城市污水处理厂的能耗分析及节能降耗措施研究

指出了城市污水处理是能源密集的高能耗产业之一，因此，污水处理厂的能耗也越来越引起重视。分析了城市污水处理厂运行消耗的资源主要包括电能、自来水和药剂，从污水的提升系统、曝气系统、污泥的脱水系统及废弃物的综合利用等方面提出了城市污水处理厂节能降耗的主要措施，以期为污水处理厂生产管理提供参考。
1 引言
城市污水处理是高能耗行业之一。高能耗一方面造成了污水处理设施运营成本高，致使一些中小型污水处理厂难以正常运行；另一方面，也在一定程度上加剧了我国现阶段的能源危机。面对“十二五"期间单位国内生产总值能耗降低20%左右，主要污染物排放总量减少10%的约束性指标，城市污水处理行业须在保证出水稳定达标的前提下，承担着相应的节能减排任务，同时降低污水处理成本，实现污水处理企业的可持续发展。而管理和运营好污水处理厂，在保证污水处理量和污水达标排放的前提下，优化运行管理方案，节约能源使用，降低处理成本是实现这一目标的根本手段。国内外对城市污水处理能耗的研究远远落后于对污水处理机理和应用的研究，而分析污水处理厂主要的资源消耗，确定处理过程节能的方向和环节是实现清洁生产和循环经济的关键课题，但在我国尚无系统的研究。因此，针对我国污水处理行业的具体状况，在国内外研究成果和实践经验的基础上，参考当前城市污水处理厂的运行情况，分析污水处理厂消耗的主要资源，在不改变原有污水处理工艺的基础上采取节能降耗措施，对污水处理厂的运行进行优化管理，使其在保证出水水质稳定达标的前提下减少污水处理厂的能耗及其他资源的消耗，节约生产运行费用，这也是保障污水处理厂正常运行的必要手段。因此，围绕着节能、降耗、减污、增效的清洁生产目标对污水处理厂节能降耗措施的研究十分必要。
2 城市污水处理厂消耗的主要资源
2.1 电耗
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。随着我国城镇污水处理事业的快速发展，污水处理厂电耗占全国总电耗的比例也在逐年增加。目前我国城镇污水处理厂平均电耗为0.29kW.h/m3，82%以上的污水处理厂电耗不低于0.440kW.h/m3，相当于发达国家20世纪初或更早期的水平，因此，仍存在很大节能潜力。城市污水处理厂中电耗主要发生在污水提升系统、二级生化处理的供氧系统和污泥处理系统三部分，分别占工艺总电耗的25%、55%和13%。其中二级生化处理单元的能耗主要集中在鼓风机、搅拌器和内外回流泵上，鼓风机占二级处理单元电耗的75.13%，占总运行电耗的51.81%，是全厂最大的耗能处理单元，因而对于二级处理单元及全厂的节能重点应该在鼓风机的节能降耗上。
2.2 药耗
城市污水处理厂使用的药剂主要为用于污泥脱水的絮凝剂，目前，通常使用聚丙烯酰胺(PAM)和聚合氯化铝(PAC)等人工合成的絮凝剂，絮凝效果不理想，通过调查平均处理每万吨污水需消耗约9kgPAM，目前市场上的一般的PAM 每吨在2.5～5万元之间，大量的絮凝剂的消耗，增加了污水处理成本。此外，这些絮凝剂具有毒性而且难于生物降解，当填埋后会再次进入环境可能造成二次污染。
2.3 新鲜水耗
目前，部分污水处理厂尚未建立中水回用系统，处理后的达标水直接排入纳污水体。污水处理厂厂内污泥脱水车间的反冲洗用水、配药用水、清洗车间用水、风机冷却水、绿化用水、办公用水均用自来水。因此，和先进的污水处理厂相比自来水耗大，增加了污水处理成本，同时浪费了水资源。
3 城市污水处理厂主要的节能降耗途径
3.1 节约电能的途径
污水处理厂在保证出水达标的前提下要节省电能，减少成本的支出，可以从生产工艺着手，重点是功率大的机电设备，如污水提升泵、曝气机、污泥脱水机、污泥回流泵等。
3.1.1 污水提升泵
污水提升泵的节能应综合考虑整个提升系统，具体有如下措施：正确科学地选择水泵，使其在高效率下工作；合理利用地形，通过减小污水的提升高度来降低水泵的扬程；变频调速技术的应用：通过变频器调整电机转速，降低水泵提供的扬程使之与实际需要相符合，降低排水单耗，而且变频器还可以控制水泵运行台数，从而节约大量的能源。变频器可设置节能功能，也就是当变频调速使电动机在变频状态下运行时，变频器可以随时搜索电动机最佳工作点，使电动机在任何情况下，电流最小，功率因素和效率趋于最佳工况；削切叶轮：污水提升泵若采用离心式水泵，则其流量、扬程、轴功率和泵轮直径近似有以下规律：流量与泵轮直径比的1次方成正比，扬程与泵轮直径比的2次方成正比，轴功率与泵轮直径比的3次方成正比。因此，可以采用切削泵轮直径的方法(因叶片的角度已无法改变)，从而降低设计扬程，使水泵工作在最优效率区而达到降低能耗的目的；适当增减提升泵运行台数，对其进行变频调速控制，以适应不同时间、季节的污水量波动，有效降低提升泵能耗。定期对系统进行维护和检修，可减少因渗漏、结垢、机械磨损等原因造成的效率降低，保证提升泵的高效运行。此外，还可以通过采用新型的节能泵，合理调整设备参数，提高泵的运行效率，选择水泵的运行台数等途径实现节能。
3.1.2 曝气系统
曝气系统是整个污水处理工艺的核心，且曝气过程是要消耗大量的电能，曝气系统的节能是污水处理厂节能降耗的关键，主要的节能措施有以下几点。
(1)选择高效率的曝气设备和鼓风设备。鼓风曝气设备主要有微孔气泡、中气泡、大气泡和水力剪切等几种类型。其中，微孔曝气具有气泡微小、比表面积大和氧转移效率高等特点，通过提高氧的传质效率起到节能效果。
(2)通过变频等技术提高鼓风机的运行效率，使曝气设备一直能在较高的状态下稳定运行，起到节能效果，因此，一般多采用离心式鼓风机并辅助变频控制。
(3)曝气量的精确控制。目前绝大部分污水处理厂的曝气调节方式由人工调节曝气立管的阀门开度，控制精度不高而目劳动强度较大，而精确曝气流量控制系统是一套集成的智能控制系统，为曝气系统提供自动化、精确化的曝气解决方案。精确曝气控制系统采用生物处理模型计算当前的曝气需要量，并按照该气量进行精确控制，曝气控制系统会连续检测曝气量，及时检测系统中压力的微小变化，控制系统及时进行调整。因此，建立基于生物反应动力学的数学模型，预测不同进水负荷条件下生物处理系统包括需气量在内的状态参数，并通过对示范污水厂的历史运行数据或在线运行数据进行分析处理，确定该污水处理厂生物处理过程的特征参数和补偿参数，并采用仿真和试验的方法，检验这些特征参数的有效性。最后，在综合的环境因素(温度、pH值，MLSS)条件下，经试验确定示范污水厂的水平衡(包含污水负荷)、泥(底物)平衡、气(曝气)平衡过程的稳态值及其扰动特征。
(4)根据溶解氧(DO)浓度调节曝气量。许多污水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、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，能耗随混合液DO浓度的增大而增大，曝气池中的DO从2mg/L升高到5mg/L，所需要消耗的能量增加了近一倍。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。由于进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。
3.1.3 污泥脱水系统
污泥脱水系统主要是将含水率在98%以上的污泥进行减容、减量、稳定以及无害化的处理，污泥处理主要包括浓缩、消化、脱水和干化等过程。目前国内常用的污泥脱水机有带式压滤机、半框压滤机、离心脱水机、螺旋压榨式脱水机，这几种脱水机处理每吨污泥干固体(DS)所需的能耗分别约为5～20、15～40、30～60、3～15kW.h/t DS，所需能耗有很大的差异，因此在设备选择时应尽量选择脱水效率高且能耗较低的污泥脱水机。其次，污泥脱水过程应尽量减少设备运作和缩短处理时间，根据储泥池内泥量、污泥沉降性能确定脱水机器使用数量和脱水时间。
3.2 节约药剂的途径
污水处理厂降低絮凝剂的消耗也是节能降耗的重点。我国现有水处理药剂生产厂家230家，品种100多个，总产量近20万t，在选择絮凝剂是不仅要考虑其单价，还应考虑药剂的高效性，以使其减量化，应用能最大限度的降低污泥的含水率并提高污泥的脱水性能的絮凝剂，这样既可节省药剂用量又能提高混凝效果，从而使污水处理厂的运行费用大幅降低。
节约絮凝剂的途径主要有：使用脱水效率更高的、可以生物降解的、不会造成二次污染的天然高分子改性絮凝剂包括淀粉、纤维素、多糖类和蛋白质等类别的衍生物等代替传统的聚丙烯酰胺絮凝剂；精确投加药剂，避免不必要的浪费：通过试验确定高分子絮凝剂以及混凝剂配制药液浓度、投加量，使絮凝剂发挥最佳的絮凝及混凝效果，减少药剂的投加量；要求药液投加设备计量准确，减少误差。
3.3 节约自来水耗的途径
中水回用是节约自来水耗的主要途径。城市污水处理厂建立中水回用系统，使中水用于厂内污泥脱水的反冲洗用水、清洗车间用水、风机冷却水、绿化用水等，由此大幅度的减少自来水的消耗，实现污水的资源化，降低污水处理成本。
3.4 建立完善的管理机制
通过加强管理节能降耗的措施主要有：通过对污水处理各个工段的能耗进行分析，明确不同处理单元的能量需求，挖掘各控制环节的节能降耗潜力，提高能耗管理水平，精确控制城市污水处理厂的运行；加强对设备设施及药剂的管理：建立岗位责任制，设备设施责任制，定期分析设备设施的运行情况，使其达到经济运行的效果。加强对药剂的贮存管理，严防雨淋、暴晒，避免对药剂的浪费；建立激励机制：制定科学的考核、控制指标和激励制度，全体员工积极参与，职责明细，奖罚分明，使员工自觉培养节能降耗的习惯，实现企业与个人的双赢。
4 废弃物的资源化
4.1 能源的利用
污泥厌氧消化池所产生的沼气能完全燃烧，而且保存运输比较方便，是一种清洁燃料，国内的北京高碑店污水厂和天津市纪庄子污水厂的污泥厌氧消化处理系统产生的沼气就是用于沼气搅拌和发电，沼气发动机的热水作为消化污泥加热的热源。沼气发电在美国、德国、日本等国家也得到了极大的利用，它实现了污泥减量化、稳定化、无害化和资源化的统一，是一种优良的节能技术。
4.2 污泥的综合利用
在城市污水处理过程中会产生大量的剩余污泥，为防止环境受到二次污染，必须科学考虑污泥的处理和处置问题。目前常用的污泥处置方法有填埋、农用、焚烧、制造建材等，但是污泥填埋没有真正解决污泥问题，污泥没有被利用，还可能造成二次污染，不能算是资源化利用的方式。为此，许多研究者尝试把污泥直接用于建材，或利用污泥焚烧后的残渣制造建材。
5 结语
城市污水处理厂的节能降耗是一项综合性工作，涉及到工艺、设备、过程控制、管理、人员的操作水平等，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分析资源的消耗及节能潜力，以降低污水处理成本，减小用电量及其他原材料的消耗。在污水处理厂实施节能降耗措施，同时加强管理，能节约资源，降低运行成本，从而促进污水处理企业的可持续发展。同时，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。