污水處理廠運(yùn)行的節(jié)能降耗技術(shù)進(jìn)展

申請(qǐng)免費(fèi)試用、咨詢(xún)電話(huà)：400-8352-114

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(lái)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(jí)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(guó)外污水處理廠運(yùn)行中的經(jīng)驗(yàn)，對(duì)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(jí)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(jí)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(yíng)維護(hù)成本的30一80％。根據(jù)美國(guó)的用電統(tǒng)計(jì)，城鎮(zhèn)污水處理廠的總電耗約占美國(guó)總電力負(fù)荷的3％。隨著人口的增長(zhǎng)和污染物去除標(biāo)準(zhǔn)的不斷提高，未來(lái)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(guó)，隨著近幾年全國(guó)各縣級(jí)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(guó)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(duì)我國(guó)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(guó)學(xué)者的研究結(jié)論，我國(guó)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(guò)程，其中污水生物處理和污泥處理的單元過(guò)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(píng)價(jià)污水處理設(shè)施的能耗和成本，首先要對(duì)各用電設(shè)備的情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。美國(guó)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(duì)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(kāi)關(guān)、功率、運(yùn)行狀態(tài)等信息通過(guò)在線(xiàn)傳感器實(shí)時(shí)獲取，并將信息自動(dòng)分類(lèi)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(kù)，以計(jì)算污水廠的能量效率；另外，根據(jù)與同類(lèi)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(duì)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(guó)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(duì)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(píng)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(jí)改造或者更換的最佳時(shí)機(jī)M]。能量審核評(píng)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(píng)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(píng)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(xiàn)監(jiān)測(cè)來(lái)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(duì)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(xiàn)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(xiàn)，會(huì)導(dǎo)致活性污泥系統(tǒng)長(zhǎng)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(huà)，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(xiàn)時(shí)，建議對(duì)污水廠的運(yùn)行情況進(jìn)行分析，評(píng)價(jià)在停止其中一個(gè)運(yùn)行后對(duì)污水廠的運(yùn)行負(fù)荷是否會(huì)對(duì)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(mǎn)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(guò)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(guò)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(mǎn)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(duì)比來(lái)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(jí)改造設(shè)備和控制系統(tǒng) (1)曝氣組件 根據(jù)美國(guó)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(duì)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(lèi)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(jiàn)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(lái)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(duì)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(zhuān)用設(shè)備(如潛水?dāng)嚢杵鞯?來(lái)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(duì)水泵的運(yùn)行而言，可以采取如下措施來(lái)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(lái)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(duì)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(jí)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(guò)調(diào)節(jié)擋板或閥門(mén)開(kāi)度大小來(lái)調(diào)節(jié)風(fēng)量或流量，這勢(shì)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(mén)，則將達(dá)到節(jié)約電能目的。因?yàn)檫@類(lèi)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(guó)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(mén)調(diào)節(jié)流量相比，可節(jié)能40％～60％。對(duì)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(jí)改造工程中，應(yīng)優(yōu)先選用高效電機(jī)。 (5)監(jiān)測(cè)和控制系統(tǒng) 自動(dòng)監(jiān)測(cè)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(cè)，可以減少或避免過(guò)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(méi)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(duì)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(wú)需人工清洗維護(hù)，同時(shí)自動(dòng)監(jiān)測(cè)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(guó)西雅圖、華盛頓地區(qū)的污水廠的工程改造經(jīng)驗(yàn)，升級(jí)改造中更換新的在線(xiàn)DO傳感器的成本可以通過(guò)節(jié)能措施在3年內(nèi)收回成本_1。 4結(jié)語(yǔ) 隨著科技的進(jìn)步和新設(shè)備新工藝的開(kāi)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(shì)。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(jí)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(píng)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。