污水處理廠能耗影響因素及解決措施探討

思顯佩

(中煤科工集團武漢設計研究院有限公司，湖北 武漢 430070)

全球經濟在全面快速增長，城市的現代化工作逐漸加快，當前的城市污水處理廠數量逐漸增加，污水處理率也逐漸提高，為減輕環境容納能力，提高水環境質量做出了很大貢獻[1]。

污水處理行業是能耗密集型的產業，污水處理工藝及設備的高能耗，將導致整個污水處理運行費用增加，從而加劇能源危機，污水處理廠的高能耗是值得我們深思的一個問題[2]。因此，必須從中分析高能耗原因，并找出相應解決措施，在確保污水處理廠出水達標排放的前提下，降低污水處理廠的運行能耗，對我國發展綠色經濟，鄉村振興，改善人居環境發揮著重要的作用。污水處理廠的污水處理原理是通過一定的技術手段將污水中的污染物和雜質分離出來，獲得能夠達到一定質量標準的水源[3]。污水處理廠運行，能源消耗主要在電耗及藥劑兩方面。

污水處理工藝從處理類型上通常分為預處理階段、生化處理階段、污泥處理階段[4]，三個處理系統，即泵系統、曝氣系統、污泥處理系統等。每個處理單元、每個系統的耗能情況不盡相同，就此，針對每個處理系統的特點選擇相應的能耗計算方法，對其能耗影響因素進行分析研究。有效的分析城市污水處理廠的能耗影響因素，并對節能措施探索，對實現減少能源消耗，提升節能環保的效果具有重要意義。

1 能耗計算方法

1.1泵系統能耗計算方法

泵系統是污水處理廠不可缺少的部分，但也是耗能最大的部分，據統計，泵系統的電耗約占污水處理廠電耗的20%[5]。污水提升泵電耗的計算式如下：

(1)

式中：W——電機實際電耗，kW/h

ρ——污水的密度，kg/m3

g——重力加速度，m/s2

Q——污水泵的實際流量，m3/s

H——污水泵的實際工作揚程，m

η1——水泵的效率，一般取值0.65～0.85

η2——電機的效率，一般取值0.95

1.2 曝氣系統能耗計算方法

污水處理廠的曝氣是利用風機提供氣源，通過曝氣系統轉換成含有壓力及一定含氧量的溶解氧。

曝氣池供氣量計算公式：

Gs=R0/0.3·EA

(2)

《給水排水設計手冊》給出了實際傳氧速率Ⅳ的換算公式：

鼓風曝氣：

(3)

式中：N0——標準傳氧速率，kg/h

C0——混合液剩余DO值，一般用2 mg/L

Cs——標準條件下清水中飽和溶解氧，等于9.17 mg/L

T——混合液溫度，一般為5～30 ℃

Csm——清水平均溶解氧值，mg/L

Csw——清水表面處飽和溶解氧，mg/L

實際計算壓力[5]：

(4)

式中：Qt——曝氣池逸出氣體中含氧量百分率

Pb——裝曝氣裝置處的絕對壓力，kg/cm2

離心風機軸功率計算公式：

P(e)=(風量×風壓)/(3600×1000×風機效率×機械效率)

式中：機械效率直連為100%，聯軸器為98%，皮帶為95%。

1.3 污泥處理系統能耗計算方法

污泥的類型不同，分為揮發性污泥、剩余污泥、干污泥，其計算公式不同。為計算簡便，變量少，應用方便，本文選擇干泥量計算公式。

干污泥量計算公式[5]：

S=(K1C0-K2D)Q×10-6

(5)

式中：S——干泥量，t/h

C0——原水濁度設計取值，NTU

K——原水濁度單位NTU與懸浮物Ss單位mg/L的換算系數，應經過實測確定

D——藥劑投加量，mg/L

K2——藥劑轉化成泥量的系數

污泥脫水作為污泥處理的關鍵技術，其電耗計算式為[4]：

W=tdsbt3

(6)

式中：W——水泵及電機節約電耗，k/h

tds——脫水的干固體重量，t/h

t3——脫水機每天工作時間，h

b——比能耗，kWh/tds

2 污水設備能耗影響因素

2.1 泵能耗影響因素

在污水處理系統中，泵用來輸送液體或使液體增加壓力，即把機械能轉變為液體能量，從而達到抽送液體目的的機械。泵在污水處理系統中發揮的作用不可忽視，因此，分析泵能耗影響因素很有必要。

根據污水提升泵電耗的計算公式，泵的實際電耗與泵的實際流量、實際工作揚程、泵的效率、電機的效率等因素有關。

在污水處理廠的設計中，污水提升泵是按污水最大流量進行設計，回流泵是根據污水平均流量與設計回流比進行設計[6]。污泥泵是根據污泥處理系統中污泥處理設備配套計算。

泵能耗的一個或幾個因素不相同，則電機實際能耗則不相同。電機的實際電耗與泵的實際流量、實際工作揚程成正比關系，與泵的運行效率成反比。泵的實際流量增大，電機的實際電耗增加；泵的實際工作揚程增加，電機的實際電耗將增加；每個廠家的水泵效率不相同，水泵效率高，電機實際能耗低，反之，水泵效率低，電機實際能耗高。某個廠家提供的樣本庫數據，如WQ10-10-1、WQ15-10-1.5；另一廠家提供的樣本數據庫，如WQ10-10-0.75、WQ15-10-1.1。在相同的污水流量、實際工作揚程參數條件下，需要配套的電機功率相差0.4 kW。假設電機的效率取值相同，則引起電機功率差別的因素就是水泵的效率不同，則電機實際能耗不同。如WQ18-15-1.5、WQ10-15-1.5、WQ35-15-3、WQ40-15-4，實際流量對泵能耗有一定的影響。如WQ20-22-3、WQ20-32-5.5，從這兩組數據可以看出，泵的實際工作揚程對泵能耗計算影響較大。

2.2 曝氣系統能耗影響因素

污水處理廠能耗最大的單元是生化階段的曝氣系統，約占污水廠能耗的50%[2]。曝氣系統能耗高低對整個污水處理系統的能耗起著決定作用，所以，有必要對曝氣系統的能耗影響因素進行分析。

不同的污水處理工藝，可采用不同的曝氣方式，常有的曝氣方式分為：鼓風曝氣和表面曝氣[6]。目前各污水處理廠常用的曝氣方式為鼓風曝氣。鼓風曝氣的原理是利用風機提供氣源，通過風管系統送入曝氣池池底，經過池底空氣擴散裝置，形式擴散的氣泡到混合液中，氣泡中的氧迅速轉移到液相，供微生物需要。

鼓風曝氣系統通常采用的曝氣設備為離心鼓風機和羅茨風機。離心鼓風機由于噪音小，風量、風壓可調，通常用在污水規模小的污水處理站；羅茨風機噪音大、效率高、風量、風壓不可調，通常用在污水規模較大的污水處理廠[6]。

風機的能耗計算公式顯示，風機的能耗與供氣量、水量、出口風壓成正比關系，與風機效率、機械效率成反比關系。出口風壓與曝氣池有效水深、曝氣設備和沿程水頭損失有關，風量則與風機供氣量、有機污染物去除量、有效水深、曝氣設備和沿程水頭損失有關[6]。能耗機械效率與離心風機的安裝方式不同而不同，為直連式，聯軸器，皮帶式，其機械效率分別為100%，98%，95%。

在實際工程設計中，根據工程實際情況選擇合適的公式，準確計算有關設計參數，才能控制曝氣系統的耗能。

2.3 污泥處理系統能耗影響因素

污泥處理是污水處理廠必不可少的處理環節。污泥干化及外運處理階段的耗能比較大，約占污水處理廠總能耗的10%～25%[2]，主要體現在污泥產量、藥劑投加和污泥處理設備三個方面，其能耗的大小主要由污泥產量的多少決定。

污泥處理系統電耗計算公式顯示，其電耗與污泥產量、污泥處理設備的工作時間成正比關系；而污泥產量與污水規模、有機物含量、SS含量、污水類型、污泥處理標準、污泥量計算準確度等因素有關。污水規模大，有機物含量高，SS含量高，污泥處理標準高，其產生的污泥量多，反之，則產生的污泥量少。

為了準確計算污泥量，選擇合適計算公式的同時，還應該借鑒和參考當地污水廠的成功經驗及數據。

3 解決措施

3.1 降低泵能耗的解決措施

泵能耗影響因素是多方面的，因此，將從多方面著手，對整個項目概況做詳細的調查研究，做到統籌兼顧，找到降低泵能耗的解決措施，提高泵系統效率。

(1)污水處理廠的高程布置：利用污水處理廠的自然坡度和地形情況，合理緊湊布置各個建、構筑物，采用直線式連接，減少連接管的長度，減少彎管和閥門連接數量，避免多次提升污水。淹沒堰的設計，有效控制水頭本身跌落差[2]。

(2)泵的合理設計：根據不同關鍵部位，泵的不同作用，選擇合適的型號泵；選擇合理的泵運行臺數，調整其運行工況；根據實際地形精確計算水頭損失，確定污水處理系統的總水損，泵實際工作揚程的選擇。選擇同型號的泵設備，以便于后期的維護管理；比較多個設備廠家特性曲線，選擇電機效率高，流量、揚程符合設計要求，而電機功率相對較小的設備。采用變頻技術控制泵的運行，根據水量、泥量的大小，自動控制泵的運行，達到提高泵的工作效率。定期對泵進行維護保養，減少機械磨損造成的工況下降；定期對泵系統進行檢修，清除管道、管道附件，泵內的結垢，保證管線及各設備連接處不滲漏。

3.2 降低曝氣系統能耗的解決措施

曝氣系統可以分為風機房的風機節能、曝氣池布設兩部分，所以從這兩個部份找到對應的節能措施。

(1)風機房的節能措施

風機房的節能主要體現于風機系統，根據污水的進水參數指標，合理取值，合理選擇計算公式，準確計算生化池曝氣所需的風量；合理設計曝氣池的池型，曝氣池與風機房距離，減少管道系統水頭損失，計算合適的風機風壓；比對多個風機廠家的風機性能參數表，選擇合適風機型號、風機效率、機械效率高的風機型號；增加曝氣池溶解氧DO的自動監控，出水氨氮指標自動監測，對風機采取變頻技術控制，及時調整風機供風量及曝氣時間，精準曝氣，提高曝氣效率，保證曝氣池中溶解氧含量。定期對風機進行養護，減少機械磨損造成的工況下降；定期對系統進行檢修，消除閥門、管線破損[7]。

(2)曝氣池的節能措施

曝氣池的節能主要體現：采用合理的曝氣方式，通常情況下鼓風曝氣的動力效率(每消耗1 kW·h的電所提供的O2量)為1.0～3.0 kg O2/(kW·h)，機械曝氣的動力效率為1.2～2.4 kgO2/(kW·h)[2]；選擇高效率的曝氣設施，能夠滿足生化反應中不同曝氣量的需求，據報道，采用微孔曝氣器相比中大氣泡的曝氣器能明顯提高氧轉移效率和動力效率；根據曝氣池氧氣的需求量進行差額供氧，合理布置曝氣器，研究發現，最合理的布置方式為在池子進水口的地方多布置，出口的地方少布置；減小管道內的阻力以及曝氣池液位高程或堵塞增加的阻力等情況，降低風機壓力，合理布置曝氣池內風管管路，管徑及管長，優化曝氣系統、包括更換曝氣系統、減少曝氣頭數量、優化溶解氧控制等[6,8]。

Sheboygan污水處理廠通過使用高效曝氣器，每年可以節省33000美元，尤其是在夏季高峰流量時，優勢更為明顯。

3.3 降低污泥處理系統能耗的解決措施

污泥處理系統的節能降耗，可以從絮凝劑投加及污泥處理設備兩方面采取措施。

(1)絮凝劑投加節能措施

根據不同類型的污水，投加的絮凝劑種類不同、投加量也不同，為能夠選用到高效絮凝劑，通常取一定水量投加不同的絮凝劑、不同的投加量做實驗，控制好絮凝劑參數，協調各部分之間的關系；采用智能化的藥劑投加系統，嚴格控制投加藥劑的數量，減少絮凝劑的投加量和投加時間；定期對藥劑投加系統進行維護。

(2)污泥處理設備的節能措施

通過不同的污泥量計算公式，比較分析污泥量數值，確定污泥處理工藝，合理布置污泥處理系統；選擇合理類型、合理型號的污泥處理設備，常見的污泥脫水機有三種，帶式壓濾機，其價格便宜、占地面積小而且能耗低，但投入藥劑量較大；板框式壓濾機，其占地面積大、能耗較高、操作環境差；離心脫水機，其耗水量小、能耗大、價格高[2]。定期對污泥處理設備進行養護，減少機械磨損造成的工況下降；定期對系統進行檢修，消除閥門、管線破損。

3.4 節能降耗的其它措施

借鑒國外發達國家，將太陽能集熱板鋪設于污水處理池上，對太陽能進行收集，替代傳統的供電方式。太陽能系統作為一種生態系統，不需要維護和電力，節約能耗[9]。

BobSalmi說，通過使用變頻驅動器，小型電機和風機，微型擴散器等可以降低一半以上的功耗和電耗。

4 結 語

從泵運行系統、曝氣系統、污泥處理系統三階段能耗計算公式方面著手，分析污水處理廠的能耗影響因素，主要為設計階段的合理取值，合理選擇設備，設備實現自動化程度，以及設備的運行維護情況，才能從整體把握污水處理廠的節能降耗措施。