城市污水处理厂能耗分析及节能措施研究_宋涛.pdf

场景90城市污水处理厂能耗分析及节能措施研究文_宋涛 兰玲 贺亚 中国市政工程中南设计研究总院有限公司摘要：为了保证城市污水处理能效，分析了各种污水厂的主要能耗点，用比能耗分析法分析处理工艺和处理规模对污水处理厂能耗的影响。随后从污水提升系统、污泥处理系统、曝气系统等方面考虑，提出了合理确定水泵参数、选择高效污泥脱水机、确定合理的曝气系统规模、应用变频调速器技术、利用沼气发电等措施来节约污水处理能耗，降低污水处理成本。关键词：污水处理；能耗点；影响因素；节能措施Energy Consumption Analysis and Energy-saving Measures of Urban Sewage Treatment PlantSONG TaoLAN LingHE Ya Abstract In order to ensure the energy efficiency of urban sewage treatment,the main energy consumption points of various sewage plants are analyzed,and the impact of treatment process and treatment scale on the energy consumption of sewage treatment plants is analyzed by using the specific energy consumption method.Then from the aspects of sewage lifting system,sludge treatment system,aeration system,etc.,measures such as reasonable determination of pump parameters,selection of high-efficiency sludge dehydrator,determination of reasonable aeration system scale,application of frequency converter technology,and utilization of biogas power generation are proposed to save energy consumption and reduce the cost of sewage treatment.Key words sewage treatment;energy consumption point;influencing factors;energy-saving measures城市污水处理厂是一项高投资、高运行成本、高能耗的基础设施，如果不对污水处理厂运行期间的能耗和成本进行控制，可能出现建得起、用不起的局面。我国城市建设起步较晚，污水处理理论不完善，污水处理技术不成熟，很多技术人员对污水处理的期间能耗点的理解较为浅显，甚至盲目照搬其它污水处理项目的节能措施。因此，进一步分析城市污水处理厂能耗及节能措施具有十分重要的工程意义。1 城市污水厂能耗分类及分析方法1.1 污水厂能耗分类污水处理厂的耗能环节包括提升系统、曝气系统、污水污泥处理系统、电气系统等，其能量消耗可分为直接能耗和间接能耗两类。直接能耗能客观反映了污水处理厂实际运行过程中的能量消耗，一般是源于电力、煤、天然气等能源，如曝气电机的电耗、污水和污泥提升的电耗、污泥浓缩脱水的电耗、污泥消化消耗的热能、热源泵耗能、厂区照明能耗等；间接耗能主要包括絮凝剂、铝盐等耗材生产所消耗的能量。1.2 污水厂能耗点城市所排放的各种废水的特点不同，污水处理方法也有差异。城市污水处理厂采取何种处理工艺与处理规模、污水特性、周边环境等因素密切相关，其中厌氧好氧法、生物脱氮除磷法、氧化沟法、序批式活性污泥法、循环活性污泥法应用较为广泛，笔者总结了各种污水厂的主要能耗点，如表1所示。表1 污水处理厂主要能耗点污水处理工艺主要能耗点占比最高的能耗点厌氧好氧法潜污泵、好氧段充氮风机、污泥提气装置、反冲洗泵等充氮风机生物脱氮除磷法鼓风机、推流器、内回流泵、外回流泵等鼓风机氧化沟法在搅拌器、转碟曝气机、刮泥机等转碟曝气机序批式活性污泥法搅拌机、鼓风机、污泥泵等搅拌机循环活性污泥法搅拌器、推流器、鼓风机、污泥泵、回流泵等鼓风机1.3 污水厂能耗分析方法1.3.1 生命周期评价法城市污水处理的生命周期分为施工建设、生产运行、废弃拆除 3 个阶段。生命周期评价(Life Cycle Assessment，简称“LCA”）是通过对某一条过程链上出现的能量产出和吸收进行数据收集、记录、整合，并纳入过程中的若干不确定性因素，评估某一项目在各个阶段的能量消耗和影响因素。1.3.2 比能耗分析法城市污水处理的比能耗计算简单，实用性强，可用处理单位体积污水所消耗的能量直接折算成电能（kWh/m3)表示，或用去除单位重量的污染物(COD 或 BOD)所消耗的能量(kW 或 kJ)表示。比能耗可以是正值，也可以是负值，正值表示消耗能量，负值表示产生能量。但是，比能耗无法揭示城市污水处理厂能耗的影响因素和能源利用效率。2 城市污水厂能耗影响因素城市污水处理厂能耗影响因素较多，包括处理工艺、处理规模、设备利用率、排放标准、所处的自然环境等。本文91调查了多座处理规模不同的典型污水厂，处理工艺有氧化沟、A2/0、SBR、CASS、生物膜法、普通活性污泥法等，利用比能耗法重点探讨了处理工艺和处理规模两个因素对污水处理厂能耗的影响。2.1 处理工艺对能耗的影响根据调研结果，统计了同种规模（2m3/d）下，不同处理工艺的污水处理厂处理一吨水的耗电量，如图1 所示。图 1 污水处理厂平均吨水电耗由图1可知，污水厂规模相同的条件下，SBR 工艺的污水处理厂吨水电耗最小（0.36kWh/t），生物膜法工艺的污水处理厂吨水电耗最大（0.46kWh/t），同时不同工艺的污水处理厂吨水电耗差异较小，变化幅度在 3%15%。这主要是因为污水提升、生物处理曝气和污泥脱水系统的运行在总能耗的占比较大，而不同工艺的污水处理厂在这 3 部分的能耗相差不大。2.2 处理规模对能耗的影响根据调研结果，统计了相同处理工艺（生物膜法）下，不同规模的污水处理厂的耗电量，如图 2 所示。同时，以污水厂处理规模为自变量，以平均吨水电耗为因变量，利用 origin软件内置的线性函数进行拟合，相关系数达到了0.99，满足工程需求，可用拟合模型用于预测城市污水处理厂电耗。图 2 污水处理厂平均吨水电耗由图 2 可知，随着污水处理厂规模的增加，吨水电耗不断降低，且两者之间基本呈线形负相关关系。污水处理厂规模每增加 1m3/t，电耗约降低 0.04kWh/t，说明增加污水处理厂规模能摊薄城市污水处理成本，降低污水处理厂运行成本。3 城市污水处理厂节能措施3.1 污水提升系统节能措施相关研究表明，污水提升泵房的电耗量大，通常占到全部电耗的 20%左右，是污水处理厂的节能关键点之一。经分析，污水提升系统的节能措施可从水泵参数选择、高程设计、加强运行管理 3 个方面着手。3.1.1 合理确定水泵参数目前污水提升泵在选型时一般是基于最严重工况，再乘以一个安全系数，会使得水泵功率、扬程大大增加（设计方案偏保守），导致较大的能源浪费。因此，在确定水泵扬程时，建议根据污水处理厂的实际情况开展系统地水力学验算，不宜根据其它项目的设计经验直接估算。污水提升泵的电耗与水泵实际工作扬程H密切相关。工作扬程越小，污水提升电耗越小，计算见式。（1）式中 h污水提升高度，m；s水泵管路综合阻抗，s2/m5；h水泵管路的水头损失，m。为了减小污水提升泵扬程，可从 2 个方面解决：选择合适的出水方式。堰口出水方式能很好地适应管道内流量变化，使构筑物水位保持稳定状态，但会加大出口水头损失，增加能量消耗。运用管道淹没出流的方式能减小出口处的水头损失，但不利于构筑物内的水位控制，容易对构筑物的水力负荷产生影响。为了解决上述问题，建议在二沉池前选择淹没出流方式，二沉池选择堰口出水方式，以降低水泵提升高度。合理布置管道。污水处理管道总体布置应紧凑，合理污水处理厂的地形，尽量减小管道长度和水头损失。此外，条件允许时，可将初沉池、曝气池、二沉池等处理单元合建或集中布置，以降低土建工程量。3.1.2 优化污水高程设计污水处理高程设计值过大，各构筑物间会产生较大跌水，能源浪费严重。为了达到节能效果，在设计污水处理厂高程时应尽量做到一次提升污水，避免多次提升。同时，污水厂内各管线尽量采用直线连接的方式，避免大幅度转弯和长距离输送。3.1.3 加强运行管理一般情况下，污水提升水泵运行时间越长，水泵运行效率会下降，甚至严重偏离设计工况。因此，在水泵运行期间，应加强管理。启动水泵时，应在调节池水位最高时，不宜频繁启动进水泵。如果水泵运行过程中，杂物较多缠绕叶轮，或水泵连续运行 24h 以上时叶轮磨损严重，为保证处理污水量建议使用备用水泵工作。3.2 污泥处理系统节能措施污泥是污水处理期间产生，可能含有有毒有害的物质，场景92直接排放会危害自然环境。大多数城市污水处理厂是采用浓缩脱水法来处理污泥，主要环节包括污泥浓缩、污泥脱水、污泥厌氧消化等，处理目标就是将污泥中的水从固体物质中分离，降低污泥含水率，缩小污泥体积，并运出污水处理厂。3.2.1 选择高效的污泥脱水机污泥脱水机的能耗约占污泥处理系统总能耗的 50%左右，因此在处理污泥总量固定的前提下，使用高效节能的设备能减小污泥处理耗能，降低污泥处理费用。表 2 中介绍了4 种常用污泥脱水机的能耗。表2 污泥脱水机的能耗脱水机类型药剂能耗（kWh/t）离心脱水机聚合物3060带式脱水机聚合物520螺旋压榨式脱水机聚合物315板框压滤机Ca(OH)2+FeC131540由表 2 可知，带式脱水机和螺旋压榨式脱水机的比能耗相对较少，其中带式脱水机能实现浓缩和脱水一体化处理，占地面积小、清水耗量小、能耗低；离心脱水机虽然比能耗偏高，但因脱水效果良好、便于操作，在实际工程中应用较广泛。此外，板框式脱水机因占地面积大、机器工作效率低下等，在国内污水处理厂中已经很少使用。综上，选择污泥脱水机时需综合考虑污水厂的占地、环境需求、污泥含水率等控制指标。3.2.2 合理确定药剂种类和数量在处理污泥时，高分子药剂消耗量较大。在确定药剂的种类和数量时。脱水机中的加药数量不宜过大或过小，应根据进水负荷实验和污泥含水率计算。如果加药量过小，难以浓缩污泥。反之，多余药剂会产生大量正电荷，影响电负性污泥颗粒的聚合成团，导致污泥无法浓缩。3.2.3 沼气利用污泥厌氧消化过程中会产生沼气（主要成分甲烷CH4），燃烧值约 2.5104kJ/m3。沼气燃烧后可用于消化池加温、厂内供暖等。如果污水处理厂规模较大，可燃烧沼气用于发电，回收一部分电能，以降低污水厂处理厂能耗和运行成本。3.3 曝气系统节能措施曝气系统是城市污水处理工艺的核心，能耗最大，基本可占到整个污水处理系统能耗的 60%70%，是节能减排研究的重点。3.3.1 确定合理的曝气系统规模城市污水处理厂的曝气系统规模一般是根据日（时）高峰进水量的需氧量计算得到的，然而高峰段出现频率低，出现时间短。如果曝气调控设备配套不成熟，可能导致生物池中污水溶氧量偏高，即曝气系统的设计供氧能力实际需氧量。因此，可适当减少曝气量，以达到节能降耗的效果。污水处理厂生物池的平均需氧量与曝气系统的供氧能力差值越小，曝气系统能耗越低、能效越高。3.3.2 选择高效的曝气设备曝气设备是污水处理厂曝气系统的重要组成，有鼓风曝气和机械曝气两种。曝气设备选择不仅要满足供氧能力，还要有良好的调节能力。为了实现节能效果，应选择动力效率高且充氧能力高的曝气设备。3.3.3 鼓风机中安装变频调速器鼓风机是污水处理厂中不可或缺的设备，其风压一般是恒定的，风量大小只利用出