淺談城市污水處理廠中的節(jié)能技術(shù)

1、淺談城市污水處理廠中的節(jié)能技術(shù)馬超 陳向明(黑龍江省城市規(guī)劃勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院,哈爾濱 150040摘 要城市污水處理廠屬于高能耗行業(yè),必須采取適當(dāng)措施降低能耗。從污水處理系統(tǒng)的各方面綜述了近年來城市污水處理廠中的節(jié)能技術(shù)和措施。關(guān)鍵詞 城市污水處理 節(jié)能城市污水處理屬于高能耗行業(yè),我國(guó)城市污水產(chǎn)水量巨大(截至2010年3月底,全國(guó)設(shè)市城市、縣及部分重點(diǎn)建制鎮(zhèn)累計(jì)建成污水處理廠2157座,污水處理能力達(dá)到1.09億m3/d,且處理量在不斷增加(全國(guó)正在建設(shè)的城鎮(zhèn)污水處理項(xiàng)目1949個(gè),總設(shè)計(jì)能力約5500萬m3/d,因此污水處理的能耗不容忽視。城市污水處理工藝通常采用生化處理,消耗的能源主要包括電

2、、燃料及藥劑等潛在能源,其中電耗占總能耗的60%90%。我國(guó)污水處理廠平均耗電量一般在0.266度/m3,遠(yuǎn)高于美國(guó)、日本、歐洲等國(guó)家,具有較大的節(jié)能潛力1。1 提升系統(tǒng)節(jié)能1.1 工藝流程節(jié)能污水提升高度是水泵實(shí)際揚(yáng)程的決定因素,是影響污水提升系統(tǒng)能耗的關(guān)鍵因素。污水處理流程中,計(jì)量設(shè)施、連接管線和處理構(gòu)筑物內(nèi)部的水頭損失都很小,只有構(gòu)筑物的出水方式和跌水高度存在降低水頭損失的空間。構(gòu)筑物主要的出水方式包括堰口出水和管道淹沒出流,堰口出水方式可使構(gòu)筑物內(nèi)的水位保持穩(wěn)定,對(duì)流量變化的適應(yīng)性較強(qiáng),但出口水頭損失較大,能耗高;管道淹沒出流可降低水頭損失、節(jié)省能耗,但不利于構(gòu)筑物內(nèi)的水位控制,隨著水

3、量的變化,構(gòu)筑物內(nèi)水面會(huì)相應(yīng)變化,對(duì)構(gòu)筑物的水力負(fù)荷造成一定影響。在實(shí)際處理中,可將兩種處理方式相結(jié)合,如二沉池前各處理構(gòu)筑物采用淹沒出流,二沉池則采用堰口出水來穩(wěn)定水位,這樣既能降低能耗,又不影響構(gòu)筑物的處理效果2。1.2 運(yùn)行管理節(jié)能在運(yùn)行管理方面,水泵運(yùn)行隨時(shí)間有較大的變化,經(jīng)常偏離設(shè)計(jì)工況,從而造成水泵的運(yùn)行效率下降50%以上。合理選擇水泵運(yùn)行臺(tái)數(shù)、進(jìn)行水泵運(yùn)行工況的調(diào)節(jié),是提高水泵效率、降低能耗的重要手段。對(duì)于軸流泵和導(dǎo)葉式混流泵,可采用變角調(diào)節(jié);對(duì)于離心泵和蝸殼式混流泵,則可采用變速調(diào)節(jié),通過改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速來改變水泵的性能,達(dá)到節(jié)能的目的。對(duì)于運(yùn)行時(shí)間較長(zhǎng)的污水廠,目前還有部分老式

4、水泵,這些高能耗的設(shè)備也會(huì)增加污水廠的能耗量。2 曝氣系統(tǒng)節(jié)能曝氣系統(tǒng)主要包括:鼓風(fēng)機(jī)、空氣輸送管道和曝氣裝置。曝氣系統(tǒng)的節(jié)能降耗措施應(yīng)圍繞鼓風(fēng)機(jī)和曝氣裝置來進(jìn)行。2.1 風(fēng)量控制節(jié)能選擇風(fēng)機(jī)時(shí),都要在計(jì)算需氣量基礎(chǔ)上加上一個(gè)足夠大的安全系數(shù),以滿足最大負(fù)荷時(shí)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(shí)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。風(fēng)量控制的方法:(1按進(jìn)水比例控制風(fēng)量,該方法也比較簡(jiǎn)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(dòng)的影響,處理效果不穩(wěn)定;(2按DO控制風(fēng)量,曝氣池DO是

5、一個(gè)重要運(yùn)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(dòng),一般保證入口處0.51mg/L,出口23mg/L即可。如天津東郊污水處理廠采用溶解氧PLC自動(dòng)控制風(fēng)量,可節(jié)省氣量10%;日本有報(bào)道DO控制風(fēng)量可節(jié)電10%30%3。2.2 風(fēng)機(jī)運(yùn)行節(jié)能污水處理工程中需經(jīng)常調(diào)節(jié)風(fēng)量的鼓風(fēng)機(jī),應(yīng)選擇合適的調(diào)節(jié)方式,以降低能耗:用變頻器改變交流電機(jī)的轉(zhuǎn)速方式來進(jìn)行風(fēng)機(jī)流量的控制,可以大幅度減少以往機(jī)械方式調(diào)控流量造成的能量損耗;運(yùn)用進(jìn)口導(dǎo)葉片調(diào)節(jié),也是目前普遍采用的技術(shù)之一。對(duì)風(fēng)機(jī)調(diào)節(jié)方式的選擇,必須在滿足曝氣工藝對(duì)風(fēng)量、風(fēng)壓要求前提下,從流量變化范圍、風(fēng)機(jī)功率大小、調(diào)節(jié)裝置

6、的技術(shù)復(fù)雜程度、可靠性及投資等方面綜合考慮,進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析,作出合理的選擇。由于鼓風(fēng)機(jī)的風(fēng)壓是一定的,風(fēng)量只能靠出氣閥調(diào)節(jié),實(shí)際生產(chǎn)過程中出氣閥的開度一般只有50%70%,如果采用變頻調(diào)速系統(tǒng)控制風(fēng)量,節(jié)能效果很顯著。例如風(fēng)機(jī)功率為110kW時(shí),采用變頻調(diào)速前,電流為120130A,采用變頻調(diào)速技術(shù)后,電流為7080A,每年可節(jié)省電量21萬kWh。此外,采用變頻調(diào)速技術(shù)軸承等的機(jī)械磨損減少,壽命延長(zhǎng),維修工作量減少,而且電機(jī)可以軟啟動(dòng),對(duì)電網(wǎng)的沖擊大幅減少4。2.3 曝氣裝置節(jié)能傳統(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(shí)踐與研究

7、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。另外,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3。3 污泥處理系統(tǒng)節(jié)能3.1 運(yùn)行管理節(jié)能合理選擇絮凝劑是節(jié)能降耗的關(guān)鍵。過分強(qiáng)調(diào)高效絮凝劑肯定會(huì)價(jià)格昂貴增加費(fèi)用,若只從價(jià)格低來選用則投加量增多、效果差、操作不穩(wěn)定、費(fèi)用高。污泥脫水泥餅質(zhì)量的好壞和絮凝劑投加量有密切的聯(lián)系。如投加量小,則絮凝效果差;若適量加大絮凝劑的比例,絮凝效果逐漸變好,絮凝劑費(fèi)用相應(yīng)增加;但如果

8、比例太大,則將造成濃度過大,濃縮脫水難以進(jìn)行,因此合理選用投加量可以既保證泥餅質(zhì)量又經(jīng)濟(jì)。3.2資源化節(jié)能從污水污泥有機(jī)污染物中回收能量用于處理過程早在上世紀(jì)初就已投入實(shí)踐,目前有兩種回收途徑:一是污泥厭氧消化氣利用,二是污泥焚燒熱的利用。一般城市污水污泥的揮發(fā)性組分約占65%(國(guó)內(nèi)一般低于該值,可通過消化穩(wěn)定約45%。消化氣性質(zhì)穩(wěn)定、易于貯存,它可通過內(nèi)燃機(jī)或燃料電池轉(zhuǎn)化為機(jī)械能或電能,廢熱還可回收于消化污泥加熱,利用消化氣可解決污水廠不同程度的能量自給問題5。林榮忱等人比較了沼氣發(fā)電機(jī)和燃料電池兩種利用形式,認(rèn)為燃料電池能量利用率高,具有很好的發(fā)展前途6。沼氣發(fā)電機(jī)組并網(wǎng)發(fā)電的研究和應(yīng)用在

9、國(guó)內(nèi)也已有應(yīng)用實(shí)例,是大型污水廠沼氣綜合利用的可行途徑7。另外一種能量回收方式是將城市固體廢物焚燒場(chǎng)建在污水處理廠旁,將固廢與污水污泥一起焚燒,獲得的電能用于處理廠的運(yùn)轉(zhuǎn)。Shaw和Norton等按此思路進(jìn)行了研究,結(jié)果發(fā)現(xiàn)工程地點(diǎn)、環(huán)境因素、固體廢物量及經(jīng)濟(jì)上都具備可行性,而且污水廠實(shí)現(xiàn)了能量自給8。4 電氣系統(tǒng)節(jié)能城市污水處理廠的電氣系統(tǒng)主要包括,設(shè)在變配電間、變壓器、低壓配電控制系統(tǒng),以及電纜、電機(jī)及其他工藝設(shè)備、照明等。節(jié)能設(shè)計(jì)主要從變壓器配置、低壓配電系統(tǒng)無功補(bǔ)償優(yōu)化、減少電纜的損耗、電機(jī)配置及控制的優(yōu)化、減少照明系統(tǒng)損耗這幾方面入手9。4.1 變壓器節(jié)能措施變壓器的有功損耗有鐵損和

10、銅損,鐵損又稱空載損耗,其值與鐵芯材質(zhì)等有關(guān),而與負(fù)荷大小無關(guān),是基本不變的;而銅損與負(fù)荷電流平方成正比,負(fù)載電流為額定值時(shí)的銅損又稱短路損失,亦即負(fù)載損耗。只有銅損等于鐵損時(shí),變壓器的能耗最低。變壓器的最低能耗發(fā)生在負(fù)荷率為50%60%左右,綜合考慮初裝費(fèi),變壓器、高低壓開關(guān)柜、土建投資及運(yùn)行費(fèi)用,又要使變壓器在使用期內(nèi)預(yù)留適當(dāng)?shù)挠嗔?變壓器最經(jīng)濟(jì)節(jié)能的負(fù)荷率一般在75% 85%。城市污水處理廠設(shè)計(jì)中要選用節(jié)能變壓器,即空載損耗、負(fù)載損耗相對(duì)比較低的變壓器。4.2 電纜節(jié)能措施有效減少配電線路的電能損耗,節(jié)省的電能是相當(dāng)可觀的。應(yīng)選用電阻率較小的材質(zhì)做導(dǎo)體;變壓器盡可能地靠近負(fù)荷中心,電線、

11、電纜敷設(shè)時(shí)應(yīng)盡量少走彎路,減少線纜長(zhǎng)度;合理選擇線纜的截面積。4.3 低壓配電系統(tǒng)無功補(bǔ)償?shù)膬?yōu)化無功補(bǔ)償可分為集中補(bǔ)償和分散補(bǔ)償。分散于就地的無功補(bǔ)償既簡(jiǎn)單又可靠,只需在用電設(shè)備上并聯(lián)一臺(tái)合適的專用電容器即可,不需外加其他保護(hù)裝置;能提高低壓電網(wǎng)的功率因數(shù),降低了線損,具有較好的經(jīng)濟(jì)效益;提高了低壓線路的功率因數(shù),減少線路末端電壓波動(dòng)。污水處理廠的負(fù)荷一般比較集中,低壓配電間選在負(fù)荷中心位置時(shí),則優(yōu)先采用低壓配電集中補(bǔ)償。4.4 照明系統(tǒng)節(jié)能污水處理廠的照明包括綜合樓、車間等室內(nèi)照明和廠區(qū)室外照明,照明設(shè)備的用量也比較大。城市污水處理廠的室外照明應(yīng)采用智能控制,由照明自動(dòng)控制裝置或自動(dòng)控制根據(jù)

12、不同區(qū)域、不同時(shí)段自動(dòng)控制燈具的開關(guān),以達(dá)到節(jié)能目的。5 其它方面的節(jié)能措施5.1再生回用水節(jié)能城市污水再生利用是目前水處理技術(shù)研究和應(yīng)用領(lǐng)域共同關(guān)注的問題。應(yīng)根據(jù)用戶需求和用途,合理確定回用水的水量和水質(zhì)。可選用混凝、過濾、消毒或自然凈化等深度處理技術(shù),工程實(shí)施要考慮實(shí)際條件,城市污水再生利用規(guī)模、處理程度、處理流程、輸水方式、再生水質(zhì)、使用用途的選擇上,既要滿足要求,又要經(jīng)濟(jì)合理。目前,城市污水再生利用應(yīng)著重于農(nóng)業(yè)灌溉、景觀水體、工業(yè)冷卻、生活雜用等。5.2 熱源泵系統(tǒng)節(jié)能城市污水處理廠有充足的中水水源,中水溫度一般在1030,可以利用中水作為水源熱泵的水源,冬季輔以深井水,這樣既充分利用

13、了現(xiàn)有水源中低品位熱,有保證了冬夏季穩(wěn)定運(yùn)行,是經(jīng)濟(jì)可行的10。采用水源熱泵系統(tǒng)可一機(jī)多用,省去了鍋爐房、冷卻塔,減少了對(duì)環(huán)境的污染,節(jié)省了設(shè)備投資和運(yùn)行費(fèi)用。6 結(jié)語(yǔ)污水處理廠的節(jié)能措施不僅涉及到提升系統(tǒng)、曝氣系統(tǒng)、污泥處理系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)等方面,還包括再生水、熱源泵等措施。在污水處理廠的設(shè)計(jì)、運(yùn)行中,要因地制宜,通過詳細(xì)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較好,選擇適宜的節(jié)能工藝、節(jié)能設(shè)備及節(jié)能措施,真正達(dá)到節(jié)能的目的。參考文獻(xiàn)1谷成國(guó), 宋劍鋒. 城市污水處理廠鼓風(fēng)曝氣階段的節(jié)能降 耗研究J. 環(huán)境保護(hù)科學(xué), 2008, 34(5: 26-282牛住元, 張雅君, 王文海. 污水處理廠污水提升節(jié)能措施 研究J. 給水排水, 2009, 35(5: 155-1583林榮忱, 李金河, 林文波. 污水處理廠泵站與曝氣系統(tǒng)的 節(jié)能途徑J. 中國(guó)給水排水, 1999, 15(1: 21-234向偉芳. 污水處理廠節(jié)能設(shè)計(jì)的途徑J. 環(huán)境科學(xué), 2008, 27(7: 57-595 DA VIA B. Energy autonomy in the wastewater treatment process. Journal of WPCF, 1980, 52(3: 587-5966林榮忱, 鐘志鵬, 林文波. 污水處理廠消化池節(jié)能給污泥 處理設(shè)施固體回收率J. 城市環(huán)境與城市生態(tài)