淺議污水處理廠的節能途徑
摘要：近幾年我國建成并運行的污水處理廠越來越多，但是近幾年以電費為主的能耗費用不斷上漲，許多污水處理廠因為無法解決巨額的運行費用而不能正常運轉，使國家投巨資建設的污水處理廠沒有發揮它的 社會 效益，致使我國的水環境狀況日益惡化，因此對污水處理廠運行進行優化管理，節約能源費用，降低處理成本是保障污水處理廠正常運行的重要手段。本文通過以活性污泥法為例 分析 污水處理成本高的主要原因和相應采取的措施。
關鍵詞：污水處理 能效 節能
1 概述
目前 ,我國已建成并投入運行的城市污水處理廠約180座,設計處理能力達到1050×104 m3/d ,其中二級生化處理能力約750×104m3/d ,全國城市污水二級處理率達到9%-10%。，98年度國家采取擴大內需的政策,加大城市基礎設施建設的投資力度是一項重要 內容 。國家政策性投資主要用于大中城市的污水和垃圾處理、供水、供熱、供氣、城市道路和綠化等方面,其 中國 家立項的城市污水處理工程建設項目就達137個。國內目前建設二級污水處理廠的投資水平按單位處理水量計約為1200-1600元/m3 ,相應的配套排水管網投資約為400-700元/m3 ,污水廠單位水量處理成本0.55-0.80元/m3 ,單位水量運營費0.35-0.55元/m3 。[1]縱觀我國的污水處理廠其運行狀況不容樂觀，尤其是近幾年以電費為主的能耗費用不斷上漲，許多污水處理廠不能正常運轉，使國家投巨資建設的污水處理廠沒有發揮它的社會效益，我國的水環境狀況日益惡化。因此在能保障污水處理量和尾水達標排放的前提下，對污水處理廠運行進行優化管理，節約能源費用，降低處理成本是保障污水處理廠正常運行的重要手段。本文通過以活性污泥法為例的污水處理廠進行能耗分析與評價，提出污水處理廠的節能措施，以供污水處理廠設計人員和管理人員 參考 。
2 污水處理廠的能耗分析
2.1污水處理廠的工藝流程：
圖1所示為活性污泥法的處理流程。從城市管網收集的污水井污水提升泵之后進入到污水處理廠，在污水處理廠首先經過格柵、沉砂池等預處理后進入一級處理，然后再進過曝氣池、二沉池等二級處理設施，最后經過加氯消毒然后排放到 自然 水體，二沉池產生的污泥一部分經過泵回流到曝氣池，二沉池剩余污泥和初沉池的污泥經過污泥濃縮池濃縮后，再經過厭氧消化，然后由運輸工具運往垃圾處理場。
圖 1 活性污水處理廠流程圖
2.2 各個構筑物的能耗分析
以上述工藝流程的一座典型的活性污泥污水處理廠(11.4×104m3/d)的物料及平衡數據見表一：
表1 典型活性污泥法處理廠的物料與能量平衡表[2]
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處理單元
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廠內能耗
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回收能量
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凈能量
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1．污水提升
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41.36
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41.36
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2．預處理
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3.17
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3.17
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3．一級處理
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0.84
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0.84
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4．活性污泥法
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116.05
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116.05
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5．消毒
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9.50
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9.50
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6．氣浮濃縮
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15.61
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15.61
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7．厭氧消化
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32.92
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-121.75
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-88.83
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8．污泥外運
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20.15
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20.15
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總能耗
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239.60
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-121.75
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117.85
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其各部分的能耗比例如下圖所示：
圖 2 能耗比例圖
從以上圖表可以發現，節能的主要潛力在污水提升部分和生化處理階段的曝氣部分、污泥回流部分。因此面對能源價格的上漲和運行費用的縮減，節約能耗的重點主要集中在污水處理廠的二級處理的曝氣系統和水泵機水泵站部分。
3 污水處理廠的節能措施
3.1 污水(泥)提升泵
提升泵的節能應首先從設計入手，進行節能設計;對于已投產的污水處理廠，提升泵節能的關鍵在于控制方式，只有實行提升過程的最優控制，才能達到節能的目的。[3]
3.1.1 合理降低水泵的揚程
目前 我國進行污水處理廠的設計時，水頭損失普遍偏高，導致水泵的揚程 計算 值偏高。從水泵的有效功率Nu = rQH可以看出，r 、Q一定時，Nu與H成正比，因此降低水泵的揚程節能效果顯著。降低水泵的揚程可以采取以下措施：
(1)污水處理廠的各個構筑物總體布置盡量緊湊，盡量減少彎頭和閥門，連接管路盡量短，從而最大限度減少水頭損失。
(2)減小跌流的落差，例如將非淹沒式的堰改成淹沒式的堰，水流的落差可以減小25cm。
(3)盡量利用 自然 地勢，實現污水自流或者利用自然落差補償部分污水管路水頭損失。
(4)采用阻力系數系數小的管材，減少污水的沿程水頭損失。
3.1.2 合理確定水泵的型號和臺數
選用流量與揚程盡量達到設計要求的污水提升泵，盡量減少水泵臺數，選用高效率的污水泵。如，液下泵、潛污泵與普通臥式離心泵相比，安裝形式簡單，沒有吸水管與啟動輔助設備，直接能耗相同時，間接能耗要低得多;WG/WGF型污水泵在同一工況下比PW型污水泵效率高，另外，水泵機組盡量采用同一泵型，以便維修管理，不同流量大小搭配的水泵，型號盡量一致。[4]
對污水提升流量調節時，要避免閥門調節來節省能耗，可采用調速泵或多臺定速泵組合調節的形式。[5]當采用水泵調速時，應該選用大機組和臺數少的調速水泵。[6]
3.1.3 采用合理的流量控制
污水量往往隨著季節、天氣、用水時間等變化，目前理性的做法是采用最大流量作為選泵依據，實際上水泵全速運轉的時間不超過10%，相當部分時間水泵處于低效運轉。由水泵的軸功率N=Nu/n(n為運行效率)可見，水泵處于高效運轉狀態下可以節省大量電能。因此應選擇合適的調控方式，合理確定泵流量，保持泵的高效運轉。目前主要的水泵調控方式有：
(1)對位控制
對位控制就是在吸水池水位發生變化時，根據事先確定的水位等級，控制對應水泵機組的自動開停，以適應泵站來水量的變化。這種控制方式簡單易行，使用方便， 應用 廣泛。但是，這種方式吸水池水位的變化幅度較大，水泵揚程也隨之發生相應的變化。因此，節能效果不好，而且水泵起動頻繁，忙閑不均。[7]
(2)自動流量及配編組控制
多臺定速水泵流量級配編組控制，就是根據泵站的實際來水量，將泵站中的幾臺水泵組成幾種流量級配，使泵站的出水量比較接近實際的來水量。這樣就可以保證吸水池中的水位較長時間地穩定在高水位上，從而使水泵的工作揚程減小，最終達到節能的目的。北京高碑店污水處理廠采用的就是這種控制方式。其具體做法是在泵站的進水渠道上加設一座堰高2m的溢流井，把溢流堰頂以下300mm處作為中心控制點，其上下各300mm處的水位值作為上下限控制點。溢流井的設置使吸水池水位提高1.15m，而且溢流井處設置的水位和溢流量監測儀表還為泵站的最優化控制提供必要的數據。實踐證明，高碑店污水處理廠采用這種控制方式節能效果顯著。每天可節約用電量900kwh(流量按50萬m3/d計)。
(3)轉速加臺數控制
目前國外大型污水廠普遍采用轉速加臺數控制 方法 ，定速泵按平均流量選擇，定速運轉以滿足基本流量的要求;調速泵變速運轉以適應流量的變化，流量出現較大波動時以增減運轉臺數作為補充。但是由于泵的特性曲線高效段范圍不是很大，這就決定了對于調速泵也不可能將流量調到任意小，而仍能保持高效。[8]
此外還可以通過調節出水閘開啟度、切削水泵葉輪等方式實現流量控制。
3.2 曝氣系統
曝氣過程是活性污泥法的中心環節，也是污水處理過程中能耗最大的工序。曝氣系統的節能主要有以下幾方面：
3.2.1 選擇高效的曝氣設備
僅從降低能耗的角度考慮，表面曝氣的性能要優于穿孔管曝氣，微孔擴散器效率高于中氣泡、大氣泡擴散器，亦優于表面曝氣機。但是表面曝氣機械不需要修建鼓風機房，不需設置大量布氣管道和曝氣器，因此與微孔擴散器相比，表面曝氣雖然直接能耗和間接能耗低，但氧的利用率低，在設計中，應綜合考慮采用。幾種主要空氣擴散器的性能比較見表2。
表2 幾種空氣擴散器的性能比較[9]
3.2.2 合理布置曝氣器
活性污泥法的曝氣器應按微生物反應 規律 布置，使供氣量在曝氣池的各段內與該段微生物反應需氧相適應。如傳統活性污泥法就應布置成漸減曝氣的形式，否則，就會出現前段供氧不足，后段供氧過剩的現象，既不節能，也 影響 處理效果。
另外，傳統的曝氣池，曝氣管是單邊布置形成旋流，過去認為這種方式有利于保持真正推流，可以減小風量，但經過多年實踐與 研究 發現，這種方式不如全面曝氣效果好。全面曝氣可使整個池內均勻產生小旋渦，形成局部混合，同時可將小氣泡吸至1/3到2/3深處，提高充氧效率(見表3)。[10]微孔曝氣器應布滿整個曝氣池底部。德國的一項研究結果表明，在所有曝氣系統中。布滿曝氣池底部的微孔曝氣器系統的傳氧效率最高可達3kgO2/kWh。[11]
表3 不同充氧方式的效率
3.2.3 合理設計池形
曝氣池的池形會影響曝氣設備的氧傳遞性。每種曝氣池形的影響又有所不同。例如在3-7.6m的池深范圍內，深度對小氣泡的總充氧效率幾乎沒有影響，而當淹沒深度從3m增加到7m大氣泡擴散裝置的充氧效率提高了20-30%。[12]
Rooney指出，最佳池形設計，淹沒式渦輪曝氣和擴散曝氣的充氧效率可提高50%。[13]一般而言，橫向環流混合型較好，擴散裝置對稱并均勻的分布在池底。
表面機械曝氣在高動力密度下，可能出現額外的 問題 ，因為相鄰曝氣器間的相互干擾，產生波浪而降低充氧效率。[14]可以在各個曝氣器之間設立隔板而解決上述問題。
3.2.4 曝氣設備供氧量的自動調節
隨著污水廠水質和水量的變化，需要時時調節曝氣設備的曝氣量，曝氣量的調節方式有控制多組曝氣池或多組曝氣單元的運轉、使用可調節的曝氣系統、采用計算機實時控制的曝氣系統、分期建設、分期使用曝氣池等。
雖然在曝氣系統和污水(泥)提升系統外的其他系統里也有許多節能措施，但限于文章篇幅，不在此一一贅述。
4 結論
由于近幾年國家只注重污水處理廠數量的建設而不注重污水處理廠的節能建設，隨著近幾年來電費、藥劑、人力等費用的不斷上漲，使污水處理廠的運行費用不斷增加，甚至造成了一大批污水處理廠不能正常運轉。所以對污水處理廠進行能耗 分析 ，發揮污水處理廠的巨大節能潛力，提高污水處理廠的 經濟 效益，是保障污水處理廠正常運轉的重要措施，同時也有利于緩解 社會 能源日益緊張的局面。在污水處理廠的設計、建設中，盡可能的優化設計，選擇合理的處理工藝，實際合理的構筑物，使用節能的設備;在污水處理廠的運行中，要大膽運用先進的技術實現設備的優化運行，加強管理，實現污水的資源化和再利用，那么污水處理才能逐漸向高效低耗的方向 發展 ，實現其社會效益。
【 參考 文獻 】：
[1] 張建文,張海燕.城市污水處理廠運行管理優化方案.城市環境與城市生態,第14卷4期,2001年8月：18。
[2] W.F.OWEN著，章北平、車武譯.污水能效與能耗，能源出版社，1989年12月：14(有改動)。
[3] 張力，張善發.城市污水處理廠的節能技術對策.上海水務，第19卷2期，2003年：20。
[4] 吳慧芳，孔火良.城鎮小型生活污水處理設備及其展望. 工業 安全與環保，第29卷第5期，2003年：17～20。
[5] 唐受印，戴友芝等主編.水處理工程手冊.北京：化學工業出版社，2O04。
[6] 周金全.城市污水處理工藝設備及招標投標管理.北京：化學工業出版社，2003。
[7] 李亞峰，馬學文.淺談城市污處處理廠的節能.節能，1998年第1期.
[8] 張力，張善發.城市污水處理廠的節能技術對策.上海水務，第19卷2期，2003年：21。
[9] 楊敏，張建強，李亞瀾，污水處理工程中節能 問題 的探討，工業安全與環保.第31卷第2期，2005年：23。
[10] 張力，張善發.城市污水處理廠的節能技術對策.上海水務，第19卷2期，2003年：21。
[11] 王彩霞.城市污水處理廠能源開發利用與節能技術.設計與 研究 ，1991。
[12] Yunt，F.，T.Hancuff ，D.Brenner，and G.Shell;“An Evaluations of Submerged Aeration Equipment-Clean water Test Results.”Presented at WWEMA Industrial Pollution Conference, Houston ,Tex ., June 5, 1980。
[13] Rooney，T.，“Influence of Tank Geometry on Aeration Performance.”Proceedings：Working Toward an Oxygen Transfer Standard，ASCE Committee，EPA-60019-78-021，1979。
[14] W.F.OWEN著，章北平、車武譯.污水能效與能耗，能源出版社，1989年12月：132。
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