城市污水处理厂能耗分析及节能措施

2012-08-15刘洁岭蒋文举

绿色科技 2012年11期

刘洁岭，蒋文举

（四川大学建筑与环境学院，四川成都610065）

1 引言

随着我国社会经济的发展和城市化进程的加快，工业污水和生活污水排放量剧增，污水处理厂数量随之增多，规模也不断扩大。但污水处理是一种高能耗产业，能源消耗主要包括电能、燃料和药剂等，其中电耗占去总能耗的60%～90%［1］。相关部门于2009年抽样选取了1856座正常运行的污水处理厂进行能耗分析，结果表明：这1856座污水处理厂2009年年均电耗约为0.254kW·h／m3，与发达国家相距甚远。1999年美国污水处理厂年均电耗为0.20kW·h／m3，日本为0.26kW·h／m3，2000年德国污水处理厂年均电耗为0.32kW·h／m3，且这些能耗中包含了我国污水处理厂尚未涵盖的污水消毒、污泥消化和焚烧等耗能环节［2］。由此可见，我国污水处理厂的能耗仅相当于发达国家20世纪末的水平，具有较大的节能空间。

以污水的二级处理为例进行分析，能源消耗主要用于污水的提升，生物处理的供氧，以及污泥处理过程。污水提升部分占总能耗的10%～20%，生物处理的主要能耗来自于曝气池，曝气系统能耗占总能耗的50%～70%，污泥处理占10%～25%，三者能耗的总和超过污水处理厂总能耗的70%［3］。因此，污水处理厂节能降耗的重点在于提高主要耗能设备的用电效率，降低能耗。

本文从城市污水处理厂的能耗构成进行分析，指出污水处理过程中主要的能耗单元及设备，有针对性的提出节能降耗的措施意见，为城市污水处理厂节约资源、降低运营成本提供依据。

2 污水处理厂的能耗分析

目前，我国城市污水处理厂普遍采用二级或三级处理，以生物处理工艺为主体，通常由预处理、生化处理及污泥处理三部分组成。常江等［4］对北京某污水处理厂（采用A2／O处理工艺，污泥处理采用厌氧消化）的各单元能耗分布情况以及主要设备的能耗进行了分析，结果表明，整个污水处理过程中，预处理单元、二级处理单元和污泥处理单元的能耗分别占总能耗的20.52%、68.96%、6.66%。其中，进水提升泵、鼓风机、污泥进泥泵是各单元中能耗最大的设备，分别占各单元能耗的94.91%、75.13%和62.51%，换算成总能耗比例为：19.48%、51.81%、4.16%。牛住元等［5］调查分析北京某污水处理厂提升泵实际运行能耗，结果显示该厂污水提升泵能耗占总能耗的17%。胡锋平等［6］对不同的污泥浓缩工艺的能耗进行了比较，结果表明，重力浓缩、离心浓缩和气浮浓缩的比能耗分别为0.02～0.14kW·h／m3，0.5～1.2kW·h／m3，0.2～1.0kW·h／m3，气浮浓缩中生物气浮的比能耗为0.05～0.12kW·h／m3。由此可见，污水的提升、生物过程的曝气、污泥的回流和浓缩脱水过程是城市污水处理厂的节能重点，曝气系统和污水提升泵更是重中之重。

3 城市污水处理厂节能降耗的途径

针对我国城市污水处理厂的实际生产运行情况，提出从污水提升、曝气系统、污泥处理过程以及管理机制4个方面进行改进和完善，以实现污水处理厂的节能降耗。

3.1 污水提升

污水提升过程的能耗控制关键在于污水提升泵。提升泵的能耗取决于实际工作扬程、构筑物水头损失设计以及运行方式的调节等。降低提升泵能耗可采取以下措施。

（1）设计时充分考虑污水厂的地形和自然坡度，合理设置进水管底标高，改非淹没堰为淹没堰，控制跌流落差，降低提升泵的实际工作扬程。

（2）总体布置要流线清楚，结构紧凑，选用阻力系数小的管材，连接管路短而直，应尽量减少弯管、连接管和阀门的使用，避免处理构筑物水头损失。

（3）适当增减提升泵运行台数，对其进行变频调速控制，以适应不同时间、季节的污水量波动，有效降低提升泵能耗。

（4）定期对系统进行维护和检修，可减少因渗漏、结垢、机械磨损等原因造成的效率降低，保证提升泵的高效运行。

许多学者对提升泵的节能降耗进行了研究。李鹏峰等［7］结合江苏省某污水处理厂的工程实践提出，仅利用前端管网的蓄水能力，就可以减少提升泵的运行台数，可节能20%。向伟芳［8］研究变频调速技术对降低提升泵能耗效果的数据表明，利用变频调速设备可使提升泵平均转速比工频转速降低20%以上，可达20%～40%的节能效果。沈晓铃等［9］通过超声波液位计监测进水水位的变化，并结合出水管流量计控制泵变频运行，以确保上游管网不溢管为前提，适当保持集水池在较高液位下运行，节省了10%左右的能耗。

3.2 曝气系统

我国城市污水处理厂大多采用好氧生物处理工艺，曝气系统是整个生物处理系统的关键，与曝气池中溶解氧浓度密切相关，直接关系到污水的处理效果，同时，曝气系统也是整个污水处理系统中能耗最大的单元，降低其能耗对整个污水处理厂的节能降耗意义重大。实现曝气系统的节能降耗主要从曝气头的类型、曝气方式、曝气池中溶解氧浓度以及曝气流量控制等方面入手，有效的节能措施有：微气泡空气扩散装置可以产生微小气泡，增大气、液接触面，提高氧利用率；单侧布设曝气装置，形成水流在断面上的旋转推流，使气、液充分接触，从而增加氧的转移率；安装自动调节装置，根据曝气池中的溶解氧浓度自动调节供气量；通过变频调速等技术提高鼓风机、搅拌机等曝气设备的运行效率。

黄浩华等［10］以北京某污水厂二期工程A2／O工艺为例，对降低其供氧能耗的可行性进行了研究，结果表明，现有曝气池停留时间过长，存在过度曝气现象，通过小试试验研究提出将曝气池中溶解氧严格控制在2～3mg·L－1，并把好氧前段变为缺氧区，以减少曝气段长度，降低能耗。沈晓铃等［9］在无锡惠山污水厂实际运营时，对曝气池中溶解氧实行在线检测，根据测定值调节进口叶片角度，达到调节鼓风机进风流量的目的，按需供气，实现节能效率15%左右。广州沥滘污水厂对南北池进行曝气智能控制系统的对比试验，结果表明在出水稳定达标的情况下，曝气量平均节约15%［11］。

3.3 污泥处理

污泥处理是能耗较多的单元，主要包括污泥的回流和浓缩脱水。污泥回流泵把沉淀池中污泥回流到厌氧池内，以保证工艺中的活性污泥量，实现厌氧菌和好氧菌的交换，防止污泥膨胀及反硝化作用，提高脱氮除磷的效果。可根据进厂水量、水质情况，适当调整回流比，保证污泥回流泵的高效运行，实现污泥回流过程的节能。污泥浓缩方法通常有重力浓缩、气浮浓缩和机械浓缩。我国污水处理厂污泥浓缩过程以重力浓缩为主，但此方法浓缩效率低，可能造成二次释磷问题。从可持续发展看，生物气浮代替重力浓缩是降低污泥浓缩能耗的一种有效途径，污泥浓缩脱水一体化是污泥处理的发展趋势。污泥脱水过程的节能主要是减少设备运作和缩短处理时间，根据储泥池内泥量、污泥沉降性能确定脱水机器使用数量和脱水时间。