污水处理厂泵站与曝气系统的节能途径

污水处理厂泵站与曝气系统的节能途径

1 能耗分析

城市污水处理厂消耗的能源主要包括电、燃料及药剂等潜在能源，其中电耗占总能耗的60％～90％，具体电耗分布情况因工艺和管理水平的不同而有差异(见表1)。

根据资料分析不难得出以下结论：

①污水处理电耗占全厂总电耗的50％～80％，污泥处理仅占15％～40％，可见污水处理是处理厂耗电大户，自然也就是节能重点。其中又以提升泵、风机为重中之重。

②表1列出4个污水厂均为老厂，无污泥脱水等工艺，处理单位污水耗电量约0.262 kW·h/m3，从表面上看与日本全国平均0.260 kW·h/m3相近，比美国0.20 kW·h/m3稍高。但仔细分析就会发现：日本沉砂池普遍有洗砂、通风、脱臭等，约耗电0.01 kW·h/m3；美、日两国普遍对出水进行消毒处理，该项电耗约0.002 kW·h/m 3；美、日两国对污泥都进行消化、脱水、焚烧处理，美国还进行气浮处理，约耗电0.05～0.1 kW·h/m3，而回收的能源均未计算在内。另外，美、日两国自控设备比我们多，照明空调等耗电也比我们多不少。可见老厂节能问题十分突出，潜力巨大。

2 提升泵的节能

提升泵的电耗一般占全厂电耗的10％～20％，是污水厂的节能重点。提升泵的节能首先应从设计入手，进行节能设计；对于已投产的污水厂，仍能通过加强管理或更换部分设备进行节能。

2.1 精确计算水头损失，合理确定泵扬程

从泵的有效功率N U=γQH 可以看出当γ、Q一定时，N U与H呈正比，因此降低泵扬程节能效果显著。如天津东郊污水厂总水位差 4.5m，小于纪庄子污水厂的6 m，仅此一项每年即可节电100×10.4kW·h。然而，目前进行污水厂设计时，水头损失估算普遍偏高，导致泵扬程计算值偏高。在日本一般污水厂总水位差仅2.0 m左右，可见我们的差距还很大。

降低泵扬程可采取以下措施：

①总体布置要紧凑。连接管路要短而直，尽量减小水头损失。

②改非淹没堰为淹没堰［1］，落差可由35～40cm减少到10cm。

③日本总水位差小的关键在于初沉池、曝气池、二沉池均采用方形平流式，三池为一体，首尾相连，水流通畅，从而最大限度地减小了水头损失。虽然造价比辐流式要高一些，但其差价很快可以从节电效益得到补偿。平流式沉淀池在我国应用较少，主要原因是刮泥设备不过关，近年来环保设备技术水平有了长足进步，所以平流式沉淀池应用前景广阔。

2.2 流量调节方式

污水厂进水量往往随时间、季节波动，如果按目前通行的以最大流量作为选泵依据，水泵全速运转时间将不超过10％［2］，大部分时间都无法高效运转，造成能源浪费。

由轴功率N=N U/η1(η1为泵运行效率)可以看出，一定流量扬程下N U是一定的，而泵的轴功率直接由η1决定，所以应选择合适调控方式，合理确定泵流量，以保证泵始终高效运转。

2.2.1 转速加台数控制方式

目前国外大型污水厂普遍采用转速加台数控制方法，定速泵按平均流量选择，定速运转以满足基本流量的要求；调速泵变速运转以适应流量的变化，流量出现较大波动时以增减运转台数作为补充。但是由于泵的特性曲线高效段范围不

是很大，这就决定了对于调速泵也不可能将流量调到任意小，而仍能保持高效。四种调速方法效率-转速关系如图1。

2.2.2 其它调节方式

除调速外还有一些流量调节方式，不需添置设备，只需加强管理，就可很快收到可观效益。

①机构调节

主要指水量出现大的波动时关闭或开启出水闸，这样虽然会增大水头损失，但因N-Q曲线为上升曲线，所以还是有一定节能作用的。

②运行方式调节

一般可以很简单地采用随进水量增减台数的方法进行，通过缩短运行时间达到节能目的。这一点在各厂都已采用，但要注意对于大型水泵，因为启动电流很大，所以应尽量避免频繁启动。

③调整改造

离心式水泵都配有一系列直径的叶轮，可简单地通过更换叶轮使水泵适应低于额定流量的流量。另外，在确认流量为恒定低流量后，还可以采用切削叶轮的方法。

2.3 选用高效电机及传动装置

泵系统电耗W=t N U/(η1η2η3)

式中η2、η3--传动效率和电机效率

t --- 运行时间

因此可从η2、η3入手，采用高效电机进行节能。

高效电机没有一个准确定义，一般效率比常规电机高2％～8％，虽然提高幅度不大，但因为污水泵大多为大功率、24h运转，所以即便只提高1％,节能效果也是很明显的。

当然高效电机价格比普通电机高15％～60％，所以采用该方法应进行经济校核，看是否能在使用期内由节电效益收回投资。

3 曝气系统的节能

鼓风曝气系统电耗一般占全厂电耗的40％～50％，是全厂节能的关键。最根本的节能措施就是减小风量，而减小风量必须提高扩散装置效率，降低污泥对氧的需求。

3.1 扩散装置

3.1.1 改进布置方式

传统的曝气池，曝气管是单边布置形成旋流，过去认为这种方式有利于保持真正推流，另外可以减小风量，但经过多年实践与研究发现，这种方式不如全面曝气效果好。全面曝气可使整个池内均匀产生小旋涡，形成局部混合，同时可将小气泡吸至1/3到2/3深处，提高充氧效率，见表2。

3.1.2 采用微孔曝气器

微孔曝气器可以减小气泡尺寸，增大表面积，因而转移速度高，节约风量。天津东郊污水厂和纪庄子污水厂均采用微孔全面曝气，比穿孔管节电20％以上。英国有报道采用微孔曝气每去除1 kgBOD可节约风量25％，电力18％［4］ 。

日本的情况如表3所示。

美国对一大批老式穿孔曝气进行了改造，效果显著。如美国的Hartford在224 640 m3/d的污水厂采用微孔曝气，实际氧利用率从穿孔管 4.4％提高到了10.0％，总投资600 000美元，每年节约电费200 000美元，不计清洗费用，3年即可收回投资［５］。

3.2 风量控制节能

选择风机时，都要在计算需气量基础上加上一个足够大的安全系数，以满足最大负荷时的需要。所以在日常负荷下一般都要适当减小风量，负荷低时更应如此，这不仅是节能的需要，也是防止过曝气、保证处理效果的要求。而进行风量控制是曝气系统效果最显著的节能方法，据EPA对美国12个处理设施的调查结果显示，以DO为指标控制风量时可节电33％［4］。图2反映了风机风量与电耗的关系，图中电耗指每小时的耗电量。

可见，电耗随风量变化很大，因此进行风量控制节能效果显著，而且功率越大效果越明显，当然风量并不是可以任意减小，它将受到许多因素的影响。

3.2.1 风量程序控制

长期观测进水水质、水量，掌握其变化特性，再由经验确定风量与时间的关系，并设定程序，自动进行控制。该方法简便易行，但当水质水量出现很大波动时，应与其他方法配合使用。

3.2.2 按进水比例控制风量