污水处理厂运行的节能降耗技术简析

汤  磊¹，赵荣良¹，王树光²

（1、铜山区水利局，江苏省徐州市，221116；2、铜山区新城污水处理厂，江苏省徐州市，221116）

摘  要：随着我国污水处理规模的增加,污水处理厂的能耗也越来越引起重视。从污水处理厂的能耗单元审核、运行参数控制、设备升级改造等方面总结和分析了各种最新的节能降耗技术,并研究了其可行性。结合国外污水处理厂运行中的经验,对其中的一些技术方法提供了实际应用的案例。提出了今后要从污水处理设计、设备选型、运行管理控制、维护、升级改造等每个环节中贯彻节能降耗技术,以达到降低污水处理成本、减小用电量的目标。

关键词：污水处理厂；节能降耗；设计；运行管理；升级改造

前  言

在活性污泥处理系统中,污水处理厂能耗成本占污水处理厂运营维护成本的60%―90%。据美国统计,城镇污水处理厂的总电耗约占美国总电力负荷的3%。随着人口的增长和污染物去除标准的不断提高,未来15年内用于污水处理的总用电量还将继续增加20%以上^[1]。

在我国,随着近几年全国各县级以上城市污水处理设施的不断上马,污水处理率也不断提高,导致了各地的电力资源紧缺日益突出。201年中国城镇污水处理厂用电量约为100亿 kWh，约占全国社会总用电量的0.2％。因此,研究污水处理厂的能耗管理和节能降耗措施,降低污水处理厂的运行总能耗,对我国的经济和社会发展具有重要的意义。

1  污水处理厂的能耗分析

我国城镇污水处理厂能耗主要用于污水、污泥的提升,生物处理的供氧,以及污泥处理这几个工艺过程,其中污水生物处理和污泥处理的单元过程耗能量要占污水处理厂直接能耗的60%以上^[2]。在不同污水处理厂的运行中,实际能耗还与污水处理厂规模、污水的水质特征、处理程度、处理工艺、运行模式等因素有关。要评价污水处理设施的能耗和成本,首先要对各用电设备的情况进行统计分析。采用的技术不同，城市污水处理能耗的差别也很大，而技术的选用主要受污染控制要求和土地资源约束两方面限制。具有硝化作用的深度处理能耗是简单过滤处理技术的2倍，稳定塘类技术能耗较低但需要占用较多的土地。在美国，大型污水处理厂(约38万m3／d)的电耗水平一般为：一级过滤处理0．177kWh／m3，活性污泥法约0.272kWh／m3，深度处理约0.314kWh／m3，具有硝化作用的深度处理约0.412kWh／m3^[3]。造成能耗上升的主要原因是曝气及污泥回流，美国电力研究协会(EPRI)统计了不同工艺、不同规模的美国污水处理厂的平均电耗（见图1）。

图1  美国不同规模的污水处理厂的电耗水平

2  污水处理厂节能途径与技术

2．1  污水处理厂能量利用审核

能量利用审核管理不仅能为处理厂运转提供可靠的基础数据,而且可指导处理厂工艺方案的选择与节能改造。采用生命周期成本分析等方法,对处理系统和各单元组件进行分析并优化,以达到降低能耗需求和成本的目的;采用能量利用程序对能量利用进行审核,还能用以辅助管理污水处理厂的设备的维护,确定设备升级改造或者更换的最佳时机^[4]。能量审核评价程序分为两步,第一步是工程可行性研究,包括推荐技术方案的评估,初步设计工作,项目的工作范围、成本以及财务评价等。第二步是详细设计工作,包括施工、试运行、培训、运行与维护,并根据在线监测来检验系统改造后的成果。从工程的前期到工程运行后的整个流程对污水处理厂的能耗状况进行审核,以确定具备节能降耗潜力的单元。

2.2  控制污水处理厂运行参数

2.2.1  反应器单体在线数

考虑到今后发展的要求,或者为了抵抗工业废水和暴雨径流的冲击负荷,一般污水处理厂设计时都会预留一定的容量,在运行中反应器容积如全部在线,会导致活性污泥系统长期处于低负荷运行状态。如果负荷率能维持在正常水平的话,那么能量的利用率也可以提高。例如,在旱季时,如果污水处理厂的生物反应器有2个或2个以上在线时,建议对污水处理厂的运行情况进行分析,评价在停止其中一个运行后对污水处理厂的运行负荷是否会对出水造成影响,大部分污水处理厂在旱季减少反应器容积后仍能保持较好的处理效果。

2.2.2  单位容积的能量输入

生物反应器内能量的输入必须满足均匀混合和氧气传递的需要。最低能量输入值是保证污泥处于悬浮状态所需的能量,如果单位容积内能量输入超过最大需要值,活性污泥絮体会发生剪切作用而被破坏,从而影响污泥的沉降性能。

2.2.3  溶解氧水平

许多污水处理厂的生物反应池会曝气过度,主要原因是缺乏自动调节系统,或者是为了保险起见。过度曝气直接导致了能耗的浪费,并会使污泥的沉降性变差。图2混合液DO浓度与能耗的关系，由图2可以看到,曝气池中的DO从2mg/L升高到5mg/L,所需要消耗的能量增加了近一倍[5]。因为氧气溶解在水中的动力是氧浓度梯度,如果混合液中的DO越高,则浓度梯度越小,氧扩散速率越慢。最节能的方法是根据降解污水中有机物和硝化所需的最低需氧量进行供氧曝气,并维持稳定的DO浓度。对于一般的活性污泥系统,DO为1.2―2.5mg/L。由于进水有机负荷的不稳定,实际运行中,一般下午和傍晚的需氧量要比夜间和早晨的需氧量大,因此维持稳定DO浓度所需的鼓风量也要实时调整。

图2 混合液DO浓度与能耗关系

2.2.4  污泥龄MCRT

通过控制活性污泥的MCRT也可以实现节能的目的。一般而言,在不需要进行硝化的反应器中,MCRT可控制在6―10d,在温度20e时,基本能满足碳基BOD的去除效果;而有硝化要求的反应器中,MCRT一般至少需要8―10d,才能出现硝化反应,当MCRT达到20d以上时,硝化反应才能较完全发生。从能耗对比来看,不需要硝化脱氮的反应器的能耗比进行硝化反应的能耗可以节约30%―40%。

2.3  升级改造设备和控制系统

2.3.1  节能曝气

根据美国1982年的统计数据^[6],北美地区污水处理厂的曝气设备总能耗功率约为1.3x10kW。

曝气系统的能耗占活性污泥系统的污水处理厂总能耗的40%―70%。因此,对曝气系统进行节能研究改造具有重要意义。

扩散曝气系统是目前使用最为普遍的充氧方式,曝气设备的充氧能力取决于多个因素,包括曝气头类型、池体形状、扩散器安装深度、水温、环境大气压、曝气器设计以及污水的特征等。

氧转移效率(OTE)是衡量曝气系统的重要指标,OTE的改善能有效提高能量利用效率。影响氧转移效率的因素有水质特征、反应器水深、气泡直径、风量风速、扩散器密度以及曝气头的堵塞情况等。

OTE随着生物反应器中扩散器数量的增加而提高,有些污水处理厂在设计时根据反应池的尺寸来布置和安装曝气器;还有些污水处理厂采用将原有的粗孔曝气器更换为微孔曝气器,这样也能大大提高用电效率。据某污水处理厂统计,全部更新所有的曝气头后每年能节约的电费为100000美元,投资回收期为4年^[7]。

对于维持混合液悬浮而言,也可以采用混合效率更高的其他专用设备(如潜水搅拌器等)来替代曝气设备,这样就可以关停曝气设备,大大减少能量需求。

2.3.2  水泵

与活性污泥工艺相关的水泵设施主要有初次或中途提升泵、污泥回流泵、剩余污泥泵和内回流泵。按照北美地区的运行经验,一般提升水头减少0.3m,可以节约能耗成本0.0304美元/(m3/d)。

对水泵的运行而言,可以采取如下措施来改善水泵效率:

(1)泵运行时尽量保持在高效区间内(如应控制2台泵运行在额定流量90%,而不是3台泵运行在额定流量的60%);

(2)调节水位控制器,使水泵运行的启闭尽量减少,使出水水流稳定;

(3)利用电容补偿(大型水泵)来改善功率因子;

(4)如果水泵一直在低效区低负荷下运行,可以减小叶轮的尺寸;

(5)对于定速水泵,当流量变化范围较大时,采用可调速电机或者多级变速电机驱动。2.3.3  变频控制器

风机、水泵在水处理行业是经常使用的通用机械。以往风机、水泵采用恒速交流电动机拖动,通过调节挡板或阀门开度大小来调节风量或流量,这势必造成电能的浪费。若利用变频调速技术,以调节电动机转速的方法取代调节挡板或阀门,则将达到节约电能目的。因为这类负载的输入功率和转速的3次方成正比,利用调速使流量减少,则异步电动机的输入电功率按立方规律下降,从而使耗电量大大降低,节能效果十分显著,达20%以上^[8]。国内的工程实际运行数据表明,使用变频调速设备可使水泵平均转速比工频转速降低20%以上,综合节能效率可达20%~40%。与采用挡板、阀门调节流量相比,可节能40%~60%。对于中小型的污水处理厂,一年左右就可收回投资成本^[9]。

2.3.4  电机效率

根据统计,典型污水处理厂的电机运行所消耗的电力约占总电耗的90%左右^[10]。影响电机效率主要因素有供电电压、电机的尺寸、设计以及运行荷载等。一般高效电机的效率比普通电机高出8%左右,虽然高效电机的一次性投资比普通电机高10%~15%,但在电机投入运行后,该部分投资的回收期很短,一般几个月或者数年就可回收增加的成本。因此,在污水处理厂新建设计或升级改造工程中,应优先选用高效电机^[11]。

2.3.5  监控系统

自动监测和控制是有效的节能工具。在污水处理中,最常用也是最有效的控制指标是DO浓度。从工艺角度看,DO浓度的监测,可以减少或避免过度曝气和不必要硝化反应;从设备运行的角度看,DO浓度可以调节机械曝气器的淹没深度,鼓风机的输出风量以及水泵的流量等,这些设备的运行工况对总能耗均具有重要影响。DO传感器直接关系到DO控制系统的正常使用与控制精度。随着技术的进步,DO传感器可以做到连续自动清洗,而无需人工清洗维护,同时自动监测的精确度也大大提高,为节能与正常运行提供了保证。根据美国西雅图、华盛顿地区的污水处理厂的工程改造经验,升级改造中更换新的在线DO传感器的成本可以通过节能措施在3年内收回成本。

3  结语

污水厂的节能降耗是一项系统的和需持续改进的工作。在运营管理中，应充分调研污水厂的能耗水平，制定切实可行的目标.随着科技的进步和新设备新工艺的开发,污水处理厂的节能降耗的技术也在不断发展更新。污水处理厂的节能降耗是一项综合性工作,涉及到工艺、设备、电气及自控等多个环节,多学科的交叉和各种技术的融合是其发展的必然趋势。今后污水处理厂的节能技术应从设计、设备选型、运行管理控制、维修、升级改造等每个环节进行贯彻审核,以降低污水处理成本,减小用电量。

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[10] Water pollution control federation. Prime movers: engines, motors, turbines, pumps, blowers & generators. Manual of Practice No .OMO5, Washington, D.C, 1984

[11] California energy commission. Water /waste water process energy, Emerge Efficient Motors,2003.

作者简介：汤磊，男，助理工程师，铜山区水利局科员，铜山区生态办成员，从事铜山区建制镇污水处理设施建设工程项目及国家生态区（水利部门）创建工作；赵荣良，男，高级工程师，铜山区水利局副局长；王树光，男，工程师，铜山区新城污水处理厂厂长。