環(huán)境質(zhì)量做出了很大貢獻(xiàn)[1]。

污水處理行業(yè)是能耗密集型的產(chǎn)業(yè)，污水處理工藝及設(shè)備的高能耗，將導(dǎo)致整個污水處理運行費用增加，從而加劇能源危機(jī)，污水處理廠的高能耗是值得我們深思的一個問題[2]。因此，必須從中分析高能耗原因，并找出相應(yīng)解決措施，在確保污水處理廠出水達(dá)標(biāo)排放的前提下，降低污水處理廠的運行能耗，對我國發(fā)展綠色經(jīng)濟(jì)，鄉(xiāng)村振興，改善人居環(huán)境發(fā)揮著重要的作用。污水處理廠的污水處理原理是通過一定的技術(shù)手段將污水中的污染物和雜質(zhì)分離出來，獲得能夠達(dá)到一定質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的水源[3]。污水處理廠運行，能源消耗主要在電耗及藥劑兩方面。

污水處理工藝從處理類型上通常分為預(yù)處理階段、生化處理階段、污泥處理階段[4]，三個處理系統(tǒng)，即泵系統(tǒng)、曝氣系統(tǒng)、污泥處理系統(tǒng)等。每個處理單元、每個系統(tǒng)的耗能情況不盡相同，就此，針對每個處理系統(tǒng)的特點選擇相應(yīng)的能耗計算方法，對其能耗影響因素進(jìn)行分析研究。有效的分析城市污水處理廠的能耗影響因素，并對節(jié)能措施探索，對實現(xiàn)減少能源消耗，提升節(jié)能環(huán)保的效果具有重要意義。

1 能耗計算方法

1.1泵系統(tǒng)能耗計算方法

泵系統(tǒng)是污水處理廠不可缺少的部分，但也是耗能最大的部分，據(jù)統(tǒng)計，泵系統(tǒng)的電耗約占污水處理廠電耗的20%[5]。污水提升泵電耗的計算式如下：

(1)

式中：W——電機(jī)實際電耗，kW/h

ρ——污水的密度，kg/m3

g——重力加速度，m/s2

Q——污水泵的實際流量，m3/s

H——污水泵的實際工作揚程，m

η1——水泵的效率，一般取值0.65～0.85

η2——電機(jī)的效率，一般取值0.95

1.2 曝氣系統(tǒng)能耗計算方法

污水處理廠的曝氣是利用風(fēng)機(jī)提供氣源，通過曝氣系統(tǒng)轉(zhuǎn)換成含有壓力及一定含氧量的溶解氧。

曝氣池供氣量計算公式：

Gs=R0/0.3·EA

(2)

《給水排水設(shè)計手冊》給出了實際傳氧速率Ⅳ的換算公式：

鼓風(fēng)曝氣：

(3)

式中：N0——標(biāo)準(zhǔn)傳氧速率，kg/h

C0——混合液剩余DO值，一般用2 mg/L

Cs——標(biāo)準(zhǔn)條件下清水中飽和溶解氧，等于9.17 mg/L

T——混合液溫度，一般為5～30 ℃

Csm——清水平均溶解氧值，mg/L

Csw——清水表面處飽和溶解氧，mg/L

實際計算壓力[5]：

(4)

式中：Qt——曝氣池逸出氣體中含氧量百分率

Pb——裝曝氣裝置處的絕對壓力，kg/cm2

離心風(fēng)機(jī)軸功率計算公式：

P(e)=(風(fēng)量×風(fēng)壓)/(3600×1000×風(fēng)機(jī)效率×機(jī)械效率)

式中：機(jī)械效率直連為100%，聯(lián)軸器為98%，皮帶為95%。

1.3 污泥處理系統(tǒng)能耗計算方法

污泥的類型不同，分為揮發(fā)性污泥、剩余污泥、干污泥，其計算公式不同。為計算簡便，變量少，應(yīng)用方便，本文選擇干泥量計算公式。

干污泥量計算公式[5]：

S=(K1C0-K2D)Q×10-6

(5)

式中：S——干泥量，t/h

C0——原水濁度設(shè)計取值，NTU

K——原水濁度單位NTU與懸浮物Ss單位mg/L的換算系數(shù)，應(yīng)經(jīng)過實測確定

D——藥劑投加量，mg/L

K2——藥劑轉(zhuǎn)化成泥量的系數(shù)

污泥脫水作為污泥處理的關(guān)鍵技術(shù)，其電耗計算式為[4]：

W=tdsbt3

(6)

式中：W——水泵及電機(jī)節(jié)約電耗，k/h

tds——脫水的干固體重量，t/h

t3——脫水機(jī)每天工作時間，h

b——比能耗，kWh/tds

2 污水設(shè)備能耗影響因素

2.1 泵能耗影響因素

在污水處理系統(tǒng)中，泵用來輸送液體或使液體增加壓力，即把機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)橐后w能量，從而達(dá)到抽送液體目的的機(jī)械。泵在污水處理系統(tǒng)中發(fā)揮的作用不可忽視，因此，分析泵能耗影響因素很有必要。

根據(jù)污水提升泵電耗的計算公式，泵的實際電耗與泵的實際流量、實際工作揚程、泵的效率、電機(jī)的效率等因素有關(guān)。

在污水處理廠的設(shè)計中，污水提升泵是按污水最大流量進(jìn)行設(shè)計，回流泵是根據(jù)污水平均流量與設(shè)計回流比進(jìn)行設(shè)計[6]。污泥泵是根據(jù)污泥處理系統(tǒng)中污泥處理設(shè)備配套計算。

泵能耗的一個或幾個因素不相同，則電機(jī)實際能耗則不相同。電機(jī)的實際電耗與泵的實際流量、實際工作揚程成正比關(guān)系，與泵的運行效率成反比。泵的實際流量增大，電機(jī)的實際電耗增加；泵的實際工作揚程增加，電機(jī)的實際電耗將增加；每個廠家的水泵效率不相同，水泵效率高，電機(jī)實際能耗低，反之，水泵效率低，電機(jī)實際能耗高。某個廠家提供的樣本庫數(shù)據(jù)，如WQ10-10-1、WQ15-10-1.5；另一廠家提供的樣本數(shù)據(jù)庫，如WQ10-10-0.75、WQ15-10-1.1。在相同的污水流量、實際工作揚程參數(shù)條件下，需要配套的電機(jī)功率相差0.4 kW。假設(shè)電機(jī)的效率取值相同，則引起電機(jī)功率差別的因素就是水泵的效率不同，則電機(jī)實際能耗不同。如WQ18-15-1.5、WQ10-15-1.5、WQ35-15-3、WQ40-15-4，實際流量對泵能耗有一定的影響。如WQ20-22-3、WQ20-32-5.5，從這兩組數(shù)據(jù)可以看出，泵的實際工作揚程對泵能耗計算影響較大。

2.2 曝氣系統(tǒng)能耗影響因素

污水處理廠能耗最大的單元是生化階段的曝氣系統(tǒng)，約占污水廠能耗的50%[2]。曝氣系統(tǒng)能耗高低對整個污水處理系統(tǒng)的能耗起著決定作用，所以，有必要對曝氣系統(tǒng)的能耗影響因素進(jìn)行分析。

不同的污水處理工藝，可采用不同的曝氣方式，常有的曝氣方式分為：鼓風(fēng)曝氣和表面曝氣[6]。目前各污水處理廠常用的曝氣方式為鼓風(fēng)曝氣。鼓風(fēng)曝氣的原理是利用風(fēng)機(jī)提供氣源，通過風(fēng)管系統(tǒng)送入曝氣池池底，經(jīng)過池底空氣擴(kuò)散裝置，形式擴(kuò)散的氣泡到混合液中，氣泡中的氧迅速轉(zhuǎn)移到液相，供微生物需要。

鼓風(fēng)曝氣系統(tǒng)通常采用的曝氣設(shè)備為離心鼓風(fēng)機(jī)和羅茨風(fēng)機(jī)。離心鼓風(fēng)機(jī)由于噪音小，風(fēng)量、風(fēng)壓可調(diào)，通常用在污水規(guī)模小的污水處理站；羅茨風(fēng)機(jī)噪音大、效率高、風(fēng)量、風(fēng)壓不可調(diào)，通常用在污水規(guī)模較大的污水處理廠[6]。

風(fēng)機(jī)的能耗計算公式顯示，風(fēng)機(jī)的能耗與供氣量、水量、出口風(fēng)壓成正比關(guān)系，與風(fēng)機(jī)效率、機(jī)械效率成反比關(guān)系。出口風(fēng)壓與曝氣池有效水深、曝氣設(shè)備和沿程水頭損失有關(guān)，風(fēng)量則與風(fēng)機(jī)供氣量、有機(jī)污染物去除量、有效水深、曝氣設(shè)備和沿程水頭損失有關(guān)[6]。能耗機(jī)械效率與離心風(fēng)機(jī)的安裝方式不同而不同，為直連式，聯(lián)軸器，皮帶式，其機(jī)械效率分別為100%，98%，95%。

在實際工程設(shè)計中，根據(jù)工程實際情況選擇合適的公式，準(zhǔn)確計算有關(guān)設(shè)計參數(shù)，才能控制曝氣系統(tǒng)的耗能。

2.3 污泥處理系統(tǒng)能耗影響因素

污泥處理是污水處理廠必不可少的處理環(huán)節(jié)。污泥干化及外運處理階段的耗能比較大，約占污水處理廠總能耗的10%～25%[2]，主要體現(xiàn)在污泥產(chǎn)量、藥劑投加和污泥處理設(shè)備三個方面，其能耗的大小主要由污泥產(chǎn)量的多少決定。

污泥處理系統(tǒng)電耗計算公式顯示，其電耗與污泥產(chǎn)量、污泥處理設(shè)備的工作時間成正比關(guān)系；而污泥產(chǎn)量與污水規(guī)模、有機(jī)物含量、SS含量、污水類型、污泥處理標(biāo)準(zhǔn)、污泥量計算準(zhǔn)確度等因素有關(guān)。污水規(guī)模大，有機(jī)物含量高，SS含量高，污泥處理標(biāo)準(zhǔn)高，其產(chǎn)生的污泥量多，反之，則產(chǎn)生的污泥量少。

為了準(zhǔn)確計算污泥量，選擇合適計算公式的同時，還應(yīng)該借鑒和參考當(dāng)?shù)匚鬯畯S的成功經(jīng)驗及數(shù)據(jù)。

3 解決措施

3.1 降低泵能耗的解決措施

泵能耗影響因素是多方面的，因此，將從多方面著手，對整個項目概況做詳細(xì)的調(diào)查研究，做到統(tǒng)籌兼顧，找到降低泵能耗的解決措施，提高泵系統(tǒng)效率。

(1)污水處理廠的高程布置：利用污水處理廠的自然坡度和地形情況，合理緊湊布置各個建、構(gòu)筑物，采用直線式連接，減少連接管的長度，減少彎管和閥門連接數(shù)量，避免多次提升污水。淹沒堰的設(shè)計，有效控制水頭本身跌落差[2]。

(2)泵的合理設(shè)計：根據(jù)不同關(guān)鍵部位，泵的不同作用，選擇合適的型號泵；選擇合理的泵運行臺數(shù)，調(diào)整其運行工況；根據(jù)實際地形精確計算水頭損失，確定污水處理系統(tǒng)的總水損，泵實際工作揚程的選擇。選擇同型號的泵設(shè)備，以便于后期的維護(hù)管理；比較多個設(shè)備廠家特性曲線，選擇電機(jī)效率高，流量、揚程符合設(shè)計要求，而電機(jī)功率相對較小的設(shè)備。采用變頻技術(shù)控制泵的運行，根據(jù)水量、泥量的大小，自動控制泵的運行，達(dá)到提高泵的工作效率。定期對泵進(jìn)行維護(hù)保養(yǎng)，減少機(jī)械磨損造成的工況下降；定期對泵系統(tǒng)進(jìn)行檢修，清除管道、管道附件，泵內(nèi)的結(jié)垢，保證管線及各設(shè)備連接處不滲漏。

3.2 降低曝氣系統(tǒng)能耗的解決措施

曝氣系統(tǒng)可以分為風(fēng)機(jī)房的風(fēng)機(jī)節(jié)能、曝氣池布設(shè)兩部分，所以從這兩個部份找到對應(yīng)的節(jié)能措施。

(1)風(fēng)機(jī)房的節(jié)能措施

風(fēng)機(jī)房的節(jié)能主要體現(xiàn)于風(fēng)機(jī)系統(tǒng)，根據(jù)污水的進(jìn)水參數(shù)指標(biāo)，合理取值，合理選擇計算公式，準(zhǔn)確計算生化池曝氣所需的風(fēng)量；合理設(shè)計曝氣池的池型，曝氣池與風(fēng)機(jī)房距離，減少管道系統(tǒng)水頭損失，計算合適的風(fēng)機(jī)風(fēng)壓；比對多個風(fēng)機(jī)廠家的風(fēng)機(jī)性能參數(shù)表，選擇合適風(fēng)機(jī)型號、風(fēng)機(jī)效率、機(jī)械效率高的風(fēng)機(jī)型號；增加曝氣池溶解氧DO的自動監(jiān)控，出水氨氮指標(biāo)自動監(jiān)測，對風(fēng)機(jī)采取變頻技術(shù)控制，及時調(diào)整風(fēng)機(jī)供風(fēng)量及曝氣時間，精準(zhǔn)曝氣，提高曝氣效率，保證曝氣池中溶解氧含量。定期對風(fēng)機(jī)進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，減少機(jī)械磨損造成的工況下降；定期對系統(tǒng)進(jìn)行檢修，消除閥門、管線破損[7]。

(2)曝氣池的節(jié)能措施

曝氣池的節(jié)能主要體現(xiàn)：采用合理的曝氣方式，通常情況下鼓風(fēng)曝氣的動力效率(每消耗1 kW·h的電所提供的O2量)為1.0～3.0 kg O2/(kW·h)，機(jī)械曝氣的動力效率為1.2～2.4 kgO2/(kW·h)[2]；選擇高效率的曝氣設(shè)施，能夠滿足生化反應(yīng)中不同曝氣量的需求，據(jù)報道，采用微孔曝氣器相比中大氣泡的曝氣器能明顯提高氧轉(zhuǎn)移效率和動力效率；根據(jù)曝氣池氧氣的需求量進(jìn)行差額供氧，合理布置曝氣器，研究發(fā)現(xiàn)，最合理的布置方式為在池子進(jìn)水口的地方多布置，出口的地方少布置；減小管道內(nèi)的阻力以及曝氣池液位高程或堵塞增加的阻力等情況，降低風(fēng)機(jī)壓力，合理布置曝氣池內(nèi)風(fēng)管管路，管徑及管長，優(yōu)化曝氣系統(tǒng)、包括更換曝氣系統(tǒng)、減少曝氣頭數(shù)量、優(yōu)化溶解氧控制等[6,8]。

Sheboygan污水處理廠通過使用高效曝氣器，每年可以節(jié)省33000美元，尤其是在夏季高峰流量時，優(yōu)勢更為明顯。

3.3 降低污泥處理系統(tǒng)能耗的解決措施

污泥處理系統(tǒng)的節(jié)能降耗，可以從絮凝劑投加及污泥處理設(shè)備兩方面采取措施。

(1)絮凝劑投加節(jié)能措施

根據(jù)不同類型的污水，投加的絮凝劑種類不同、投加量也不同，為能夠選用到高效絮凝劑，通常取一定水量投加不同的絮凝劑、不同的投加量做實驗，控制好絮凝劑參數(shù)，協(xié)調(diào)各部分之間的關(guān)系；采用智能化的藥劑投加系統(tǒng)，嚴(yán)格控制投加藥劑的數(shù)量，減少絮凝劑的投加量和投加時間；定期對藥劑投加系統(tǒng)進(jìn)行維護(hù)。

(2)污泥處理設(shè)備的節(jié)能措施

通過不同的污泥量計算公式，比較分析污泥量數(shù)值，確定污泥處理工藝，合理布置污泥處理系統(tǒng)；選擇合理類型、合理型號的污泥處理設(shè)備，常見的污泥脫水機(jī)有三種，帶式壓濾機(jī)，其價格便宜、占地面積小而且能耗低，但投入藥劑量較大；板框式壓濾機(jī)，其占地面積大、能耗較高、操作環(huán)境差；離心脫水機(jī)，其耗水量小、能耗大、價格高[2]。定期對污泥處理設(shè)備進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，減少機(jī)械磨損造成的工況下降；定期對系統(tǒng)進(jìn)行檢修，消除閥門、管線破損。

3.4 節(jié)能降耗的其它措施

借鑒國外發(fā)達(dá)國家，將太陽能集熱板鋪設(shè)于污水處理池上，對太陽能進(jìn)行收集，替代傳統(tǒng)的供電方式。太陽能系統(tǒng)作為一種生態(tài)系統(tǒng)，不需要維護(hù)和電力，節(jié)約能耗[9]。

BobSalmi說，通過使用變頻驅(qū)動器，小型電機(jī)和風(fēng)機(jī)，微型擴(kuò)散器等可以降低一半以上的功耗和電耗。

4 結(jié) 語

從泵運行系統(tǒng)、曝氣系統(tǒng)、污泥處理系統(tǒng)三階段能耗計算公式方面著手，分析污水處理廠的能耗影響因素，主要為設(shè)計階段的合理取值，合理選擇設(shè)備，設(shè)備實現(xiàn)自動化程度，以及設(shè)備的運行維護(hù)情況，才能從整體把握污水處理廠的節(jié)能降耗措施。