污水处理厂能耗影响因素及解决措施探讨

2020-03-07思显佩

广州化工 2020年23期

思显佩

(中煤科工集团武汉设计研究院有限公司，湖北武汉 430070)

全球经济在全面快速增长，城市的现代化工作逐渐加快，当前的城市污水处理厂数量逐渐增加，污水处理率也逐渐提高，为减轻环境容纳能力，提高水环境质量做出了很大贡献[1]。

污水处理行业是能耗密集型的产业，污水处理工艺及设备的高能耗，将导致整个污水处理运行费用增加，从而加剧能源危机，污水处理厂的高能耗是值得我们深思的一个问题[2]。因此，必须从中分析高能耗原因，并找出相应解决措施，在确保污水处理厂出水达标排放的前提下，降低污水处理厂的运行能耗，对我国发展绿色经济，乡村振兴，改善人居环境发挥着重要的作用。污水处理厂的污水处理原理是通过一定的技术手段将污水中的污染物和杂质分离出来，获得能够达到一定质量标准的水源[3]。污水处理厂运行，能源消耗主要在电耗及药剂两方面。

污水处理工艺从处理类型上通常分为预处理阶段、生化处理阶段、污泥处理阶段[4]，三个处理系统，即泵系统、曝气系统、污泥处理系统等。每个处理单元、每个系统的耗能情况不尽相同，就此，针对每个处理系统的特点选择相应的能耗计算方法，对其能耗影响因素进行分析研究。有效的分析城市污水处理厂的能耗影响因素，并对节能措施探索，对实现减少能源消耗，提升节能环保的效果具有重要意义。

1 能耗计算方法

1.1泵系统能耗计算方法

泵系统是污水处理厂不可缺少的部分，但也是耗能最大的部分，据统计，泵系统的电耗约占污水处理厂电耗的20%[5]。污水提升泵电耗的计算式如下：

(1)

式中：W——电机实际电耗，kW/h

ρ——污水的密度，kg/m3

g——重力加速度，m/s2

Q——污水泵的实际流量，m3/s

H——污水泵的实际工作扬程，m

η1——水泵的效率，一般取值0.65～0.85

η2——电机的效率，一般取值0.95

1.2 曝气系统能耗计算方法

污水处理厂的曝气是利用风机提供气源，通过曝气系统转换成含有压力及一定含氧量的溶解氧。

曝气池供气量计算公式：

Gs=R0/0.3·EA

(2)

《给水排水设计手册》给出了实际传氧速率Ⅳ的换算公式：

鼓风曝气：

(3)

式中：N0——标准传氧速率，kg/h

C0——混合液剩余DO值，一般用2 mg/L

Cs——标准条件下清水中饱和溶解氧，等于9.17 mg/L

T——混合液温度，一般为5～30 ℃

Csm——清水平均溶解氧值，mg/L

Csw——清水表面处饱和溶解氧，mg/L

实际计算压力[5]：

(4)

式中：Qt——曝气池逸出气体中含氧量百分率

Pb——装曝气装置处的绝对压力，kg/cm2

离心风机轴功率计算公式：

P(e)=(风量×风压)/(3600×1000×风机效率×机械效率)

式中：机械效率直连为100%，联轴器为98%，皮带为95%。

1.3 污泥处理系统能耗计算方法

污泥的类型不同，分为挥发性污泥、剩余污泥、干污泥，其计算公式不同。为计算简便，变量少，应用方便，本文选择干泥量计算公式。

干污泥量计算公式[5]：

S=(K1C0-K2D)Q×10-6

(5)

式中：S——干泥量，t/h

C0——原水浊度设计取值，NTU

K——原水浊度单位NTU与悬浮物Ss单位mg/L的换算系数，应经过实测确定

D——药剂投加量，mg/L

K2——药剂转化成泥量的系数

污泥脱水作为污泥处理的关键技术，其电耗计算式为[4]：

W=tdsbt3

(6)

式中：W——水泵及电机节约电耗，k/h

tds——脱水的干固体重量，t/h

t3——脱水机每天工作时间，h

b——比能耗，kWh/tds

2 污水设备能耗影响因素

2.1 泵能耗影响因素

在污水处理系统中，泵用来输送液体或使液体增加压力，即把机械能转变为液体能量，从而达到抽送液体目的的机械。泵在污水处理系统中发挥的作用不可忽视，因此，分析泵能耗影响因素很有必要。

根据污水提升泵电耗的计算公式，泵的实际电耗与泵的实际流量、实际工作扬程、泵的效率、电机的效率等因素有关。

在污水处理厂的设计中，污水提升泵是按污水最大流量进行设计，回流泵是根据污水平均流量与设计回流比进行设计[6]。污泥泵是根据污泥处理系统中污泥处理设备配套计算。

泵能耗的一个或几个因素不相同，则电机实际能耗则不相同。电机的实际电耗与泵的实际流量、实际工作扬程成正比关系，与泵的运行效率成反比。泵的实际流量增大，电机的实际电耗增加；泵的实际工作扬程增加，电机的实际电耗将增加；每个厂家的水泵效率不相同，水泵效率高，电机实际能耗低，反之，水泵效率低，电机实际能耗高。某个厂家提供的样本库数据，如WQ10-10-1、WQ15-10-1.5；另一厂家提供的样本数据库，如WQ10-10-0.75、WQ15-10-1.1。在相同的污水流量、实际工作扬程参数条件下，需要配套的电机功率相差0.4 kW。假设电机的效率取值相同，则引起电机功率差别的因素就是水泵的效率不同，则电机实际能耗不同。如WQ18-15-1.5、WQ10-15-1.5、WQ35-15-3、WQ40-15-4，实际流量对泵能耗有一定的影响。如WQ20-22-3、WQ20-32-5.5，从这两组数据可以看出，泵的实际工作扬程对泵能耗计算影响较大。

2.2 曝气系统能耗影响因素

污水处理厂能耗最大的单元是生化阶段的曝气系统，约占污水厂能耗的50%[2]。曝气系统能耗高低对整个污水处理系统的能耗起着决定作用，所以，有必要对曝气系统的能耗影响因素进行分析。

不同的污水处理工艺，可采用不同的曝气方式，常有的曝气方式分为：鼓风曝气和表面曝气[6]。目前各污水处理厂常用的曝气方式为鼓风曝气。鼓风曝气的原理是利用风机提供气源，通过风管系统送入曝气池池底，经过池底空气扩散装置，形式扩散的气泡到混合液中，气泡中的氧迅速转移到液相，供微生物需要。

鼓风曝气系统通常采用的曝气设备为离心鼓风机和罗茨风机。离心鼓风机由于噪音小，风量、风压可调，通常用在污水规模小的污水处理站；罗茨风机噪音大、效率高、风量、风压不可调，通常用在污水规模较大的污水处理厂[6]。

风机的能耗计算公式显示，风机的能耗与供气量、水量、出口风压成正比关系，与风机效率、机械效率成反比关系。出口风压与曝气池有效水深、曝气设备和沿程水头损失有关，风量则与风机供气量、有机污染物去除量、有效水深、曝气设备和沿程水头损失有关[6]。能耗机械效率与离心风机的安装方式不同而不同，为直连式，联轴器，皮带式，其机械效率分别为100%，98%，95%。

在实际工程设计中，根据工程实际情况选择合适的公式，准确计算有关设计参数，才能控制曝气系统的耗能。

2.3 污泥处理系统能耗影响因素

污泥处理是污水处理厂必不可少的处理环节。污泥干化及外运处理阶段的耗能比较大，约占污水处理厂总能耗的10%～25%[2]，主要体现在污泥产量、药剂投加和污泥处理设备三个方面，其能耗的大小主要由污泥产量的多少决定。

污泥处理系统电耗计算公式显示，其电耗与污泥产量、污泥处理设备的工作时间成正比关系；而污泥产量与污水规模、有机物含量、SS含量、污水类型、污泥处理标准、污泥量计算准确度等因素有关。污水规模大，有机物含量高，SS含量高，污泥处理标准高，其产生的污泥量多，反之，则产生的污泥量少。

为了准确计算污泥量，选择合适计算公式的同时，还应该借鉴和参考当地污水厂的成功经验及数据。

3 解决措施

3.1 降低泵能耗的解决措施

泵能耗影响因素是多方面的，因此，将从多方面着手，对整个项目概况做详细的调查研究，做到统筹兼顾，找到降低泵能耗的解决措施，提高泵系统效率。

(1)污水处理厂的高程布置：利用污水处理厂的自然坡度和地形情况，合理紧凑布置各个建、构筑物，采用直线式连接，减少连接管的长度，减少弯管和阀门连接数量，避免多次提升污水。淹没堰的设计，有效控制水头本身跌落差[2]。

(2)泵的合理设计：根据不同关键部位，泵的不同作用，选择合适的型号泵；选择合理的泵运行台数，调整其运行工况；根据实际地形精确计算水头损失，确定污水处理系统的总水损，泵实际工作扬程的选择。选择同型号的泵设备，以便于后期的维护管理；比较多个设备厂家特性曲线，选择电机效率高，流量、扬程符合设计要求，而电机功率相对较小的设备。采用变频技术控制泵的运行，根据水量、泥量的大小，自动控制泵的运行，达到提高泵的工作效率。定期对泵进行维护保养，减少机械磨损造成的工况下降；定期对泵系统进行检修，清除管道、管道附件，泵内的结垢，保证管线及各设备连接处不渗漏。

3.2 降低曝气系统能耗的解决措施

曝气系统可以分为风机房的风机节能、曝气池布设两部分，所以从这两个部份找到对应的节能措施。

(1)风机房的节能措施

风机房的节能主要体现于风机系统，根据污水的进水参数指标，合理取值，合理选择计算公式，准确计算生化池曝气所需的风量；合理设计曝气池的池型，曝气池与风机房距离，减少管道系统水头损失，计算合适的风机风压；比对多个风机厂家的风机性能参数表，选择合适风机型号、风机效率、机械效率高的风机型号；增加曝气池溶解氧DO的自动监控，出水氨氮指标自动监测，对风机采取变频技术控制，及时调整风机供风量及曝气时间，精准曝气，提高曝气效率，保证曝气池中溶解氧含量。定期对风机进行养护，减少机械磨损造成的工况下降；定期对系统进行检修，消除阀门、管线破损[7]。

(2)曝气池的节能措施

曝气池的节能主要体现：采用合理的曝气方式，通常情况下鼓风曝气的动力效率(每消耗1 kW·h的电所提供的O2量)为1.0～3.0 kg O2/(kW·h)，机械曝气的动力效率为1.2～2.4 kgO2/(kW·h)[2]；选择高效率的曝气设施，能够满足生化反应中不同曝气量的需求，据报道，采用微孔曝气器相比中大气泡的曝气器能明显提高氧转移效率和动力效率；根据曝气池氧气的需求量进行差额供氧，合理布置曝气器，研究发现，最合理的布置方式为在池子进水口的地方多布置，出口的地方少布置；减小管道内的阻力以及曝气池液位高程或堵塞增加的阻力等情况，降低风机压力，合理布置曝气池内风管管路，管径及管长，优化曝气系统、包括更换曝气系统、减少曝气头数量、优化溶解氧控制等[6,8]。

Sheboygan污水处理厂通过使用高效曝气器，每年可以节省33000美元，尤其是在夏季高峰流量时，优势更为明显。

3.3 降低污泥处理系统能耗的解决措施

污泥处理系统的节能降耗，可以从絮凝剂投加及污泥处理设备两方面采取措施。

(1)絮凝剂投加节能措施

根据不同类型的污水，投加的絮凝剂种类不同、投加量也不同，为能够选用到高效絮凝剂，通常取一定水量投加不同的絮凝剂、不同的投加量做实验，控制好絮凝剂参数，协调各部分之间的关系；采用智能化的药剂投加系统，严格控制投加药剂的数量，减少絮凝剂的投加量和投加时间；定期对药剂投加系统进行维护。

(2)污泥处理设备的节能措施

通过不同的污泥量计算公式，比较分析污泥量数值，确定污泥处理工艺，合理布置污泥处理系统；选择合理类型、合理型号的污泥处理设备，常见的污泥脱水机有三种，带式压滤机，其价格便宜、占地面积小而且能耗低，但投入药剂量较大；板框式压滤机，其占地面积大、能耗较高、操作环境差；离心脱水机，其耗水量小、能耗大、价格高[2]。定期对污泥处理设备进行养护，减少机械磨损造成的工况下降；定期对系统进行检修，消除阀门、管线破损。