我國污水處理廠的現狀與發(fā)展

我國污水處理廠的現狀與發(fā)展

隨著城市化進程的加快和環(huán)境保護要求的逐漸提高，污水處理廠的數量不斷增加，污水處理率也越來越高。但是污水處理屬能耗密集型行業(yè),其消耗的能源主要包括電、燃料及藥劑等,電耗占總能耗的60%~90%。高能耗一方面導致污水處理成本升高,在一定程度上加劇了我國當前的能源危機,另一方面高能耗造成的高處理成本,致使一些中小型污水處理廠難以正常運行,污水處理廠的減排效益得不到正常發(fā)揮。因此在典型污水處理廠能耗分析的基礎上,對污水處理廠的運行進行優(yōu)化管理,節(jié)約能源費用,降低處理成本是保障污水處理廠正常運行的必要手段。目前國內污水處理行業(yè)對于污水處理廠能耗的調查分析還非常有限,通過對北京某污水處理廠全流程的能耗調查,分析污水處理系統各處理單元的能耗分布情況及各處理單元設備的節(jié)能潛力,提出相應的節(jié)能途徑及方案,對污水處理廠節(jié)能降耗具有一定的指導意義。1污泥處理工藝樣本污水處理廠規(guī)模為60×104m3/d,采用A2/O處理工藝,污泥處理采用厭氧消化方式,處理出水經加氯消毒后排放。出水水質達到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》(GB18918—2002)的一級B排放標準,污水處理工藝流程見圖1。2能源分布與節(jié)能路徑分析2.1原水預處理單元能耗比較對樣本污水處理廠各單元能耗進行了分析。結果表明,二級處理單元能耗最大,占整個污水廠總能耗的68.96%;其次是預處理單元,能耗占總能耗的20.52%;污泥處理單元與鍋爐、照明等其他部分所占總能耗的比例分別為6.66%與3.86%。由此可知,預處理與二級處理單元占總能耗的比例為89.48%,節(jié)能潛力最大,污泥處理單元次之。因此,節(jié)能應從這幾個處理單元考慮,對其主要設備的運行狀態(tài)及運行方法進行挖掘,從而實現整個污水處理系統的節(jié)能。2.2污水提升泵的節(jié)能預處理單元各設備能耗分布見表1,可知進水泵占預處理單元能耗的94.91%,占全廠總電耗的19.48%,是預處理單元最大的耗能設備,是該單元節(jié)能的關鍵設備。污水提升泵的節(jié)能應綜合考慮整個提升系統,主要包括污水提升泵的節(jié)能;正確科學地選擇水泵,使其在高效率下工作;合理利用地形,通過減小污水的提升高度來降低水泵的軸功率;定期對水泵進行維護,減少摩擦也可以降低電耗等。(1)水泵采用中、小流量污水提升泵的節(jié)能應綜合考慮整個提升系統,必須將水泵系統和管道系統結合起來,根據系統的特性來選擇合適的水泵。由于污水量往往隨著季節(jié)、天氣、用水時間等不斷變化,因此選擇的水泵必須滿足系統輸送最大流量的需求。但從經濟的角度考慮,采用最大流量選取的水泵實際上全速運轉的時間不超過10%,大部分時間內水泵處于低效運轉。為了使水泵處于高效工作狀態(tài),應根據管道系統的特性曲線選擇合適的水泵。(2)匹配動力的電機水泵電機不能將所有輸入的能量轉變成機械能,電機輸出的機械能與使用電能的比值稱為電機效率。電機效率一般為70%~96%,電機在低負荷下工作一般效率較低。選擇與水泵負荷相匹配動力的電機對于保持電機的高效運轉非常重要。通常選擇大功率的電機來滿足額外負荷的需求,而大功率的電機在低負荷下的工作效率都比較低。由于無功電流的增加,功率因數下降,電機在負荷≥75%的條件下工作其效率比較高,而在50%的負荷下工作其效率較低。最近幾年高效率的電機有了新的發(fā)展,但價格比較昂貴,費用比標準電機高15%~25%。通常,由于其運行費用較低,在電機投入運行后,該部分投資的回收期很短,一般幾個月或者數年就可回收增加的成本。因此,在污水處理廠新建設計或升級改造工程中,應優(yōu)先選用高效電機。(3)降低污水提升高度,減輕污水溢流進水泵的電耗計算公式如下:中W——電機實際電耗,kW·hρ——污水的密度,取1000kg/m3由式(1)可見,污水進水泵在穩(wěn)定運行時,其電耗取決于進水泵的實際工作揚程H,與污水處理全流程的水頭損失有直接關系。系統的水頭損失包括靜水頭和動水頭。靜水頭是液體被提升的高度,動水頭是管道和管道附件必須克服的摩擦損失,摩擦損失與流量成正比,如果流量增加1倍,動力損失則增加4倍。降低污水提升高度可減小靜水頭,污水廠在設計時應盡量利用自然地勢,減小跌流的落差。大型市政污水處理廠在提升泵房前一般不設調節(jié)池。由于污水處理廠的進水量往往隨時間、季節(jié)波動,進而導致污水泵房集水池水位不穩(wěn)定。通過對污水泵的合理調控實現提升過程的最優(yōu)控制,有效利用污水收集管網的調蓄能力,提高泵前池的液位,可以降低水泵靜水頭,從而降低水泵的運行能耗。泵前池液位不宜過高,否則可能會造成污水溢流。降低動水頭主要考慮減小系統的沿程損失和局部損失,污水處理廠各個構筑物總體布置盡量緊湊,盡量減少彎頭和閥門的用量,連接管路盡量短,保持管道齊平和清潔,選用阻力系數小的管材。(4)輪、軸承、過濾器定期對系統進行檢修,消除閥門、管線、水泵內的結垢,保證管線不滲漏;定期維護皮帶、齒輪、軸承和過濾器,防震和隔熱也是水泵節(jié)能的有效措施。水泵像其他機械設備一樣,隨運行時間的延長磨損不斷加大,流量和泵揚程也會有所下降,及時維護與檢修盡管增加了額外的檢修費用,但檢修后通過消除水泵結構的表面粗糙度可提高水泵的效率,使水泵保持高效工作。2.3污水廠的節(jié)能要求二級處理單元的能耗主要集中在鼓風機、攪拌器和內外回流泵上(見表2),鼓風機占二級處理單元電耗的75.13%,占總運行電耗的51.81%,是全廠最大的耗能處理單元,因而對于二級處理單元及全廠的節(jié)能重點應該在鼓風機的節(jié)能降耗上。曝氣系統對于整個污水生物處理系統非常重要,直接關系到曝氣池中的溶解氧濃度以及污水的處理效果。目前,由于污水廠每日進水高峰和谷底流量相差較大,造成供氣在進水高峰時不足而低谷時過量的現象。同時也造成曝氣池內溶解氧波動過大,不同處理單元氣量分配不均衡,影響活性污泥的處理效率,從而有可能造成出水指標不穩(wěn)定或在某些條件下超標。鼓風機房最有效的節(jié)能措施就是減小鼓風機的風量,而減小風量與曝氣方式、曝氣頭的類型及效率、曝氣池中溶解氧濃度及風量的調控方式等相關,因此鼓風機的節(jié)能應從整個曝氣系統考慮。(1)風機流量對風壓的影響鼓風機選型時,首先應具有充足的壓力,鼓風機向曝氣池充氧,必須克服管路阻力、曝氣池液位高程及曝氣頭堵塞、水位變化等帶來的額外阻力。風機流量是風機選型的關鍵參數,在小流量范圍內,一般羅茨鼓風機的成本最低,性價比較好;在中流量范圍內,多級離心風機成本比羅茨鼓風機稍高,但是其能耗低、效率高,性價比較好;在大流量范圍內,單級離心風機成本最低,能耗也最低。在風機選型時應綜合考慮風量、壓力、經濟性等參數,盡量采用高效鼓風機。(2)生物過程分析和仿真目前絕大部分污水處理廠的曝氣調節(jié)方式由人工調節(jié)曝氣立管的閥門開度,控制精度不高而且勞動強度較大。精確曝氣流量控制系統是一套集成的智能控制系統,為曝氣系統提供自動化、精確化的曝氣解決方案。精確曝氣控制系統采用生物處理模型計算當前的曝氣需要量,并按照該氣量進行精確控制,曝氣控制系統會連續(xù)檢測曝氣量,及時檢測系統中壓力的微小變化,控制系統及時進行調整。因此,建立基于生物反應動力學的數學模型,預測不同進水負荷條件下生物處理系統包括需氣量在內的狀態(tài)參數。并通過對示范污水廠的歷史運行數據或在線運行數據進行分析處理,確定該污水廠生物處理過程的特征參數和補償參數。采用仿真和試驗的方法,檢驗這些特征參數的有效性。最后,在綜合的環(huán)境因素(溫度、pH值、MLSS)條件下,經試驗確定示范污水廠的水平衡(包含污水負荷)、泥(底物)平衡、氣(曝氣)平衡過程的穩(wěn)態(tài)值及其擾動特征。2.4污泥進泥泵和污泥濃縮脫水機能耗比較污泥處理單元各設備能耗分布見表3。污泥處理單元的能耗主要集中在污泥進泥泵和污泥濃縮脫水機上,污泥進泥泵占污泥處理單元電耗的62.56%,占總運行電耗的4.16%,因而對于污縮機的節(jié)能降耗上。對于進泥泵的節(jié)能,可參考進水泵的節(jié)能措施。3污水廠節(jié)能潛力大,存在的主要設備與單元之間的匹配比,有以下幾種調研污水處理廠中二級處理單元、預處理單元、污泥處理單元占總能耗的比例分別為68.9