污水处理厂泵站与曝气系统的节能途径.docx
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污水处理厂泵站与曝气系统的节能途径
污水处理厂泵站与曝气系统的节能途径
城市污水处理厂消耗的能源主要包括电、燃料及药剂等潜在能源，其中电耗占总能耗的60％～90％，具体电耗分布情况因工艺和管理水平的不同而有差异（见表1）。
表1部分城市污水厂电耗情况
厂名
规模（104m3/d）
处理等级
电耗（kW·h/m3）
备注
上海西区污水厂
1.2
2
0.218
无消化
上海曹杨污水厂
2.0
2
0.232
上海东区污水厂
4.5~5.0
2
0.335
太原北郊污水厂
1.4
2
0.255
有消化
根据资料分析不难得出以下结论：
①污水处理电耗占全厂总电耗的50％～80％，污泥处理仅占15％～40％，可见污水处理是处理厂耗电大户，自然也就是节能重点。
其中又以提升泵、风机为重中之重。
②表1列出4个污水厂均为老厂，无污泥脱水等工艺，处理单位污水耗电量约0.262kW·h/m3，从表面上看与日本全国平均0.260kW·h/m3相近，比美国0.20kW·h/m3稍高。
但仔细分析就会发现：
日本沉砂池普遍有洗砂、通风、脱臭等，约耗电0.01kW·h/m3；美、日两国普遍对出水进行消毒处理，该项电耗约0.002kW·h/m3；美、日两国对污泥都进行消化、脱水、焚烧处理，美国还进行气浮处理，约耗电0.05～0.1kW·h/m3，而回收的能源均未计算在内。
另外，美、日两国自控设备比我们多，照明空调等耗电也比我们多不少。
可见老厂节能问题十分突出，潜力巨大。
2提升泵的节能
提升泵的电耗一般占全厂电耗的10％～20％，是污水厂的节能重点。
提升泵的节能首先应从设计入手，进行节能设计；对于已投产的污水厂，仍能通过加强管理或更换部分设备进行节能。
2.1精确计算水头损失，合理确定泵扬程
从泵的有效功率NU=γQH可以看出当γ、Q一定时，NU与H呈正比，因此降低泵扬程节能效果显著。
如天津东郊污水厂总水位差4.5m，小于纪庄子污水厂的6m，仅此一项每年即可节电100×10.4kW·h。
然而，目前进行污水厂设计时，水头损失估算普遍偏高，导致泵扬程计算值偏高。
在日本一般污水厂总水位差仅2.0m左右，可见我们的差距还很大。
降低泵扬程可采取以下措施：
①总体布置要紧凑。
连接管路要短而直，尽量减小水头损失。
②改非淹没堰为淹没堰［1］，落差可由35～40cm减少到10cm。
③日本总水位差小的关键在于初沉池、曝气池、二沉池均采用方形平流式，三池为一体，首尾相连，水流通畅，从而最大限度地减小了水头损失。
虽然造价比辐流式要高一些，但其差价很快可以从节电效益得到补偿。
平流式沉淀池在我国应用较少，主要原因是刮泥设备不过关，近年来环保设备技术水平有了长足进步，所以平流式沉淀池应用前景广阔。
2.2流量调节方式
污水厂进水量往往随时间、季节波动，如果按目前通行的以最大流量作为选泵依据，水泵全速运转时间将不超过10％［2］，大部分时间都无法高效运转，造成能源浪费。
由轴功率N=NU/η1（η1为泵运行效率）可以看出，一定流量扬程下NU是一定的，而泵的轴功率直接由η1决定，所以应选择合适调控方式，合理确定泵流量，以保证泵始终高效运转。
2.2.1转速加台数控制方式
目前国外大型污水厂普遍采用转速加台数控制方法，定速泵按平均流量选择，定速运转以满足基本流量的要求；调速泵变速运转以适应流量的变化，流量出现较大波动时以增减运转台数作为补充。
但是由于泵的特性曲线高效段范围不是很大，这就决定了对于调速泵也不可能将流量调到任意小，而仍能保持高效。
四种调速方法效率-转速关系如图1。
2.2.2其它调节方式
除调速外还有一些流量调节方式，不需添置设备，只需加强管理，就可很快收到可观效益。
①机构调节
主要指水量出现大的波动时关闭或开启出水闸，这样虽然会增大水头损失，但因N-Q曲线为上升曲线，所以还是有一定节能作用的。
②运行方式调节
一般可以很简单地采用随进水量增减台数的方法进行，通过缩短运行时间达到节能目的。
这一点在各厂都已采用，但要注意对于大型水泵，因为启动电流很大，所以应尽量避免频繁启动。
③调整改造
离心式水泵都配有一系列直径的叶轮，可简单地通过更换叶轮使水泵适应低于额定流量的流量。
另外，在确认流量为恒定低流量后，还可以采用切削叶轮的方法。
2.3选用高效电机及传动装置
泵系统电耗 W=tNU/（η1η2η3）
式中η2、η3--传动效率和电机效率
t---运行时间
因此可从η2、η3入手，采用高效电机进行节能。
高效电机没有一个准确定义，一般效率比常规电机高2％～8％，虽然提高幅度不大，但因为污水泵大多为大功率、24h运转，所以即便只提高1％,节能效果也是很明显的。
当然高效电机价格比普通电机高15％～60％，所以采用该方法应进行经济校核，看是否能在使用期内由节电效益收回投资。
3曝气系统的节能
鼓风曝气系统电耗一般占全厂电耗的40％～50％，是全厂节能的关键。
最根本的节能措施就是减小风量，而减小风量必须提高扩散装置效率，降低污泥对氧的需求。
3.1扩散装置
3.1.1改进布置方式
传统的曝气池，曝气管是单边布置形成旋流，过去认为这种方式有利于保持真正推流，另外可以减小风量，但经过多年实践与研究发现，这种方式不如全面曝气效果好。
全面曝气可使整个池内均匀产生小旋涡，形成局部混合，同时可将小气泡吸至1/3到2/3深处，提高充氧效率，见表2。
表2不同充氧方式的效率［3］
曝气方式
单边曝气
全面曝气
（间距6.1m）
中心曝气
全面曝气
（间距3.05m）
充氧效率kgO2/（kW·h）
1.05
1.57
1.33
1.82
3.1.2采用微孔曝气器
微孔曝气器可以减小气泡尺寸，增大表面积，因而转移速度高，节约风量。
天津东郊污水厂和纪庄子污水厂均采用微孔全面曝气，比穿孔管节电20％以上。
英国有报道采用微孔曝气每去除1kgBOD可节约风量25％，电力18％［4］。
日本的情况如表3所示。
表3日本不同扩散装置的效率［4］
曝气方式
穿孔管
微孔曝气
气量（m3/kgBOD）
36
30
耗电量（kW·h/kgBOD）
1.3
1.1
美国对一大批老式穿孔曝气进行了改造，效果显著。
如美国的Hartford在224640m3/d的污水厂采用微孔曝气，实际氧利用率从穿孔管4.4％提高到了10.0％，总投资600000美元，每年节约电费200000美元，不计清洗费用，3年即可收回投资［５］。
3.2风量控制节能
选择风机时，都要在计算需气量基础上加上一个足够大的安全系数，以满足最大负荷时的需要。
所以在日常负荷下一般都要适当减小风量，负荷低时更应如此，这不仅是节能的需要，也是防止过曝气、保证处理效果的要求。
而进行风量控制是曝气系统效果最显著的节能方法，据EPA对美国12个处理设施的调查结果显示，以DO为指标控制风量时可节电33％［4］。
图2反映了风机风量与电耗的关系，图中电耗指每小时的耗电量。
可见，电耗随风量变化很大，因此进行风量控制节能效果显著，而且功率越大效果越明显，当然风量并不是可以任意减小，它将受到许多因素的影响。
3.2.1风量程序控制
长期观测进水水质、水量，掌握其变化特性，再由经验确定风量与时间的关系，并设定程序，自动进行控制。
该方法简便易行，但当水质水量出现很大波动时，应与其他方法配合使用。
3.2.2按进水比例控制风量
该方法也比较简单，按一定气水比，根据进水量调节风量即可。
但该方法最易受水质波动的影响，处理效果不稳定。
3.2.3按DO控制风量
曝气池DO是一个重要运行参数，理论上达0.3mg/L就不影响微生物的生理功能，但考虑到水质水量的波动，一般保证入口处0.5～1.0mg/L，出口2～3mg/L［４］即可。
如天津东郊污水处理厂采用溶解氧PLC自动控制风量，可节省气量10％；日本有报道DO控制风量可节电10％～30％。
3.3风量调节方式
由于各种风量控制方式最终都要由调节风机来实现，所以与水泵相似，风机也存在风量调节问题，也就同样存在高效运转问题。
目前城市污水厂一般都采用高速离心风机，其原理与离心泵相似，所以原则上泵调节流量的方式同样适用于风机。
另外，泵的调速方式也适用于风机，虽然需要一定投资，但节能效果也更明显。
除此之外，风机还有一些不同于水泵的特殊调节方式，如进口导叶片调节，这也是目前普遍采用的技术。
天津东郊污水厂从法国引进的高速离心风机带有进口导叶片调节装置，当单池DO过高时，PLC会发出指令关小该池空气管蝶阀，当各池DO都偏高时，PLC就会发出指令关小进口导叶片，采用该技术可节电10％。
污水处理厂初步设计技术要求
1、初步设计
初步设计包括内容：
设计说明书、概算书、材料表、设计图纸四部分。
设计图纸：
1）总体布置图（流域面积图）。
比例一般采用1：
5000~1：
25000，图上标示出地形、地物、河流、道路、风玫瑰等；标出坐标网，绘出现有和设计的排水工程系统及流域范围，列出主要工程项目表。
2）污水处理厂
（1）污水处理厂平面图：
比例一般采用1：
200-1：
500，图上表示出坐标轴线、等高线、风玫瑰图（指北针）等尺寸，绘出现有和设计的建筑物及主要管渠、围墙、道路及相关位置，列出建筑物和辅助建筑物一览表和工程量表。
（2）污水污泥流程断面图：
采用比例竖向1：
100-1：
200表示出生产流程中各种构筑物及其水位标高关系及主要规模指标。
（3）建筑总平面图：
对于较大的厂应绘制，并附厂区主要技术经济指标。
3）主要排水干管、干渠平面、纵断面图
采用比例一般横向1：
1000-1：
2000，纵向1：
100-1：
200，图上表示出原地面标高、管渠底面标高、埋深、距离、坡度并注明管径（渠断面）、流量、充盈度、流速、管材、接口型式、基础类型、穿越铁路、公路、交叉管渠的标高，管径（渠断面）以及倒虹管、检查静的位置，纵断面图下有管道平面图，表示出地形、地物、道路、管渠平面位置、检查井平面位置，转角度数、坐标，平面和纵断面相互对应，末叶列出工程量表。
4）主要构筑物工艺图
采用比例一般为1：
100-1：
200，图上表示出工艺布置、设备、仪表及管道等安装尺寸、相关位置、标高（绝对标高）。
列出主要设备一览表，并注明主要设计技术数据。
5）主要构筑物建筑图
采用比例一般1：
100-1：
200，图上表示出结构形式，基础做法，建筑材料，室内外主要主要装修门窗等建筑轮廓尺寸及标高，并附技术经济指标。
6）主要辅助建筑物建筑图
如综合楼、车间、仓库、车库等，可参照上述要求。
7）供电系统和主要变、配电设备布置图
表示变电、配电、用电启动保护等设备位置、名称、符号及型号规格，附主要设备材料表。
8）自动控制仪表系统布置图
仪表量多时，绘制系统控制流程图；采用微机时，绘制微机系统框图。
9）通风、锅炉房及供热系统布置图。
10）机械设备布置图。
采用比例1：
50-1：
200，图上表示出工艺设置、设备位置，标注主要部件名称和尺寸，提出采用的设备规格和数量。
11）非标机械设备总装简图。
采用比例1：
50-1：
200，图上注明主要部件名称、外廓尺寸及传动设备功率等。
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