污水处理厂设计和运行中的节能考虑

污水处理厂设计和运行中的节能考虑

摘要：随着国家环境保护政策的推进，近几年以及今后的一段时间城市污水处理设施的投资和建设规模不断增长，污水处理率以及处理程度也不断提高，导致了污水处理厂运行的能源消耗的矛盾日益突出，国家也提出了节能减排的要求。因此，研究污水处理厂的能耗管理和节能降耗措施，降低污水处理厂的运行总能耗，对我国的经济和社会发展具有重要的意义。关键词：管理节能、能耗与功效、节能措施实施

一、污水处理厂的能耗分析

对于大部分污水处理厂来说，电力消耗一般占其每年运行维护的25%～50%（WEF，1997b）。在活性污泥处理系统中，电耗成本更是占30%～80%。根据美国用电统计，城镇污水处理厂的总电耗约占美国总电力负荷的3%。随着人口的增长和污染物去除标准的不断提高，未来15年内用于污水处理的总用电量还将继续增加20%以上。表1~3所列为不同处理工艺及规模污水处理厂能耗的初步估算情况。在不同污水处理厂的运行中，实际能耗与污水厂规模、污水的水质特征、处理程度、处理工艺、运行模式等因素有关。通常，污水厂节能改造应该重点关注能耗排名前列的单元和设施，这些单元和设施一般节能潜力较大，污水厂的曝气和泵送系统通常是能耗大户，另外，污泥消化处理、污水深度处理等也是耗能的主要单元。

二、污水处理厂节能途径与技术

1、污水厂管理节能

污水处理厂管理节能是指进行员工指导、选择和培训，确保污水厂在满足排放要求的前提下安全和经济地运行，应该配备员工专门进行节能降耗的实施，将节能作为管理的主要目标之一。污水厂运行维护手册需要记录设计过程中考虑的各种节能措施。例如，如果水泵设计为变频驱动（VFDs），手册中应详细说明水泵耗能的监测和如何有效使用变频电机达到最优节能效果以供运行和管理人员参考。手册中应以图表形式详细表示不同运行条件下的水泵效率，当然，手册中也应该有设计参数和设计意图的介绍，当污水厂进行升级改造或优化后，相关的运行参数或条件改变的情况应及时记录和体现在运行维护手册中。污水厂应完备记录运行中使用电、燃料、气和化学药剂情况以备评估，应配备相应的仪器和设备来连续记录和监测耗能情况。当然，员工的激励也很重要。可以采用经济奖励来鼓励员工提出改进运行能耗和效率的建议，对于可实施的节能建议进行重奖。或者聘请专业咨询人员进行节能规划，指导节能措施实施，并提供实施过程中所需的各类资源。美国华盛顿州卫生署（WSSC）推荐所在区的污水厂建立一个能耗信息系统（EIS），以便对处理工艺流程中各处理单元的耗能项目，包括各种设备和建筑物的开关、功率、运行状态等信息通过在线传感器实时获取，并将信息自动分类记录储存在EIS系统中，从而建立各个耗能单元的能耗信息数据库，以计算污水厂的能量效率；另外，根据与同类设备或其它厂的处理单元的能耗数据比较，可以发现是否存在有高耗低效的运行环节，再对这些环节进行详细的核查，分析其原因，为污水厂的节能优化运行提供依据。例如在美国华盛顿州的Blue Plain污水处理厂将各个能耗单元的用电情况、需求以及运行成本等数据集成在EIS里，该系统取代了传统的电子表格，让管理人员实时掌握和调整设备运行。

2 、污水厂设计节能

（1）曝气

根据美国1982年的统计数据，北美地区污水厂的曝气设备总能耗功率大约1.3×106 kW。曝气系统的能耗占活性污泥系统的污水处理厂总能耗的40%～70%。因此，对曝气系统进行节能研究具有重要意义。扩散曝气系统是目前使用最为普遍的充氧方式，曝气设备的充氧能力取决于多个因素，包括：氧曝气头类型、池体形状、扩散器安装深度、水温、环境大气压、

曝气器设计以及污水的特征等。氧转移效率（OTE）是衡量曝气系统的重要指标，OTE的改善能有效提高能量利用效率。影响氧转移效率的的因素有水质特征、反应器水深、气泡直径、风量风速、扩散器密度以及曝气头的堵塞情况等。

（2）水泵

与活性污泥工艺相关的水泵设施主要有初次或中途提升泵、污泥回流泵、剩余污泥泵和内回流泵。按照北美地区的运行经验，一般提升水头减少0.3m，可以节约能耗成本0.0304美元/（m3/d）。减少水泵能耗的最直接的方法是减少水泵提升的水量。因此，减少污水管道中的入渗或误接水量，减少系统的各类回流或循环水量将是水泵节能的最有利措施之一。（3）变频控制器

风机、水泵在水处理行业是经常使用的通用机械。以往，风机、水泵采用恒速交流电动机拖动，通过调节挡板或阀门开度大小来调节风量或流量，这势必造成电能的浪费。若利用变频调速技术，以调节电动机转速的方法取代调节挡板或阀门，则将达到节约电能目的。因为这类负载的输入功率和转速的3次方成正比，利用调速使流量减少，则异步电动机的输入电功率按立方规律下降，从而使耗电量大大降低，节能效果十分显著，达20％以上。

（4）高效电机

根据统计，典型污水处理厂的电机运行所消耗的电力约占总电耗的90%左右。影响电机效率主要因素有供电电压、电机的尺寸、设计以及运行荷载等。一般高效电机的效率比普通电机高出8%左右，虽然高效电机的一次性投资比普通电机高10%～15%，但在电机投入运行后，该部分投资的回收期很短，一般几个月或者数年就可回收增加的成本。因此，在新建污水厂设计或者污水厂升级改造工程中，对于每天运行时间较长的电机，采用高效电机的优势较为明显，而对于那些不太常用的电机（如集水坑内的排水泵电机）则不必采用高效电机。（5）监测和控制系统

自动监测和控制是有效的节能工具。在污水处理中，最常用也是最有效的控制指标是DO浓度。从工艺角度看，DO浓度的监测，可以减少或避免过度曝气和不必要硝化反应；从设备运行的角度看，DO浓度可以调节机械曝气器的淹没深度，鼓风机的输出风量以及水泵的流量等，这些设备的运行工况对总能耗均具有重要影响。DO传感器直接关系到DO控制系统的正常使用与控制精度。随着技术的进步，DO传感器可以做到连续自动清洗，而无需人工清洗维护，同时自动监测的精确度也大大提高，为节能与正常运行提供了保证。根据美国西雅图、华盛顿地区的污水厂的工程改造经验，升级改造中更换新的在线DO传感器的成本可以通过节能措施在3年内收回成本。

3、污水厂运行节能

（1）反应器单体在线数

考虑到今后发展的要求，或者为了抵抗工业废水和暴雨径流的冲击负荷，一般污水处理厂设计时都会预留一定的容量，在运行中反应器容积如全部在线，会导致活性污泥系统长期处于低负荷运行状态。如果负荷率能维持在正常水平的话，那么能量的利用率也可以提高。例如，在旱季时，如果污水厂的生物反应器有两个或两个以上在线时，建议对污水厂的运行情况进行分析，评价在停止其中一个运行后对污水厂的运行负荷是否会对出水造成影响，大部分污水厂在旱季减少反应器容积后仍能保持较好的处理效果。

（2）单位容积的能量输入

生物反应器内能量的输入必须满足均匀混合和氧气传递的需要。最低能量输入值是保证污泥处于悬浮状态所需的能量，如果单位容积内能量输入超过最大需要值，活性污泥絮体会发生剪切作用而被破坏，从而影响污泥的沉降性能。

（3）DO水平

许多处理厂的生物反应池会曝气过度，主要原因是缺乏自动调节系统，或者是为了保险