我國城鎮(zhèn)污水處理廠節(jié)能降耗研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

    我國城鎮(zhèn)污水處理發(fā)展現(xiàn)狀

    污水處理是保障人類社會(huì)衛(wèi)生安全的重要措施。現(xiàn)今污水處理主要采用活性污泥法為主的工藝，能有效去除有機(jī)物、氮磷等污染物和致病菌等。

    我國污水處理廠從2006年起數(shù)量直線增加，而2010年后增長速度有所降低。截至2014年底，全國設(shè)市城市、縣累計(jì)建成污水處理廠3717座，污水處理能力1.57×108m3/d，我國城鎮(zhèn)污水處理廠建設(shè)已覆蓋大部分生活范圍，未來污水處理廠建設(shè)數(shù)量將會(huì)放緩，但污水處理量在一定時(shí)期內(nèi)仍會(huì)有所增加。

    按照楊凌波等[1]統(tǒng)計(jì)的我國污水處理平均能耗為0.29kWh/m3，根據(jù)國家能源局發(fā)布的2014年全社會(huì)用電總量為55233億kWh，得到污水處理占全社會(huì)用電量的比例約為0.3%。

    污水處理廠能耗主要包括直接能耗和間接能耗，其中直接能耗為用于曝氣鼓風(fēng)機(jī)、提升泵、回流泵等運(yùn)行所需要的電能，間接能耗包括化學(xué)除磷以及污泥脫水等投加的化學(xué)藥品等。一般而言，在二級(jí)處理工藝電耗中，污水提升占10%～20%，生物處理占50%～70%，污泥處理處置占10%～25%，此三部分所占比例在70%以上[2]�，F(xiàn)今我國污水處理隨著排放標(biāo)準(zhǔn)的提高，很多污水處理廠開始采用深度處理工藝，包括反硝化濾池、砂濾和紫外消毒等工藝。以包括混凝過濾和紫外消毒深度處理工藝的昆明某污水處理廠運(yùn)行能耗為例，其前處理、二級(jí)處理、深度處理和污泥處理能耗所占比例分別為8.2%、65.7%、20.7%和5.4%，其中污水提升泵所占比例為8.0%，二級(jí)處理工藝回流泵所占比例為4.7%，曝氣能耗所占比例為56.2%。因此，污水處理廠節(jié)能降耗關(guān)鍵點(diǎn)在提升泵和鼓風(fēng)曝氣兩個(gè)方面。

    2污水處理節(jié)能降耗發(fā)展現(xiàn)狀

    根據(jù)以上分析，現(xiàn)有節(jié)能降耗的可能包括對(duì)現(xiàn)有工藝或者設(shè)備運(yùn)行進(jìn)行完善，降低運(yùn)行能耗。此外，節(jié)能降耗也可以從污水處理工藝優(yōu)化和其所含能源進(jìn)行回收，由此降低污水處理廠運(yùn)行能耗。

    2.1污水提升泵節(jié)能降耗研究及其應(yīng)用

    污水處理廠進(jìn)水均處于管網(wǎng)系統(tǒng)末端，其高程相對(duì)較低，所以需要用提升泵將污水提升至處理系統(tǒng)中，此過程耗能較多，是節(jié)能降耗的重要節(jié)點(diǎn)之一。目前我國污水處理廠泵能耗較高的原因包括電機(jī)效率低、設(shè)計(jì)能力與運(yùn)行能力不符、水量波動(dòng)大和運(yùn)行控制管理能力低等。污水提升角度的節(jié)能降耗需要從污水提升系統(tǒng)進(jìn)行全面的分析。首先，在污水處理工藝設(shè)計(jì)階段，需要全面調(diào)研現(xiàn)有管網(wǎng)系統(tǒng)和污水處理全流程設(shè)施，盡可能降低需要提升的污水隨處理設(shè)施的高程差，并考慮采用淹沒流模式。其次，需要根據(jù)污水提升量及其變化特征，選擇合適的泵及其組合方式。根據(jù)管道系統(tǒng)尤其是污水流量的變化特性曲線選擇合適的泵，滿足泵運(yùn)行的高效運(yùn)行效率區(qū)間并在高水位條件下運(yùn)行。根據(jù)污水處理量、揚(yáng)程、水頭損失和泵功率等，選擇合適高效的泵組合，包括設(shè)置帶變頻調(diào)速器等的變頻泵與固定功率泵之間的配比與調(diào)控，降低水泵運(yùn)行軸功率，同時(shí)避免泵的頻繁開啟而降低其使用壽命。再者，注重泵和電機(jī)之間的匹配度，強(qiáng)化電機(jī)的高效運(yùn)行。另外，注重管道設(shè)計(jì)，保障系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊與運(yùn)行流暢，減少彎管和管道長度，降低管道輸運(yùn)系統(tǒng)的阻力和能耗。最后，需要注重工藝運(yùn)行管理與設(shè)備維護(hù)，降低運(yùn)行系統(tǒng)的滴漏、結(jié)垢與機(jī)械磨損等，保障設(shè)備和系統(tǒng)在高效條件下運(yùn)轉(zhuǎn)。

    我國各污水處理廠設(shè)計(jì)和運(yùn)行中，對(duì)提升泵的改進(jìn)主要是采用變頻控制技術(shù)。許光濘等[3]采用部分變頻泵作為調(diào)速泵的控制，可以使水泵平均轉(zhuǎn)速比工頻轉(zhuǎn)速降低20%以上，綜合節(jié)能效率可達(dá)20%～40%，對(duì)中小型污水處理廠，一年左右就可收回投資成本。沈曉鈴等[4]采用超聲波液位計(jì)監(jiān)測進(jìn)水水位并結(jié)合出水管流量計(jì)反饋控制潛水泵變頻運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)節(jié)能10%左右。原建光等[5]采用變頻調(diào)速技術(shù)，以調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速方法代替調(diào)節(jié)閥門或擋板，降低水位大幅變化和實(shí)現(xiàn)高水位運(yùn)行，節(jié)電率為15%。謝添等[6]研究對(duì)提升泵房，采用3臺(tái)潛水泵，其中一臺(tái)為變頻泵，并設(shè)置1臺(tái)超聲波液位計(jì)控制實(shí)際水位，得到變頻控制節(jié)能效率為39%～56%。對(duì)于變頻器的選擇與否，劉禮祥等[7]認(rèn)為當(dāng)處理水量變化較大且后續(xù)處理抗沖擊負(fù)荷能力較弱時(shí)，需要設(shè)置變頻泵，反之則不一定設(shè)置變頻器，因?yàn)樽冾l器本身耗能比例為3%～5%。郭思遠(yuǎn)等[8]采用基于泵站編組輪換算法和動(dòng)態(tài)液位控制算法的進(jìn)水提升泵智能控制方法，實(shí)現(xiàn)泵站運(yùn)行節(jié)能9.6%，全廠節(jié)能2.5%左右。此外，李鵬峰等[9]研究得到通過利用前端管網(wǎng)的蓄水能力減少水泵運(yùn)行臺(tái)數(shù)，達(dá)到節(jié)能效率20%。