污水處理廠泵站與曝氣系統(tǒng)的節(jié)能途徑

污水處理廠泵站與曝氣系統(tǒng)的節(jié)能途徑城市污水處理廠消耗的能源主要包括電、燃料及藥劑等潛在能源,其中電耗占總能耗的60%～90％，具體電耗分布情況因工藝和管理水平的不同而有差異(見表1）.表1部分城市污水廠電耗情況處理等級廠名規(guī)模（104m3/d）電耗(kW·h/m3）備注無消化上海西區(qū)污水廠上海曹楊污水廠1.2220.2182。00。232根據(jù)資料分析不難得出以下結(jié)論：①污水處理電耗占全廠總電耗的50％~80％,污泥處理僅占15％～40%,可見污水處理是處理廠耗電大戶，自然也就是節(jié)能重點。其中又以提升泵、風(fēng)機(jī)為重中之重。②表1列出4個污水廠均為老廠，無污泥脫水等工藝，處理單位污水耗電量約0。262kW·h/m3，從表面上看與日本全國平均0。260kW·h/m3相近，比美國0。20kW·h/m3稍高。但仔細(xì)分析就會發(fā)現(xiàn)：日本沉砂池普遍有洗砂、通風(fēng)、脫臭等，約耗電0。01kW·h/m3；美、日兩國普遍對出水進(jìn)行消毒處理，該項電耗約0.002kW·h/m3；美、日兩國對污泥都進(jìn)行消化、脫水、焚燒處理，美國還進(jìn)行氣浮處理,約耗電0。05~0.1kW·h/m3，而回收的能源均未計算在內(nèi)。另外，美、日兩國自控設(shè)備比我們多，照明空調(diào)等耗電也比我們多不少?？梢娎蠌S節(jié)能問題十分突出，潛力巨大.2提升泵的節(jié)能提升泵的電耗一般占全廠電耗的10％~20％,是污水廠的節(jié)能重點。提升泵的節(jié)能首先應(yīng)從設(shè)計入手,進(jìn)行節(jié)能設(shè)計；對于已投產(chǎn)的污水廠,仍能通過加強(qiáng)管理或更換部分設(shè)備進(jìn)行節(jié)能.2.1精確計算水頭損失，合理確定泵揚程從泵的有效功率NU=γQH可以看出當(dāng)γ、Q一定時，NU與H呈正比，因此降低泵揚程節(jié)能效果顯著。如天津東郊污水廠總水位差4。5m，小于紀(jì)莊子污水廠的6m，僅此一項每年即可節(jié)電100×10.4kW·h。然而，目前進(jìn)行污水廠設(shè)計時，水頭損失估算普遍偏高，導(dǎo)致泵揚程計算值偏高.在日本一般污水廠總水位差僅2。0m左右，可見我們的差距還很大。降低泵揚程可采取以下措施：①總體布置要緊湊。連接管路要短而直，盡量減小水頭損失。②改非淹沒堰為淹沒堰［1]，落差可由35~40cm減少到10cm。③日本總水位差小的關(guān)鍵在于初沉池、曝氣池、二沉池均采用方形平流式，三池為一體，首尾相連，水流通暢，從而最大限度地減小了水頭損失。雖然造價比輻流式要高一些，但其差價很快可以從節(jié)電效益得到補(bǔ)償。平流式沉淀池在我國應(yīng)用較少，主要原因是刮泥設(shè)備不過關(guān)，近年來環(huán)保設(shè)備技術(shù)水平有了長足進(jìn)步,所以平流式沉淀池應(yīng)用前景廣闊。2。2流量調(diào)節(jié)方式污水廠進(jìn)水量往往隨時間、季節(jié)波動，如果按目前通行的以最大流量作為選泵依據(jù)，水泵全速運轉(zhuǎn)時間將不超過10％［2］，大部分時間都無法高效運轉(zhuǎn)，造成能源浪費。由軸功率N=NU/η1(η1為泵運行效率）可以看出，一定流量揚程下NU是一定的，而泵的軸功率直接由η1決定,所以應(yīng)選擇合適調(diào)控方式,合理確定泵流量，以保證泵始終高效運轉(zhuǎn)。2。2。1轉(zhuǎn)速加臺數(shù)控制方式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，定速運轉(zhuǎn)以滿足基本流量的要求；調(diào)速泵變速運轉(zhuǎn)以適應(yīng)流量的變化，流量出現(xiàn)較大波動時以增減運轉(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。四種調(diào)速方法效率—轉(zhuǎn)速關(guān)系如圖1。2.2。2其它調(diào)節(jié)方式除調(diào)速外還有一些流量調(diào)節(jié)方式，不需添置設(shè)備,只需加強(qiáng)管理，就可很快收到可觀效益.①機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)主要指水量出現(xiàn)大的波動時關(guān)閉或開啟出水閘，這樣雖然會增大水頭損失，但因N-Q曲線為上升曲線，所以還是有一定節(jié)能作用的。②運行方式調(diào)節(jié)一般可以很簡單地采用隨進(jìn)水量增減臺數(shù)的方法進(jìn)行，通過縮短運行時間達(dá)到節(jié)能目的。這一點在各廠都已采用，但要注意對于大型水泵，因為啟動電流很大，所以應(yīng)盡量避免頻繁啟動。③調(diào)整改造離心式水泵都配有一系列直徑的葉輪，可簡單地通過更換葉輪使水泵適應(yīng)低于額定流量的流量。另外，在確認(rèn)流量為恒定低流量后,還可以采用切削葉輪的方法.2。3選用高效電機(jī)及傳動裝置泵系統(tǒng)電耗W=tNU/(η1η2η3）式中η2、η3——傳動效率和電機(jī)效率t—-—運行時間因此可從η2、η3入手，采用高效電機(jī)進(jìn)行節(jié)能。高效電機(jī)沒有一個準(zhǔn)確定義，一般效率比常規(guī)電機(jī)高2％～8％，雖然提高幅度不大，但因為污水泵大多為大功率、24h運轉(zhuǎn)，所以即便只提高1％，節(jié)能效果也是很明顯的。當(dāng)然高效電機(jī)價格比普通電機(jī)高15％～60％，所以采用該方法應(yīng)進(jìn)行經(jīng)濟(jì)校核,看是否能在使用期內(nèi)由節(jié)電效益收回投資。3曝氣系統(tǒng)的節(jié)能鼓風(fēng)曝氣系統(tǒng)電耗一般占全廠電耗的40％～50％，是全廠節(jié)能的關(guān)鍵。最根本的節(jié)能措施就是減小風(fēng)量，而減小風(fēng)量必須提高擴(kuò)散裝置效率，降低污泥對氧的需求。3。1擴(kuò)散裝置3.1。1改進(jìn)布置方式傳統(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，另外可以減小風(fēng)量,但經(jīng)過多年實踐與研究發(fā)現(xiàn)，這種方式不如全面曝氣效果好。全面曝氣可使整個池內(nèi)均勻產(chǎn)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2。表2不同充氧方式的效率[3］曝氣方式單邊曝氣全面曝氣(間距6。1中心曝氣全面曝氣(間距3。05m)m)3.1.2采用微孔曝氣器微孔曝氣器可以減小氣泡尺寸，增大表面積，因而轉(zhuǎn)移速度高,節(jié)約風(fēng)量。天津東郊污水廠和紀(jì)莊子污水廠均采用微孔全面曝氣，比穿孔管節(jié)電20％以上。英國有報道采用微孔曝氣每去除1kgBOD可節(jié)約風(fēng)量25％，電力18％［4］。日本的情況如表3所示。表3日本不同擴(kuò)散裝置的效率［4］曝氣方式穿孔管微孔曝氣氣量（m3/kgBOD）3630美國對一大批老式穿孔曝氣進(jìn)行了改造,效果顯著。如美國的Hartford在224640m3/d的污水廠采用微孔曝氣，實際氧利用率從穿孔管4。4％提高到了10.0％，總投資600000美元，每年節(jié)約電費200000美元，不計清洗費用，3年即可收回投資［５］3。2風(fēng)量控制節(jié)能。選擇風(fēng)機(jī)時，都要在計算需氣量基礎(chǔ)上加上一個足夠大的安全系數(shù)，以滿足最大負(fù)荷時的需要。所以在日常負(fù)荷下一般都要適當(dāng)減小風(fēng)量，負(fù)荷低時更應(yīng)如此,這不僅是節(jié)能的需要,也是防止過曝氣、保證處理效果的要求。而進(jìn)行風(fēng)量控制是曝氣系統(tǒng)效果最顯著的節(jié)能方法，據(jù)EPA對美國12個處理設(shè)施的調(diào)查結(jié)果顯示，以DO為指標(biāo)控制風(fēng)量時可節(jié)電33％[4］。圖2反映了風(fēng)機(jī)風(fēng)量與電耗的關(guān)系,圖中電耗指每小時的耗電量?？梢?，電耗隨風(fēng)量變化很大，因此進(jìn)行風(fēng)量控制節(jié)能效果顯著，而且功率越大效果越明顯，當(dāng)然風(fēng)量并不是可以任意減小，它將受到許多因素的影響。3.2。1風(fēng)量程序控制長期觀測進(jìn)水水質(zhì)、水量,掌握其變化特性，再由經(jīng)驗確定風(fēng)量與時間的關(guān)系,并設(shè)定程序，自動進(jìn)行控制。該方法簡便易行，但當(dāng)水質(zhì)水量出現(xiàn)很大波動時，應(yīng)與其他方法配合使用。3。2.2按進(jìn)水比例控制風(fēng)量該方法也比較簡單，按一定氣水比，根據(jù)進(jìn)水量調(diào)節(jié)風(fēng)量即可。但該方法最易受水質(zhì)波動的影響，處理效果不穩(wěn)定。3.2.3按DO控制風(fēng)量曝氣池DO是一個重要運行參數(shù),理論上達(dá)0.3mg/L就不影響微生物的生理功能，但考慮到水質(zhì)水量的波動,一般保證入口處0.5～1。0mg/L，出口2～3mg/L[４]即可。如天津東郊污水處理廠采用溶解氧PLC自動控制風(fēng)量，可節(jié)省氣量10％；日本有報道DO控制風(fēng)量可節(jié)電10%～30%。3.3風(fēng)量調(diào)節(jié)方式由于各種風(fēng)量控制方式最終都要由調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)來實現(xiàn)，所以與水泵相似，風(fēng)機(jī)也存在風(fēng)量調(diào)節(jié)問題,也就同樣存在高效運轉(zhuǎn)問題。目前城市污水廠一般都采用高速離心風(fēng)機(jī),其原理與離心泵相似，所以原則上泵調(diào)節(jié)流量的方式同樣適用于風(fēng)機(jī)。另外,泵的調(diào)速方