德阳市某污水处理厂能耗分析及节能降耗措施研究

2019-01-19张金梅郑兵廖耿刘保伟徐载杰

绿色科技 2019年24期

张金梅郑兵廖耿刘保伟徐载杰

摘要：以德阳市某污水处理厂（采用改良型A2/O+D型滤池工艺）为例，通过对污水厂的电耗和药耗进行分析，提出了污水厂在运行环节、工艺环节及水泵运行和选型方面的节能降耗措施。结果表明：采取节能降耗措施后，污水厂的能耗有明显下降。建议在水质稳定达标的基础上，更换定频泵，增设在线检测仪表，优化运行参数，以期达到更好的节能效果。

关键词：污水处理厂;能耗;节能降耗

中图分类号：X703

文献标识码：A

文章编号：1674-9944（ 2019） 24-0120-04

1 引言

城市污水处理是一种能源密集的高耗能产业，其消耗的能源主要包括电能和药剂等，其中电耗约占总能耗的60%～90%[1]。高能耗一方面导致污水厂的运行成本不断上升，另一方面也和目前我国实行的“节能减排”大政方针背道而驰。污水处理效果及其运行能耗成为评价城镇污水处理运行效能和技术经济性的重要指标[2，3]。因此，根据污水厂的实际运行情况，进行相应的能耗分析，并提出节能降耗的措施，对污水厂的节能降耗具有十分重要的意义。

2 污水处理厂概况

2.1 概况

德阳市某污水处理厂（一期）设计规模为日处理城市生活污水5万t，配套建设截污干管14 km，采用改良型AAO加D型滤池的三级生化处理工艺，占地100. 69亩，工程总投资18993万元。该项目于2010年5月动工建设，2012年7月投入试运行。目前每天处理水量约5万t，污泥处理量20 t，处理尾水各项指标达到国家《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB 18918- 2002）一级标准的A类标准。

2.2 工艺流程

城市污水首先经过调流井，然后自流至粗格栅，由提升泵房提升后送至细格栅，再经过渠道送至曝气沉砂池。污水沉砂后，经计量配水到改良型A/A/O生化池进行生化反应，出水进入沉淀池沉淀，上清液出水与PAC溶液混合后进入D型滤池，再经紫外线消毒渠消毒后，排入受纳水体。剩余污泥由泵送入储泥池，然后进入污泥浓缩脱水间经离心脱水后外运至垃圾填埋场进行卫生填埋（图1）‘4]。

对比表2和表1后可以知道，进水COD在观测的11个月里有5个月明显低于设计值，BOD5的平均值还有46 mg/L，一直低于设计值，BOD5/TN的平均值仅为1. 62，由此可以判断，碳源是严重不足的。

3 污水处理厂的能耗组成和分析

3.1 能耗组成

污水厂的能耗主要包括粗格栅、污水提升泵、细格栅、曝气沉砂池、生化池好氧区曝气系统、混合液回流泵、污泥脱水系统、D型滤池、紫外线消毒系统、碳源投加系统、除磷剂投加系统等。简而言之，污水厂的能耗主要是电能消耗和药剂消耗，如果能够对这两方面进行合理的调整和控制，那么污水厂的能耗将会大幅度降低。

3.2 电耗分析

污水厂的电耗是整个能耗的重要组成部分，其中电能消耗较大的是污水提升系统、生化池的鼓风曝气系统和混合液的回流系统。根据2017年10月至2018年8月共11个月的实际运行情况，污水厂的吨水耗电量如图2。

通过上图可以看出，吨水耗电量均值为0. 275kWh/m3，高于我国典型二级污水厂0. 266 kWh/m3的污水处理比能耗[5]，电耗具有进一步的下降空间。

3.3 药耗分析

碳源不足，为了保证TN的去除效果，必然要投加碳源。该污水厂的外部碳源均采用乙酸，投加在生化反应系统，其投加浓度为30～50×10^-6，吨水投加费用为0. 08元至0.1元，具体投加量见图3，乙酸的投加均值为5. 55 t/月。除了2018年1月乙酸投加量偏高外，基本上是稳中有降的。

该污水厂的运行是在保证TN的去除后再考虑TP的去除，所以生物法能够的去除的磷是有限的，TP的去除主要还是依靠化学法除磷。化学除磷剂采用的是聚氯化铝（PAC）[6]，投加在沉淀池出口，其投加浓度为40～60×l0^-6，吨水投加费用为0. 04～0.06元，具体投加量见图4，PAC的投加均值为94.8 t/月[7-9]。

絮凝剂采用的是PAM，投加浓度为40～50×10 -6，投加在污泥脫水系统中，具体投加量见图5，PAM的投加均值为0.56 t/月。

4 节能降耗措施分析

4.1 污水厂运行节能分析

目前电力部门对于污水处理厂采用的是大工业电价计费方式，该计费方式分为峰、平、谷三个不同时段，单位电价分别为0. 7905元/kW.h、0.527元/kW.h、0. 2635元/kW.h。其中谷段（每日23点至次日7点）的电价是最低的，污水厂可以在这个时段加大进水量，并进行污泥的脱水等，从而可以降低单位电耗[10-12]。

污水厂昼夜进水水质波动较大，一般来讲，2：OO -6：00水质很淡，11：30-19：00，浓度较高。该污水厂并没有设置调节池，对水质没有缓冲作用。所以污水厂应该采取“错峰”运行，在水质淡的时候，可以适当超负荷（控制在1.3倍以内）运行，降低曝气量，降低混合液的回流比，减少投药量，进而降低单位电耗，同时还可以节省投药量。

污水厂采用每日2：00～6：00以超设计处理负荷的20%运行后，污水处理的吨水耗电量由现在的0.275kWh/m3下降到了0. 23 kWh/m3，节能效果显著[13]。

4.2 工艺环节节能降耗分析

4.2.1 格栅及曝气除油沉砂池

当栅渣量和泥砂量较少且比较稳定时，将粗、细格栅和曝气除油沉砂池设备的开启模式从连续开启改为间歇开启，并适当延长间歇时间，以达到降低电耗的目的。

4.2.2 曝气系统（含表曝机和池底微孔曝气）

经过长期的工艺运行发现，厂区的实际进厂水质大部分时候远远低于设计值，导致实际需要的曝气量远低于设计风量，曝气系统有较大的节能降耗空间。

根据进水水质及时调整曝气设备（转碟曝气机、鼓风机）的运行频率。以该污水厂多级离心鼓风机为例，每小时调低500立方风量，运行电流大约下降12安培，每小时节约电量约4.5 kW.h[14]。

污水厂采用了“低溶氧”工艺[2]优化运行模式，将好氧区分为三段，设置前置和后置缺氧區，将缺氧区DO控制在0. 2～0.5 mg/L，从而降低了曝气量[15-17]。

风机选型时，尽量选择小型号但是调整范围大的风机，同时采用变频风机的数量尽量达到50%以上，不同风量可以对应不同的电流，从而降低风机运行电耗。

4.2.3 污泥脱水系统

通过降低差速或增加转鼓转速来降低污泥含水率，以此降低PAM药剂的消耗量。同时将污泥预浓缩（重力浓缩）后再进行污泥脱水工作，从而降低电耗。

4.2.4 D型滤池

根据沉淀池出水SS值和滤池过水量情况，及时调整反冲洗周期。适当延长反冲洗周期，以达到增加处理水量并减少电耗的目的。另外，可以考虑将处理后的中水作为反冲洗水源，这样既降低了吨水电耗又提高了中水回用率。仅此一项技改，每日将减少约3000 t水量损耗，污水处理的吨水耗电量将由0. 27 kW.h/m3下降至0. 25 kWh/m3。

4.2.5 紫外线消毒系统

适当减少紫外线灯管的开启数量，这样既节省了电费又延长了灯管的使用周期。同时还可以采用更简单、更经济的消毒方式。以污水厂为例，紫外线消毒系统总功率23. 04 kW，吨水耗电量约为0.011 kW.h。如果投加次氯酸钠，经反复试验，次氯酸钠的投加浓度在5～10×10^-6，既可满足消毒要求，吨水投加费用仅为0.005～0. 01元。

4.2.6 碳源投加系统

污水厂采用“低溶氧”工艺[2]优化运行模式后，可以降低2/3的外部碳源投加量甚至不需要再投加外部碳源，实际运行结果也表明，这一措施能极大降低乙酸用量，2018年3月以来乙酸投加量一直在3t以下，6月和7月的用量为O。同时积极挖掘“内碳源”，通过工艺控制，使污泥进行自身氧化分解从而回收部分碳源，从而减少外加碳源的投加量。

4.2.7 除磷剂投加系统

积极寻求更为低廉优质的除磷药剂（如生物制剂），以降低单位投加费用。另外强化生物除磷工艺运行，缩短污泥的系统停留时间，也可以减少除磷剂的投加量。

4.3 水泵节能降耗分析

污水厂中的污水提升、混合液回流、污水污泥排放等据需要水泵，水泵的能耗仅次于曝气设施。

4.3.1 污水提升泵

水泵选型时，可以将定频泵和变频泵进行合理搭配，通过两种泵的联合运行，以更好地适应流量的变化。污水厂进水流量往往随时间、季节波动，要及时调整变频泵的运行频率，确保水泵高效运行。以该厂1#变频泵为例，每调低1赫兹频率，运行电流大约下降4安培，节能效果明显。

在进水量足够、进水水质没有大幅度超过设计值、工艺运行正常时，可以适当调高变频泵运行频率增加处理污水量，进而降低吨水电耗。

4.3.2 混合液回流泵

当总氮的削减压力不大时，可以降低内回流泵的运行频率和开启台数，也可以将内回流比由200%降低至150%左右，但是污水厂采用的回流泵还是定频泵，无法调节运行频率，后期将会通过技术改造升级为变频泵。变频泵可以根据进水TN及混合液硝态氮的浓度，及时调整混合液回流泵的频率和启停数量，从而降低电耗。

4.4 后期运行效果分析

通过对2018年9月至2018年12月4个月的运行数据进行分析，对比2017年10月至2018年8月11个月的运行数据，发现吨水电耗平均值由0. 275 kW.h/m3下降至0. 265 kW.h/m3，PAC的投加均值由94.8 t/月下降至71.2 t/月，PAM的投加均值由0.56 t/月下降至0. 44 t/月，只有乙酸的投加均值由5.55 t/月上升至15 t/月（表4）。

以上数据表明，通过对工艺参数进行优化，合理控制水泵的运行，污水厂的电耗和药剂耗量确实有明显下降，但是由于进水碳源在2018年9月至2018年12月严重不足（BOD5/TN=l. 21），导致乙酸投加量上升。

5 结论与建议

（l）德阳市某污水厂本着“先优化工艺，再技术改造”的原则，不断优化运行参数，调整生化池中好氧区的溶解氧量，采用“低溶氧”工艺，同时在运行中对药剂进行精确投加，并对水泵进行相应的更新，以此来降低污水厂的运行成本，实际运行情况表明，以上措施可以显著降低污水厂的能耗，节能效果明显。

（2）曝气设备能耗和污水提升能耗在污水厂的能耗中占比都很大，目前采用的提升泵、回流泵都是定频泵，变频风机的占比也不足50%，建议在后期技术改造时对定频设备进行更换，提高设备运行效率。

（3）目前污水厂检测的水质指标主要是进水和出水指标，缺乏对中间环节水质指标的检测，建议在后期技术升级改造中增加在线仪表的安装数量，加强对水质指标的实时监测，进而及时调整设备的运行情况，降低药剂投加量和电能消耗。

参考文献：

[l]朱五星，舒锦琼.城市污水处理厂能量优化策略研究[Jl.给水排水，2005，31（12）：31～33.

[2]成官文，冯皓晶，梁剑成.我国城市污水处理厂提标改造工程实践进展[J].桂林理工大学学报.2017，37（4）：694-698.

[3]孙晓杰，罗洁瑜，王敦球，等.我国城市污水处理厂节能降耗研究进展[J]，桂林理工大学学报，2012，32（4）：519-523.

[4]徐载杰，谢海洋，李毅，等.改良型A2/O工艺处理低碳源城镇污水的优化运行[J].给水排水增刊，2014（40）：154 -157.

[5]羊寿生，城市污水处理厂的能源消耗[J].建筑技术通讯（给水排水），1984，10（6）：15-19.

[6]徐载杰，李丽，刘顺霖.德阳市污水处理厂化学除磷系统优化研究[J].西南给排水，2015，37（4）：10 -13.