污水处理厂运行的节能降耗技术进展

污水处理厂运行的节能降耗技术进展徐晓宇，李春光(上海市政工程设计研究总院，上海200092)摘要：随着城镇污水处理处理规模的增加，污水厂的能耗也越来越引起重视。文中从污水处理厂的能耗单元审核、运行参数控制、设备升级改造等方面总结和分析了各种最新的节能降耗技术，并研究了其可行性。还结合国外污水处理厂运行中的经验，对其中的一些技术方法提供了实际应用的案例。提出了今后要从污水处理设计、设备选型、运行管理控稍、维护、升级改造等每个环节中贯彻节能降耗技术，以达到降低污水处理成本、减小用电量的目标。关键词：污水处理厂节能降耗运行维护升级改造1前言在活性污泥处理系统中，污水厂能耗成本占污水厂运营维护成本的30一80％。根据美国的用电统计，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。在我国，随着近几年全国各县级以上城市污水处理设施的不断上马，污水处理率也不断提高，而且在国家政策鼓励的作用下，今后几年里污水处理投资和建设规模还在加大，导致了各地的电力资源紧缺的矛盾日益突出。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。2污水处理厂的能耗使用分析根据我国学者的研究结论，我国城市污水处理厂能耗主要用于污水、污泥的提升，生物处理的供氧，以及污泥处理这几个工艺过程，其中污水生物处理和污泥处理的单元过程耗能量要占污水厂直接能耗的60％以上。在不同污水处理厂的运行中，实际能耗还与污水厂规模、污水的水质特征、处理程度、处理工艺、运行模式等因素有关。要评价污水处理设施的能耗和成本，首先要对各用电设备的情况进行统计分析。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BluePlain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。3污水处理厂节能途径与技术3．1污水厂能量利用审核能量利用审核管理不仅能为处理厂运转提供可靠的基础数据，而且可指导处理厂工艺方案的选择与节能改造。采用生命周期成本分析等方法，对处理系统和各单元组件进行分析并优化，以达到降低能耗需求和成本的目的；采用能量利用评价程序对能量和用进行审核，还能用以辅助管理污水厂的设备的维护，确定设备升级改造或者更换的最佳时机M]。能量审核评价程序分为两步，第一步是工程可行性研究，包括推荐技术方案的评估，初步设计工作，以及项目的工作范围、成本以及财务评价等；第二步是详细设计工作，包括施工、试运行、培训、运行与维护，并根据在线监测来检验系统改造后的成果。从工程的前期到工程运行后的整个流程对污水厂的能耗状况进行审核，以确定具备节能降耗潜力的单元。3．2控制污水厂运行参数(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2个或2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。如图1所示，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。表1提供了活性污泥系统能量输入的指导值.(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，或者是为了保险起见。过度曝气直接导致了能耗的浪费，并会使污泥的沉降性变差。由图2可以看到，曝气池中的Do浓度从2ms／L升高到5ms／L，所需要消耗的能量增加了近一倍㈨。因为氧气溶解在水中的动力是氧浓度梯度，如果混合液中的DO越高，则浓度梯度越小，氧扩散速率越慢。最节能的方法是根据降解污水中有机物和硝化所需的最低需氧量进行供氧曝气，并维持稳定的DO浓度。对于一般的活性污泥系统，DO浓度值大约为1．2～2．5mg／L。由于迸水有机负荷的不稳定，实际运行中，一般下午和傍晚的需氧量要比夜间和早晨的需氧量大，因此维持稳定DO浓度所需的鼓风量也要实时调整。(4)平均细胞停留时间MCRT通过控制活性污泥的MCRT也可以实现节能的目的。一般丽言，在不需要进行硝化的反应器中，MCRT控制在6—10d，在温度20。C时，基本能满足碳基BOD的去除效果；而有硝化要求的反应器中，MCRT一般至少需要8～10d，才能出现硝化反应，当MCRT达到20d以上时，硝化反应才能较完全。从能耗对比来看，不需要硝化脱氮的反应器的能耗比进行硝化反应的能耗可以节约30—40％。3．3升级改造设备和控制系统(1)曝气组件根据美国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1．3×106kW。曝气系统的能耗占活性污泥系统的污水处理厂总能耗的40一70％。因此，对曝气系统进行节能研究改造具有重要意义。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。几种常见的扩散曝气设备的氧转移效率如图3所示。OTE随着生物反应器中扩散器数量的增加而提高，有些污水厂在设计时根据反应池的尺寸来布置和安装曝气器；还有些污水厂采用将原有的粗孔曝气器更换为微孑L曝气器，这样也能大大提高用电效率。据某污水厂统计，全部更新所有的曝气头后每年能节约的电费为100000美元，投资回收期为4年对于维持混合液悬浮而言，也可以采用混合效率更高的其它专用设备(如潜水搅拌器等)来替代曝气设备，这样就可以关停曝气设备，大大减少能量需求。(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O．0304美元(m3／d)。对水泵的运行而言，可以采取如下措施来改善水泵效率：1)泵运行时尽量保持在高效区间内(如应控制两台泵运行在额定流量90％，而不是三台泵运行在额定流量的60％)；2)调节水位控制器，使水泵运行的启闭尽量减少，使出水水流稳定；3)利用电容补偿(大型水泵)来改善功率因子；4)如果水泵一直在低效区低负荷下运行，可以减小叶轮的尺寸；5)对于定速水泵，当流量变化范围较大时，采用可调速电机或者多级变速电机驱动。(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。根据国内的工程实际运行数据表明，使用变频调速设备可使水泵平均转速比工频转速降低20％以上，综合节能效率可达20％一40％。与采用档板、阀门调节流量相比，可节能40％～60％。对于中小型的污水厂，一年左右就可收回投资成本。(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，应优先选用高效电机。(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_1。4结语随着科技的进步和新设备新工艺的开发，污水厂的节能降耗的技术也在不断发展更新。污水厂的节能降耗是一项综合性工作，涉及到工艺、设备、电气及自控等多个环节，多学科的交叉和各种技术的融合是其发展的必然趋势。今后污水厂的节能技术应从设计、设备选型、运行管理控制、维修、升级改造等每个环节进行贯彻审核，以降低污水处理成本，减小用电量。在实践中还应建立能耗能效的管理评价体系，以检验节能降耗的成果，促进各项先进技术的改进、整合和推广。