我國(guó)污水處理廠的現(xiàn)狀與發(fā)展

我國(guó)污水處理廠的現(xiàn)狀與發(fā)展

隨著城市化進(jìn)程的加快和環(huán)境保護(hù)要求的逐漸提高，污水處理廠的數(shù)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(dǎo)致污水處理成本升高,在一定程度上加劇了我國(guó)當(dāng)前的能源危機(jī),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(yùn)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(chǔ)上,對(duì)污水處理廠的運(yùn)行進(jìn)行優(yōu)化管理,節(jié)約能源費(fèi)用,降低處理成本是保障污水處理廠正常運(yùn)行的必要手段。目前國(guó)內(nèi)污水處理行業(yè)對(duì)于污水處理廠能耗的調(diào)查分析還非常有限,通過對(duì)北京某污水處理廠全流程的能耗調(diào)查,分析污水處理系統(tǒng)各處理單元的能耗分布情況及各處理單元設(shè)備的節(jié)能潛力,提出相應(yīng)的節(jié)能途徑及方案,對(duì)污水處理廠節(jié)能降耗具有一定的指導(dǎo)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(jīng)加氯消毒后排放。出水水質(zhì)達(dá)到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB18918—2002)的一級(jí)B排放標(biāo)準(zhǔn),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(yù)處理單元能耗比較對(duì)樣本污水處理廠各單元能耗進(jìn)行了分析。結(jié)果表明,二級(jí)處理單元能耗最大,占整個(gè)污水廠總能耗的68.96%;其次是預(yù)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(yù)處理與二級(jí)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(yīng)從這幾個(gè)處理單元考慮,對(duì)其主要設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)及運(yùn)行方法進(jìn)行挖掘,從而實(shí)現(xiàn)整個(gè)污水處理系統(tǒng)的節(jié)能。2.2污水提升泵的節(jié)能預(yù)處理單元各設(shè)備能耗分布見表1,可知進(jìn)水泵占預(yù)處理單元能耗的94.91%,占全廠總電耗的19.48%,是預(yù)處理單元最大的耗能設(shè)備,是該單元節(jié)能的關(guān)鍵設(shè)備。污水提升泵的節(jié)能應(yīng)綜合考慮整個(gè)提升系統(tǒng),主要包括污水提升泵的節(jié)能;正確科學(xué)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(duì)水泵進(jìn)行維護(hù),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(yīng)綜合考慮整個(gè)提升系統(tǒng),必須將水泵系統(tǒng)和管道系統(tǒng)結(jié)合起來,根據(jù)系統(tǒng)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(shí)間等不斷變化,因此選擇的水泵必須滿足系統(tǒng)輸送最大流量的需求。但從經(jīng)濟(jì)的角度考慮,采用最大流量選取的水泵實(shí)際上全速運(yùn)轉(zhuǎn)的時(shí)間不超過10%,大部分時(shí)間內(nèi)水泵處于低效運(yùn)轉(zhuǎn)。為了使水泵處于高效工作狀態(tài),應(yīng)根據(jù)管道系統(tǒng)的特性曲線選擇合適的水泵。(2)匹配動(dòng)力的電機(jī)水泵電機(jī)不能將所有輸入的能量轉(zhuǎn)變成機(jī)械能,電機(jī)輸出的機(jī)械能與使用電能的比值稱為電機(jī)效率。電機(jī)效率一般為70%~96%,電機(jī)在低負(fù)荷下工作一般效率較低。選擇與水泵負(fù)荷相匹配動(dòng)力的電機(jī)對(duì)于保持電機(jī)的高效運(yùn)轉(zhuǎn)非常重要。通常選擇大功率的電機(jī)來滿足額外負(fù)荷的需求,而大功率的電機(jī)在低負(fù)荷下的工作效率都比較低。由于無功電流的增加,功率因數(shù)下降,電機(jī)在負(fù)荷≥75%的條件下工作其效率比較高,而在50%的負(fù)荷下工作其效率較低。最近幾年高效率的電機(jī)有了新的發(fā)展,但價(jià)格比較昂貴,費(fèi)用比標(biāo)準(zhǔn)電機(jī)高15%~25%。通常,由于其運(yùn)行費(fèi)用較低,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,在污水處理廠新建設(shè)計(jì)或升級(jí)改造工程中,應(yīng)優(yōu)先選用高效電機(jī)。(3)降低污水提升高度,減輕污水溢流進(jìn)水泵的電耗計(jì)算公式如下:中W——電機(jī)實(shí)際電耗,kW·hρ——污水的密度,取1000kg/m3由式(1)可見,污水進(jìn)水泵在穩(wěn)定運(yùn)行時(shí),其電耗取決于進(jìn)水泵的實(shí)際工作揚(yáng)程H,與污水處理全流程的水頭損失有直接關(guān)系。系統(tǒng)的水頭損失包括靜水頭和動(dòng)水頭。靜水頭是液體被提升的高度,動(dòng)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(dòng)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(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡量利用自然地勢(shì),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(shè)調(diào)節(jié)池。由于污水處理廠的進(jìn)水量往往隨時(shí)間、季節(jié)波動(dòng),進(jìn)而導(dǎo)致污水泵房集水池水位不穩(wěn)定。通過對(duì)污水泵的合理調(diào)控實(shí)現(xiàn)提升過程的最優(yōu)控制,有效利用污水收集管網(wǎng)的調(diào)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(yùn)行能耗。泵前池液位不宜過高,否則可能會(huì)造成污水溢流。降低動(dòng)水頭主要考慮減小系統(tǒng)的沿程損失和局部損失,污水處理廠各個(gè)構(gòu)筑物總體布置盡量緊湊,盡量減少?gòu)濐^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(shù)小的管材。(4)輪、軸承、過濾器定期對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行檢修,消除閥門、管線、水泵內(nèi)的結(jié)垢,保證管線不滲漏;定期維護(hù)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(jī)械設(shè)備一樣,隨運(yùn)行時(shí)間的延長(zhǎng)磨損不斷加大,流量和泵揚(yáng)程也會(huì)有所下降,及時(shí)維護(hù)與檢修盡管增加了額外的檢修費(fèi)用,但檢修后通過消除水泵結(jié)構(gòu)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(jí)處理單元的能耗主要集中在鼓風(fēng)機(jī)、攪拌器和內(nèi)外回流泵上(見表2),鼓風(fēng)機(jī)占二級(jí)處理單元電耗的75.13%,占總運(yùn)行電耗的51.81%,是全廠最大的耗能處理單元,因而對(duì)于二級(jí)處理單元及全廠的節(jié)能重點(diǎn)應(yīng)該在鼓風(fēng)機(jī)的節(jié)能降耗上。曝氣系統(tǒng)對(duì)于整個(gè)污水生物處理系統(tǒng)非常重要,直接關(guān)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(jìn)水高峰和谷底流量相差較大,造成供氣在進(jìn)水高峰時(shí)不足而低谷時(shí)過量的現(xiàn)象。同時(shí)也造成曝氣池內(nèi)溶解氧波動(dòng)過大,不同處理單元?dú)饬糠峙洳痪?影響活性污泥的處理效率,從而有可能造成出水指標(biāo)不穩(wěn)定或在某些條件下超標(biāo)。鼓風(fēng)機(jī)房最有效的節(jié)能措施就是減小鼓風(fēng)機(jī)的風(fēng)量,而減小風(fēng)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(fēng)量的調(diào)控方式等相關(guān),因此鼓風(fēng)機(jī)的節(jié)能應(yīng)從整個(gè)曝氣系統(tǒng)考慮。(1)風(fēng)機(jī)流量對(duì)風(fēng)壓的影響鼓風(fēng)機(jī)選型時(shí),首先應(yīng)具有充足的壓力,鼓風(fēng)機(jī)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(fēng)機(jī)流量是風(fēng)機(jī)選型的關(guān)鍵參數(shù),在小流量范圍內(nèi),一般羅茨鼓風(fēng)機(jī)的成本最低,性價(jià)比較好;在中流量范圍內(nèi),多級(jí)離心風(fēng)機(jī)成本比羅茨鼓風(fēng)機(jī)稍高,但是其能耗低、效率高,性價(jià)比較好;在大流量范圍內(nèi),單級(jí)離心風(fēng)機(jī)成本最低,能耗也最低。在風(fēng)機(jī)選型時(shí)應(yīng)綜合考慮風(fēng)量、壓力、經(jīng)濟(jì)性等參數(shù),盡量采用高效鼓風(fēng)機(jī)。(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(diào)節(jié)方式由人工調(diào)節(jié)曝氣立管的閥門開度,控制精度不高而且勞動(dòng)強(qiáng)度較大。精確曝氣流量控制系統(tǒng)是一套集成的智能控制系統(tǒng),為曝氣系統(tǒng)提供自動(dòng)化、精確化的曝氣解決方案。精確曝氣控制系統(tǒng)采用生物處理模型計(jì)算當(dāng)前的曝氣需要量,并按照該氣量進(jìn)行精確控制,曝氣控制系統(tǒng)會(huì)連續(xù)檢測(cè)曝氣量,及時(shí)檢測(cè)系統(tǒng)中壓力的微小變化,控制系統(tǒng)及時(shí)進(jìn)行調(diào)整。因此,建立基于生物反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的數(shù)學(xué)模型,預(yù)測(cè)不同進(jìn)水負(fù)荷條件下生物處理系統(tǒng)包括需氣量在內(nèi)的狀態(tài)參數(shù)。并通過對(duì)示范污水廠的歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)或在線運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理,確定該污水廠生物處理過程的特征參數(shù)和補(bǔ)償參數(shù)。采用仿真和試驗(yàn)的方法,檢驗(yàn)這些特征參數(shù)的有效性。最后,在綜合的環(huán)境因素(溫度、pH值、MLSS)條件下,經(jīng)試驗(yàn)確定示范污水廠的水平衡(包含污水負(fù)荷)、泥(底物)平衡、氣(曝氣)平衡過程的穩(wěn)態(tài)值及其擾動(dòng)特征。2.4污泥進(jìn)泥泵和污泥濃縮脫水機(jī)能耗比較污泥處理單元各設(shè)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(jìn)泥泵和污泥濃縮脫水機(jī)上,污泥進(jìn)泥泵占污泥處理單元電耗的62.56%,占總運(yùn)行電耗的4.16%,因而對(duì)于污縮機(jī)的節(jié)能降耗上。對(duì)于進(jìn)泥泵的節(jié)能,可參考進(jìn)水泵的節(jié)能措施。3污水廠節(jié)能潛力大,存在的主要設(shè)備與單元之間的匹配比,有以下幾種調(diào)研污水處理廠中二級(jí)處理單元、預(yù)處理單元、污泥處理單元占總能耗的比例分別為68.9