污水處理廠運(yùn)行的節(jié)能降耗技術(shù)進(jìn)展

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摘要： 隨著城鎮(zhèn)污水處理處理規(guī)模的增加，污水廠的能耗也越來越引起重視。文中從污水處理廠的能耗單元審核、運(yùn)行參數(shù)控制、設(shè)備升級改造等方面總結(jié)和分析了各種最新的節(jié)能降耗技術(shù)，并研究了其可行性。還結(jié)合國外污水處理廠運(yùn)行中的經(jīng)驗(yàn)，對其中的一些技術(shù)方法提供了實(shí)際應(yīng)用的案例。提出了今后要從污水處理設(shè)計(jì)、設(shè)備選型、運(yùn)行管理控稍、維護(hù)、升級改造等每個(gè)環(huán)節(jié)中貫徹節(jié)能降耗技術(shù)，以達(dá)到降低污水處理成本、減小用電量的目標(biāo)。

關(guān)鍵詞： 污水處理廠節(jié)能降耗運(yùn)行維護(hù)升級改造 1前言 在活性污泥處理系統(tǒng)中，污水廠能耗成本占污水廠運(yùn)營維護(hù)成本的30一80％。根據(jù)美國的用電統(tǒng)計(jì)，城鎮(zhèn)污水處理廠的總電耗約占美國總電力負(fù)荷的3％。隨著人口的增長和污染物去除標(biāo)準(zhǔn)的不斷提高，未來15年內(nèi)用于污水處理的總用電量還將繼續(xù)增加20％以上。 在我國，隨著近幾年全國各縣級以上城市污水處理設(shè)施的不斷上馬，污水處理率也不斷提高，而且在國家政策鼓勵(lì)的作用下，今后幾年里污水處理投資和建設(shè)規(guī)模還在加大，導(dǎo)致了各地的電力資源緊缺的矛盾日益突出。因此，研究污水處理廠的能耗管理和節(jié)能降耗措施，降低污水處理廠的運(yùn)行總能耗，對我國的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展具有重要的意義。 2污水處理廠的能耗使用分析 根據(jù)我國學(xué)者的研究結(jié)論，我國城市污水處理廠能耗主要用于污水、污泥的提升，生物處理的供氧，以及污泥處理這幾個(gè)工藝過程，其中污水生物處理和污泥處理的單元過程耗能量要占污水廠直接能耗的60％以上。在不同污水處理廠的運(yùn)行中，實(shí)際能耗還與污水廠規(guī)模、污水的水質(zhì)特征、處理程度、處理工藝、運(yùn)行模式等因素有關(guān)。 要評價(jià)污水處理設(shè)施的能耗和成本，首先要對各用電設(shè)備的情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。美國華盛頓州衛(wèi)生署(WSSC)推薦所在區(qū)的污水廠建立一個(gè)能耗信息系統(tǒng)(EIS)，以便對處理工藝流程中各處理單元的耗能項(xiàng)目，包括各種設(shè)備和建筑物的開關(guān)、功率、運(yùn)行狀態(tài)等信息通過在線傳感器實(shí)時(shí)獲取，并將信息自動(dòng)分類記錄儲(chǔ)存在EIS系統(tǒng)中，從而建立各個(gè)耗能單元的能耗信息數(shù)據(jù)庫，以計(jì)算污水廠的能量效率；另外，根據(jù)與同類設(shè)備或其它廠的處理單元的能耗數(shù)據(jù)比較，可以發(fā)現(xiàn)是否存在有高耗低效的運(yùn)行環(huán)節(jié)，再對這些環(huán)節(jié)進(jìn)行詳細(xì)的核查，分析其原因，為污水廠的節(jié)能優(yōu)化運(yùn)行提供依據(jù)。例如在美國華盛頓州的Blue Plain污水處理廠將各個(gè)能耗單元的用電情況、需求以及運(yùn)行成本等數(shù)據(jù)集成在EIS里，該系統(tǒng)取代了傳統(tǒng)的電子表格，讓管理人員實(shí)時(shí)掌握和調(diào)整設(shè)備運(yùn)行。 3污水處理廠節(jié)能途徑與技術(shù) 3．1污水廠能量利用審核 能量利用審核管理不僅能為處理廠運(yùn)轉(zhuǎn)提供可靠的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，而且可指導(dǎo)處理廠工藝方案的選擇與節(jié)能改造。采用生命周期成本分析等方法，對處理系統(tǒng)和各單元組件進(jìn)行分析并優(yōu)化，以達(dá)到降低能耗需求和成本的目的；采用能量利用評價(jià)程序?qū)δ芰亢陀眠M(jìn)行審核，還能用以輔助管理污水廠的設(shè)備的維護(hù)，確定設(shè)備升級改造或者更換的最佳時(shí)機(jī)M]。能量審核評價(jià)程序分為兩步，第一步是工程可行性研究，包括推薦技術(shù)方案的評估，初步設(shè)計(jì)工作，以及項(xiàng)目的工作范圍、成本以及財(cái)務(wù)評價(jià)等；第二步是詳細(xì)設(shè)計(jì)工作，包括施工、試運(yùn)行、培訓(xùn)、運(yùn)行與維護(hù)，并根據(jù)在線監(jiān)測來檢驗(yàn)系統(tǒng)改造后的成果。從工程的前期到工程運(yùn)行后的整個(gè)流程對污水廠的能耗狀況進(jìn)行審核，以確定具備節(jié)能降耗潛力的單元。 3．2控制污水廠運(yùn)行參數(shù) (1)反應(yīng)器單體在線數(shù) 考慮到今后發(fā)展的要求，或者為了抵抗工業(yè)廢水和暴雨徑流的沖擊負(fù)荷，一般污水處理廠設(shè)計(jì)時(shí)都會(huì)預(yù)留一定的容量，在運(yùn)行中反應(yīng)器容積如全部在線，會(huì)導(dǎo)致活性污泥系統(tǒng)長期處于低負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)。如果負(fù)荷率能維持在正常水平的話，那么能量的利用率也可以提高。例如，在旱季時(shí)，如果污水廠的生物反應(yīng)器有2個(gè)或2個(gè)以上在線時(shí)，建議對污水廠的運(yùn)行情況進(jìn)行分析，評價(jià)在停止其中一個(gè)運(yùn)行后對污水廠的運(yùn)行負(fù)荷是否會(huì)對出水造成影響，大部分污水廠在旱季減少反應(yīng)器容積后仍能保持較好的處理效果。 (2)單位容積的能量輸入 生物反應(yīng)器內(nèi)能量的輸入必須滿足均勻混合和氧氣傳遞的需要。如圖1所示，最低能量輸入值是保證污泥處于懸浮狀態(tài)所需的能量，如果單位容積內(nèi)能量輸入超過最大需要值，活性污泥絮體會(huì)發(fā)生剪切作用而被破壞，從而影響污泥的沉降性能。表1提供了活性污泥系統(tǒng)能量輸入的指導(dǎo)值.   (4)平均細(xì)胞停留時(shí)間MCRT 通過控制活性污泥的MCRT也可以實(shí)現(xiàn)節(jié)能的目的。一般麗言，在不需要進(jìn)行硝化的反應(yīng)器中，MCRT控制在6—10 d，在溫度20。C時(shí)，基本能滿足碳基BOD的去除效果；而有硝化要求的反應(yīng)器中，MCRT一般至少需要8～10 d，才能出現(xiàn)硝化反應(yīng)，當(dāng)MCRT達(dá)到20 d以上時(shí)，硝化反應(yīng)才能較完全。從能耗對比來看，不需要硝化脫氮的反應(yīng)器的能耗比進(jìn)行硝化反應(yīng)的能耗可以節(jié)約30—40％。 3．3升級改造設(shè)備和控制系統(tǒng) (1)曝氣組件 根據(jù)美國1982年的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)№]，北美地區(qū)污水廠的曝氣設(shè)備總能耗功率大約1．3×106 kW。曝氣系統(tǒng)的能耗占活性污泥系統(tǒng)的污水處理廠總能耗的40一70％。因此，對曝氣系統(tǒng)進(jìn)行節(jié)能研究改造具有重要意義。 擴(kuò)散曝氣系統(tǒng)是目前使用最為普遍的充氧方式，曝氣設(shè)備的充氧能力取決于多個(gè)因素，包括：氧曝氣頭類型，池體形狀，擴(kuò)散器安裝深度，水溫，環(huán)境大氣壓，曝氣器設(shè)計(jì)以及污水的特征等。氧轉(zhuǎn)移效率(OTE)是衡量曝氣系統(tǒng)的重要指標(biāo)，OTE的改善能有效提高能量利用效率。影響氧轉(zhuǎn)移效率的的因素有水質(zhì)特征、反應(yīng)器水深、氣泡直徑、風(fēng)量風(fēng)速、擴(kuò)散器密度以及曝氣頭的堵塞情況等。幾種常見的擴(kuò)散曝氣設(shè)備的氧轉(zhuǎn)移效率如圖3所示。 OTE隨著生物反應(yīng)器中擴(kuò)散器數(shù)量的增加而提高，有些污水廠在設(shè)計(jì)時(shí)根據(jù)反應(yīng)池的尺寸來布置和安裝曝氣器；還有些污水廠采用將原有的粗孔曝氣器更換為微孑L曝氣器，這樣也能大大提高用電效率。據(jù)某污水廠統(tǒng)計(jì)，全部更新所有的曝氣頭后每年能節(jié)約的電費(fèi)為100 000美元，投資回收期為4年 對于維持混合液懸浮而言，也可以采用混合效率更高的其它專用設(shè)備(如潛水?dāng)嚢杵鞯?來替代曝氣設(shè)備，這樣就可以關(guān)停曝氣設(shè)備，大大減少能量需求。   與活性污泥工藝相關(guān)的水泵設(shè)施主要有初次或中途提升泵、污泥回流泵、剩余污泥泵和內(nèi)回流泵。按照北美地區(qū)的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，一般提升水頭減少0．3 m，可以節(jié)約能耗成本O．0304美元(m3／d)。 對水泵的運(yùn)行而言，可以采取如下措施來改善水泵效率： 1)泵運(yùn)行時(shí)盡量保持在高效區(qū)間內(nèi)(如應(yīng)控制兩臺(tái)泵運(yùn)行在額定流量90％，而不是三臺(tái)泵運(yùn)行在額定流量的60％)； 2)調(diào)節(jié)水位控制器，使水泵運(yùn)行的啟閉盡量減少，使出水水流穩(wěn)定； 3)利用電容補(bǔ)償(大型水泵)來改善功率因子； 4)如果水泵一直在低效區(qū)低負(fù)荷下運(yùn)行，可以減小葉輪的尺寸； 5)對于定速水泵，當(dāng)流量變化范圍較大時(shí)，采用可調(diào)速電機(jī)或者多級變速電機(jī)驅(qū)動(dòng)。 (3)變頻控制器 風(fēng)機(jī)、水泵在水處理行業(yè)是經(jīng)常使用的通用機(jī)械。以往，風(fēng)機(jī)、水泵采用恒速交流電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)，通過調(diào)節(jié)擋板或閥門開度大小來調(diào)節(jié)風(fēng)量或流量，這勢必造成電能的浪費(fèi)。若利用變頻調(diào)速技術(shù)，以調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的方法取代調(diào)節(jié)擋板或閥門，則將達(dá)到節(jié)約電能目的。因?yàn)檫@類負(fù)載的輸入功率和轉(zhuǎn)速的3次方成正比，利用調(diào)速使流量減少，則異步電動(dòng)機(jī)的輸入電功率按立方規(guī)律下降，從而使耗電量大大降低，節(jié)能效果十分顯著，達(dá)20％以上。 根據(jù)國內(nèi)的工程實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)表明，使用變頻調(diào)速設(shè)備可使水泵平均轉(zhuǎn)速比工頻轉(zhuǎn)速降低20％以上，綜合節(jié)能效率可達(dá)20％一40％。與采用檔板、閥門調(diào)節(jié)流量相比，可節(jié)能40％～60％。對于中小型的污水廠，一年左右就可收回投資成本。 (4)高效電機(jī) 根據(jù)統(tǒng)計(jì)，典型污水處理廠的電機(jī)運(yùn)行所消耗的電力約占總電耗的90％左右。影響電機(jī)效率主要因素有供電電壓、電機(jī)的尺寸、設(shè)計(jì)以及運(yùn)行荷載等。一般高效電機(jī)的效率比普通電機(jī)高出8％左右，雖然高效電機(jī)的一次性投資比普通電機(jī)高10～15％，但在電機(jī)投入運(yùn)行后，該部分投資的回收期很短，一般幾個(gè)月或者數(shù)年就可回收增加的成本。因此，在新建污水廠設(shè)計(jì)或者污水廠升級改造工程中，應(yīng)優(yōu)先選用高效電機(jī)。 (5)監(jiān)測和控制系統(tǒng) 自動(dòng)監(jiān)測和控制是有效的節(jié)能工具。在污水處理中，最常用也是最有效的控制指標(biāo)是DO濃度。從工藝角度看，DO濃度的監(jiān)測，可以減少或避免過度曝氣和不必要硝化反應(yīng)；從設(shè)備運(yùn)行的角度看，DO濃度可以調(diào)節(jié)機(jī)械曝氣器的淹沒深度，鼓風(fēng)機(jī)的輸出風(fēng)量以及水泵的流量等，這些設(shè)備的運(yùn)行工況對總能耗均具有重要影響。 DO傳感器直接關(guān)系到DO控制系統(tǒng)的正常使用與控制精度。隨著技術(shù)的進(jìn)步，DO傳感器可以做到連續(xù)自動(dòng)清洗，而無需人工清洗維護(hù)，同時(shí)自動(dòng)監(jiān)測的精確度也大大提高，為節(jié)能與正常運(yùn)行提供了保證。根據(jù)美國西雅圖、華盛頓地區(qū)的污水廠的工程改造經(jīng)驗(yàn)，升級改造中更換新的在線DO傳感器的成本可以通過節(jié)能措施在3年內(nèi)收回成本_1。 4結(jié)語 隨著科技的進(jìn)步和新設(shè)備新工藝的開發(fā)，污水廠的節(jié)能降耗的技術(shù)也在不斷發(fā)展更新。污水廠的節(jié)能降耗是一項(xiàng)綜合性工作，涉及到工藝、設(shè)備、電氣及自控等多個(gè)環(huán)節(jié)，多學(xué)科的交叉和各種技術(shù)的融合是其發(fā)展的必然趨勢。今后污水廠的節(jié)能技術(shù)應(yīng)從設(shè)計(jì)、設(shè)備選型、運(yùn)行管理控制、維修、升級改造等每個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行貫徹審核，以降低污水處理成本，減小用電量。在實(shí)踐中還應(yīng)建立能耗能效的管理評價(jià)體系，以檢驗(yàn)節(jié)能降耗的成果，促進(jìn)各項(xiàng)先進(jìn)技術(shù)的改進(jìn)、整合和推廣。