淺議污水處理廠的節(jié)能途徑
摘要:近幾年我國建成并運(yùn)行的污水處理廠越來越多,但是近幾年以電費(fèi)為主的能耗費(fèi)用不斷上漲,許多污水處理廠因?yàn)闊o法解決巨額的運(yùn)行費(fèi)用而不能正常運(yùn)轉(zhuǎn),使國家投巨資建設(shè)的污水處理廠沒有發(fā)揮它的 社會(huì) 效益,致使我國的水環(huán)境狀況日益惡化,因此對污水處理廠運(yùn)行進(jìn)行優(yōu)化管理,節(jié)約能源費(fèi)用,降低處理成本是保障污水處理廠正常運(yùn)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(yīng)采取的措施。
關(guān)鍵詞:污水處理 能效 節(jié)能
1 概述
目前 ,我國已建成并投入運(yùn)行的城市污水處理廠約180座,設(shè)計(jì)處理能力達(dá)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(dá)到9%-10%。,98年度國家采取擴(kuò)大內(nèi)需的政策,加大城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的投資力度是一項(xiàng)重要 內(nèi)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(xiàng)的城市污水處理工程建設(shè)項(xiàng)目就達(dá)137個(gè)。國內(nèi)目前建設(shè)二級污水處理廠的投資水平按單位處理水量計(jì)約為1200-1600元/m3 ,相應(yīng)的配套排水管網(wǎng)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(yùn)營費(fèi)0.35-0.55元/m3 。[1]縱觀我國的污水處理廠其運(yùn)行狀況不容樂觀,尤其是近幾年以電費(fèi)為主的能耗費(fèi)用不斷上漲,許多污水處理廠不能正常運(yùn)轉(zhuǎn),使國家投巨資建設(shè)的污水處理廠沒有發(fā)揮它的社會(huì)效益,我國的水環(huán)境狀況日益惡化。因此在能保障污水處理量和尾水達(dá)標(biāo)排放的前提下,對污水處理廠運(yùn)行進(jìn)行優(yōu)化管理,節(jié)約能源費(fèi)用,降低處理成本是保障污水處理廠正常運(yùn)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(jìn)行能耗分析與評價(jià),提出污水處理廠的節(jié)能措施,以供污水處理廠設(shè)計(jì)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(wǎng)收集的污水井污水提升泵之后進(jìn)入到污水處理廠,在污水處理廠首先經(jīng)過格柵、沉砂池等預(yù)處理后進(jìn)入一級處理,然后再進(jìn)過曝氣池、二沉池等二級處理設(shè)施,最后經(jīng)過加氯消毒然后排放到 自然 水體,二沉池產(chǎn)生的污泥一部分經(jīng)過泵回流到曝氣池,二沉池剩余污泥和初沉池的污泥經(jīng)過污泥濃縮池濃縮后,再經(jīng)過厭氧消化,然后由運(yùn)輸工具運(yùn)往垃圾處理場。
圖 1 活性污水處理廠流程圖
2.2 各個(gè)構(gòu)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(shù)據(jù)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]
處理單元
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廠內(nèi)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(yù)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(yùn)
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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(fā)現(xiàn),節(jié)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(jià)格的上漲和運(yùn)行費(fèi)用的縮減,節(jié)約能耗的重點(diǎn)主要集中在污水處理廠的二級處理的曝氣系統(tǒng)和水泵機(jī)水泵站部分。
3 污水處理廠的節(jié)能措施
3.1 污水(泥)提升泵
提升泵的節(jié)能應(yīng)首先從設(shè)計(jì)入手,進(jìn)行節(jié)能設(shè)計(jì);對于已投產(chǎn)的污水處理廠,提升泵節(jié)能的關(guān)鍵在于控制方式,只有實(shí)行提升過程的最優(yōu)控制,才能達(dá)到節(jié)能的目的。[3]
3.1.1 合理降低水泵的揚(yáng)程
目前 我國進(jìn)行污水處理廠的設(shè)計(jì)時(shí),水頭損失普遍偏高,導(dǎo)致水泵的揚(yáng)程 計(jì)算 值偏高。從水泵的有效功率Nu = rQH可以看出,r 、Q一定時(shí),Nu與H成正比,因此降低水泵的揚(yáng)程節(jié)能效果顯著。降低水泵的揚(yáng)程可以采取以下措施:
(1)污水處理廠的各個(gè)構(gòu)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(shí)現(xiàn)污水自流或者利用自然落差補(bǔ)償部分污水管路水頭損失。
(4)采用阻力系數(shù)系數(shù)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(shù)
選用流量與揚(yáng)程盡量達(dá)到設(shè)計(jì)要求的污水提升泵,盡量減少水泵臺數(shù),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(dòng)輔助設(shè)備,直接能耗相同時(shí),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(jī)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(diào)節(jié)時(shí),要避免閥門調(diào)節(jié)來節(jié)省能耗,可采用調(diào)速泵或多臺定速泵組合調(diào)節(jié)的形式。[5]當(dāng)采用水泵調(diào)速時(shí),應(yīng)該選用大機(jī)組和臺數(shù)少的調(diào)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(jié)、天氣、用水時(shí)間等變化,目前理性的做法是采用最大流量作為選泵依據(jù),實(shí)際上水泵全速運(yùn)轉(zhuǎn)的時(shí)間不超過10%,相當(dāng)部分時(shí)間水泵處于低效運(yùn)轉(zhuǎn)。由水泵的軸功率N=Nu/n(n為運(yùn)行效率)可見,水泵處于高效運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)下可以節(jié)省大量電能。因此應(yīng)選擇合適的調(diào)控方式,合理確定泵流量,保持泵的高效運(yùn)轉(zhuǎn)。目前主要的水泵調(diào)控方式有:
(1)對位控制
對位控制就是在吸水池水位發(fā)生變化時(shí),根據(jù)事先確定的水位等級,控制對應(yīng)水泵機(jī)組的自動(dòng)開停,以適應(yīng)泵站來水量的變化。這種控制方式簡單易行,使用方便, 應(yīng)用 廣泛。但是,這種方式吸水池水位的變化幅度較大,水泵揚(yáng)程也隨之發(fā)生相應(yīng)的變化。因此,節(jié)能效果不好,而且水泵起動(dòng)頻繁,忙閑不均。[7]
(2)自動(dòng)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(jù)泵站的實(shí)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(shí)際的來水量。這樣就可以保證吸水池中的水位較長時(shí)間地穩(wěn)定在高水位上,從而使水泵的工作揚(yáng)程減小,最終達(dá)到節(jié)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(jìn)水渠道上加設(shè)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(diǎn),其上下各300mm處的水位值作為上下限控制點(diǎn)。溢流井的設(shè)置使吸水池水位提高1.15m,而且溢流井處設(shè)置的水位和溢流量監(jiān)測儀表還為泵站的最優(yōu)化控制提供必要的數(shù)據(jù)。實(shí)踐證明,高碑店污水處理廠采用這種控制方式節(jié)能效果顯著。每天可節(jié)約用電量900kwh(流量按50萬m3/d計(jì))。
(3)轉(zhuǎn)速加臺數(shù)控制
目前國外大型污水廠普遍采用轉(zhuǎn)速加臺數(shù)控制 方法 ,定速泵按平均流量選擇,定速運(yùn)轉(zhuǎn)以滿足基本流量的要求;調(diào)速泵變速運(yùn)轉(zhuǎn)以適應(yīng)流量的變化,流量出現(xiàn)較大波動(dòng)時(shí)以增減運(yùn)轉(zhuǎn)臺數(shù)作為補(bǔ)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(diào)速泵也不可能將流量調(diào)到任意小,而仍能保持高效。[8]
此外還可以通過調(diào)節(jié)出水閘開啟度、切削水泵葉輪等方式實(shí)現(xiàn)流量控制。
3.2 曝氣系統(tǒng)
曝氣過程是活性污泥法的中心環(huán)節(jié),也是污水處理過程中能耗最大的工序。曝氣系統(tǒng)的節(jié)能主要有以下幾方面:
3.2.1 選擇高效的曝氣設(shè)備
僅從降低能耗的角度考慮,表面曝氣的性能要優(yōu)于穿孔管曝氣,微孔擴(kuò)散器效率高于中氣泡、大氣泡擴(kuò)散器,亦優(yōu)于表面曝氣機(jī)。但是表面曝氣機(jī)械不需要修建鼓風(fēng)機(jī)房,不需設(shè)置大量布?xì)夤艿篮推貧馄鳎虼伺c微孔擴(kuò)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(shè)計(jì)中,應(yīng)綜合考慮采用。幾種主要空氣擴(kuò)散器的性能比較見表2。
表2 幾種空氣擴(kuò)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(yīng)按微生物反應(yīng) 規(guī)律 布置,使供氣量在曝氣池的各段內(nèi)與該段微生物反應(yīng)需氧相適應(yīng)。如傳統(tǒng)活性污泥法就應(yīng)布置成漸減曝氣的形式,否則,就會(huì)出現(xiàn)前段供氧不足,后段供氧過剩的現(xiàn)象,既不節(jié)能,也 影響 處理效果。
另外,傳統(tǒng)的曝氣池,曝氣管是單邊布置形成旋流,過去認(rèn)為這種方式有利于保持真正推流,可以減小風(fēng)量,但經(jīng)過多年實(shí)踐與 研究 發(fā)現(xiàn),這種方式不如全面曝氣效果好。全面曝氣可使整個(gè)池內(nèi)均勻產(chǎn)生小旋渦,形成局部混合,同時(shí)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(yīng)布滿整個(gè)曝氣池底部。德國的一項(xiàng)研究結(jié)果表明,在所有曝氣系統(tǒng)中。布滿曝氣池底部的微孔曝氣器系統(tǒng)的傳氧效率最高可達(dá)3kgO2/kWh。[11]
表3 不同充氧方式的效率
3.2.3 合理設(shè)計(jì)池形
曝氣池的池形會(huì)影響曝氣設(shè)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(nèi),深度對小氣泡的總充氧效率幾乎沒有影響,而當(dāng)淹沒深度從3m增加到7m大氣泡擴(kuò)散裝置的充氧效率提高了20-30%。[12]
Rooney指出,最佳池形設(shè)計(jì),淹沒式渦輪曝氣和擴(kuò)散曝氣的充氧效率可提高50%。[13]一般而言,橫向環(huán)流混合型較好,擴(kuò)散裝置對稱并均勻的分布在池底。
表面機(jī)械曝氣在高動(dòng)力密度下,可能出現(xiàn)額外的 問題 ,因?yàn)橄噜徠貧馄鏖g的相互干擾,產(chǎn)生波浪而降低充氧效率。[14]可以在各個(gè)曝氣器之間設(shè)立隔板而解決上述問題。
3.2.4 曝氣設(shè)備供氧量的自動(dòng)調(diào)節(jié)
隨著污水廠水質(zhì)和水量的變化,需要時(shí)時(shí)調(diào)節(jié)曝氣設(shè)備的曝氣量,曝氣量的調(diào)節(jié)方式有控制多組曝氣池或多組曝氣單元的運(yùn)轉(zhuǎn)、使用可調(diào)節(jié)的曝氣系統(tǒng)、采用計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)控制的曝氣系統(tǒng)、分期建設(shè)、分期使用曝氣池等。
雖然在曝氣系統(tǒng)和污水(泥)提升系統(tǒng)外的其他系統(tǒng)里也有許多節(jié)能措施,但限于文章篇幅,不在此一一贅述。
4 結(jié)論
由于近幾年國家只注重污水處理廠數(shù)量的建設(shè)而不注重污水處理廠的節(jié)能建設(shè),隨著近幾年來電費(fèi)、藥劑、人力等費(fèi)用的不斷上漲,使污水處理廠的運(yùn)行費(fèi)用不斷增加,甚至造成了一大批污水處理廠不能正常運(yùn)轉(zhuǎn)。所以對污水處理廠進(jìn)行能耗 分析 ,發(fā)揮污水處理廠的巨大節(jié)能潛力,提高污水處理廠的 經(jīng)濟(jì) 效益,是保障污水處理廠正常運(yùn)轉(zhuǎn)的重要措施,同時(shí)也有利于緩解 社會(huì) 能源日益緊張的局面。在污水處理廠的設(shè)計(jì)、建設(shè)中,盡可能的優(yōu)化設(shè)計(jì),選擇合理的處理工藝,實(shí)際合理的構(gòu)筑物,使用節(jié)能的設(shè)備;在污水處理廠的運(yùn)行中,要大膽運(yùn)用先進(jìn)的技術(shù)實(shí)現(xiàn)設(shè)備的優(yōu)化運(yùn)行,加強(qiáng)管理,實(shí)現(xiàn)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(fā)展 ,實(shí)現(xiàn)其社會(huì)效益。
【 參考 文獻(xiàn) 】:
[1] 張建文,張海燕.城市污水處理廠運(yùn)行管理優(yōu)化方案.城市環(huán)境與城市生態(tài),第14卷4期,2001年8月:18。
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[3] 張力,張善發(fā).城市污水處理廠的節(jié)能技術(shù)對策.上海水務(wù),第19卷2期,2003年:20。
[4] 吳慧芳,孔火良.城鎮(zhèn)小型生活污水處理設(shè)備及其展望. 工業(yè) 安全與環(huán)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(xué)工業(yè)出版社,2O04。
[6] 周金全.城市污水處理工藝設(shè)備及招標(biāo)投標(biāo)管理.北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2003。
[7] 李亞峰,馬學(xué)文.淺談城市污處處理廠的節(jié)能.節(jié)能,1998年第1期.
[8] 張力,張善發(fā).城市污水處理廠的節(jié)能技術(shù)對策.上海水務(wù),第19卷2期,2003年:21。
[9] 楊敏,張建強(qiáng),李亞瀾,污水處理工程中節(jié)能 問題 的探討,工業(yè)安全與環(huán)保.第31卷第2期,2005年:23。
[10] 張力,張善發(fā).城市污水處理廠的節(jié)能技術(shù)對策.上海水務(wù),第19卷2期,2003年:21。
[11] 王彩霞.城市污水處理廠能源開發(fā)利用與節(jié)能技術(shù).設(shè)計(jì)與 研究 ,1991。
[12] Yunt,F(xiàn).,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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