污水处理厂设计和运行中的节能考虑

聚焦城镇污水处理行业的节能减排

污水处理厂设计和运行中的

节能考虑

文 / 李春光 徐晓宇 (上海市政工程设计研究总院　上海 200092)

一、前言

随着国家环境保护政策的推进，近几年以及今后的一段时间城市污水处理设施的投资和建设规模不断增长，污水处理率以及处理程度也不断提高，导致了污水处理厂运行的能源消耗的矛盾日益突出，国家也提出了节能减排的要求。因此，研究污水处理厂的能耗管理和节能降耗措施，降低污水处理厂的运行总能耗，对我国的经济和社会发展具有重要的意义。

二、污水处理厂的能耗分析对于大部分污水处理厂来说，电力消耗一般占其每年运行维护预算的25%～50%（WEF，1997b）。在活性污泥处理系统中，电耗成本更是占30%～80%。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。表1~3所列为不同处理工艺及规模污水处理厂能耗的初步估算情况。在不同污水处理厂的运行中，实际能耗与污水厂

规模、污水的水质特征、处理程度、处理工艺、运行模式等因素有关。

通常，污水厂节能改造应该重点关注能耗排名前列的单元和设施，这些单元和设施一般节能

潜力较大，污水厂的曝气和泵送系统通常是能耗大户，另外，污泥消化处理、污水深度处理等也是耗能的主要单元。

三、污水处理厂节能途径与

表1　采用常规活性污泥处理的污水厂用电量估算

项目水量合计能耗其中： 水泵

曝气（扩散充氧）气浮好氧消化厌氧消化

照明和建筑用电（沼气燃烧）

1mgd[**************]00

5mgd[***********]

[1**********]

[1**********]0

[1**********]00

[1**********]000

用电量，kW/d10mgd20mgd50mgd[***********][***********][**************]57

100mgd

[***********]819

注：1 mgd≈ 3785m3/d.

表2　不考虑硝化的污水深度处理厂用电量估算

项目水量

合计能耗其中： 水泵

曝气（扩散充氧）化学投加过滤进水泵过滤气浮好氧消化厌氧消化

照明和建筑用电

燃烧）

1mgd[***********]1200200

5mgd[***********]472400400

[1**********]

[1**********]0

[1**********]00

[1**********]000

用电量，kW/d

10mgd20mgd50mgd[***********][***********][***********][***********][1**********]8

100mgd

[***********][**************]

注：1 mgd≈ 3785m3/d.

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专题

表3　考虑硝化的污水深度处理厂用电量估算

项目水量

能耗合计水泵

曝气（扩散充氧）生物硝化化学投加过滤进水泵过滤

好氧消化厌氧消化

照明和建筑用电（沼气燃烧）

1mgd[***********]1371200200

5mgd[***********][1**********]00

用电量，kW/d10mgd20mgd[***********][***********][***********][1**********]

[1**********]0

50mgd[***********][***********]00017500

100mgd[***********][***********][1**********]

注：1 mgd≈ 3785m3/d.

技术

1、污水厂管理节能

污水处理厂管理节能是指进行员工指导、选择和培训，确保污水厂在满足排放要求的前提下安全和经济地运行，应该配备员工专门进行节能降耗的实施，将节能作为管理的主要目标之一。

污水厂运行维护手册需要记录设计过程中考虑的各种节能措施。例如，如果水泵设计为变频驱动（VFDs），手册中应详细说明水泵耗能的监测和如何有效使用变频电机达到最优节能效果以供运行和管理人员参考。手册中应以图表形式详细表示不同运行条件下的水泵效率，当然，手册中也应该有设计参数和设计意图的介绍，当污水厂进行升级改造或优化后，相关的运行参数或条件改变的情况应及时记录和体现在运行维护手册中。

污水厂应完备记录运行中使用电、燃料、气和化学药剂情况以备评估，应配备相应的仪器和设备来连续记录和监测耗能情

况。

当然，员工的激励也很重要。可以采用经济奖励来鼓励员工提出改进运行能耗和效率的建议，对于可实施的节能建议进行重奖。

或者聘请专业咨询人员进行节能规划，指导节能措施实施，并提供实施过程中所需的各类资源。

美国华盛顿州卫生署（WSSC）推荐所在区的污水厂建立一个能耗信息系统（EIS），以便对处理工艺流程中各处理单元的耗能项目，包括各种设备和建筑物的开关、功率、运行状态等信息通过在线传感器实时获取，并将信息自动分类记录储存在EIS系统中，从而建立各个耗能单元的能耗信息数据库，以计算污水厂的能量效率；另外，根据与同类设备或其它厂的处理单元的能耗数据比较，可以发现是否存在有高耗低效的运行环节，再对这些环节进行详细的核查，分析其原因，为污水厂的节能优化运行提

供依据。例如在美国华盛顿州的Blue Plain污水处理厂将各个能耗单元的用电情况、需求以及运行成本等数据集成在EIS里，该系统取代了传统的电子表格，让管理人员实时掌握和调整设备运行。

2 、污水厂设计节能（1）曝气

根据美国1982年的统计数据，北美地区污水厂的曝气设备总能耗功率大约1.3×106 kW。曝气系统的能耗占活性污泥系统的污水处理厂总能耗的40%～70%。因此，对曝气系统进行节能研究具有重要意义。

扩散曝气系统是目前使用最为普遍的充氧方式，曝气设备的充氧能力取决于多个因素，包括：氧曝气头类型、池体形状、扩散器安装深度、水温、环境大气压、曝气器设计以及污水的特征等。

氧转移效率（OTE）是衡量曝气系统的重要指标，OTE的改善能有效提高能量利用效率。影响氧转移效率的的因素有水质特征、反应器水深、气泡直径、风量风速、扩散器密度以及曝气头

图1　几种常见扩散曝气器的

能耗比较

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的堵塞情况等。几种常见的扩散曝气设备的氧转移效率如图1所示。

OTE随着生物反应器中扩散器数量的增加而提高，有些污水厂在设计时根据反应池的尺寸来布置和安装曝气器；还有些污水厂采用将原有的粗孔曝气器更换为微孔曝气器，这样也能大大提高用电效率。据某污水厂统计，全部更新所有的曝气头后每年能节约的电费为100,000美元，投资回收期为4年。

对于维持混合液悬浮而言，也可以采用混合效率更高的其它专用设备（如潜水搅拌器等）来替代曝气设备，这样就可以关停曝气设备，大大减少能量需求。

（2）水泵

与活性污泥工艺相关的水泵设施主要有初次或中途提升泵、污泥回流泵、剩余污泥泵和内回流泵。按照北美地区的运行经验，一般提升水头减少0.3m，可以节约能耗成本0.0304美元/（m3/d）。减少水泵能耗的最直接的方法是减少水泵提升的水量。因此，减少污水管道中的入渗或误接水量，减少系统的各类回流或循环水量将是水泵节能的最有利措施之一。

（3）变频控制器

风机、水泵在水处理行业是经常使用的通用机械。以往，风机、水泵采用恒速交流电动机拖动，通过调节挡板或阀门开度大小来调节风量或流量，这势必造成电能的浪费。若利用变频调速技术，以调节电动机转速的方法取代调节挡板或阀门，则将达到节约电能目的。因为这类负载的输入功率和转速的3次方成正比，利用调速使流量减少，则异步电动机的输入电功率按立方规律下降，从而使耗电量大大降低，节能效果十分显著，达20％以上。

根据国内的工程实际运行数据表明，使用变频调速设备可使水泵平均转速比工频转速降低20% 以上，综合节能效率可达20%～40%。与采用档板、阀门调节流量相比，可节能40% ～60%。对于中小型的污水厂，一年左右就可收回投资成本。

（4）高效电机

根据统计，典型污水处理厂的电机运行所消耗的电力约占总电耗的90%左右。影响电机效率主要因素有供电电压、电机的尺寸、设计以及运行荷载等。一般高效电机的效率比普通电机高出8%左右，虽然高效电机的一次性投资比普通电机高10%～15%，但在电机投入运行后，该部分投资的回收期很短，一般几个月或者数年就可回收增加的成本。因此，在新建污水厂设计或者污水厂升级改造工程中，对于每天运行时间较长的电机，采用高效电机的优势较为明显，而对于那些不太常用的电机（如集水坑内的排水泵电机）则不必采用高效电机。

（5）监测和控制系统

自动监测和控制是有效的节能工具。在污水处理中，最常用也是最有效的控制指标是DO浓度。从工艺角度看，DO浓度的监测，可以减少或避免过度曝气和不必要硝化反应；从设备运行的角度看，DO浓度可以调节机械曝气器的淹没深度，鼓风机的输出风量以及水泵的流量等，这些设备的运行工况对总能耗均具有重要影响。

DO传感器直接关系到DO控制系统的正常使用与控制精度。随着技术的进步，DO传感器可以做到连续自动清洗，而无需人工清洗维护，同时自动监测的精确度也大大提高，为节能与正常运行提供了保证。根据美国西雅图、华盛顿地区的污水厂的工程改造经验，升级改造中更换新的在线DO传感器的成本可以通过节能措施在3年内收回成本。

3、污水厂运行节能

（1）反应器单体在线数考虑到今后发展的要求，或者为了抵抗工业废水和暴雨径流的冲击负荷，一般污水处理厂设计时都会预留一定的容量，在运行中反应器容积如全部在线，会导致活性污泥系统长期处于低负荷运行状态。如果负荷率能维持在正常水平的话，那么能量的利用率也可以提高。例如，在旱季时，如果污水厂的生物反应器有两个或两个以上在线时，建议对污水厂的运行情况进行分析，评价在停止其中一个运行后对污水厂的运行负荷是否会对出水造成影响，大部分污水厂在旱季减少反应器容积后仍能保持较好的处理效果。

（2）单位容积的能量输入

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专题

图2　单位容积能量需求

（Grady et al.,1999）生物反应器内能量的输入必须满足均匀混合和氧气传递的需要。如图2所示，最低能量输入值是保证污泥处于悬浮状态所需的能量，如果单位容积内能量输入超过最大需要值，活性污泥絮体会发生剪切作用而被破坏，从而影响污泥的沉降性能。表4提供了活性污泥系统能量输入的指导值。

（3）DO水平

许多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，或者是为了保险起见。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。由图3可以看到，曝气池中的DO浓度从2mg/L升高到5mg/L，所需要消耗的能量增加了近一倍。因为氧气溶解在水中的动力是氧浓度梯度，如果混合

液中的DO越高，则浓度梯度越小，氧扩散速率越慢。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。对于一般的活性污泥系统，DO浓度值大约为1.2～2.5mg/L。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。

（4）平均细胞停留时间MCRT

通过控制活性污泥的MCRT也可以实现节能的目的。一般而言，在不需要进行硝化的反应器中，MCRT控制在6~10d，在温度20℃时，基本能满足碳基BOD的去除效果；而有硝化要求的反应器中，MCRT一般至少需要8～10d，才能出现硝化反应，当MCRT达到20d以上时，硝化反应才能较完全。从能耗对比来看，不需要硝化脱氮的反应器的能耗比进行硝化反应的能耗可以节约30%～40%。

（5）水泵

对水泵的运行而言，可以采取如下措施来改善水泵效率：

①泵运行时尽量保持在高效区间内（如应控制两台泵运行在额定流量90%，而不是三台泵运

表4　反应池单位容积能量需求指导

系统

扩散曝气（m3单侧螺旋曝气池底均布曝气机械曝气（kW）

混合均匀（最低能量

/1000m3）

2027絮体破坏（最高能量/1000m3）

-－行在额定流量的60%）；

②调节水位控制器，使水泵运行的启闭尽量减少，使出水水流稳定；

③利用电容补偿（大型水泵）来改善功率因子；

④如果水泵一直在低效区低负荷下运行，可以减小叶轮的尺寸；

⑤对于定速水泵，当流量变化范围较大时，采用可调速电机或者多级变速电机驱动。

⑥对水泵进行正确维护。具体措施包括定期检查水泵，防止填料和密封配件导致的渗漏，防止水泵电机过热和水泵异常震动，轴承应定期润滑，叶轮需定期检查磨损和气蚀凹陷，包括其他的护套和垫圈等的磨损以及位置偏移等。

⑦水泵流量的计量设备需要定期维护和校验，防止流量计因污水中的杂物堵塞等原因造成的计量不准，造成水泵实际运行能耗误判。

4、节能措施实施

污水厂节能项目成功实施的前提是对节能措施进行筛选分析。节能措施首先应该经济有效，其次需要考虑实施的费用、项目的回报期以及特定节能措施达到预计效果的可能性。通常将节能措施按实施费用分为低、中、高三大类，当然具体分类针对不同的污水厂规模和资金来源也会不同。对于低费用的节能措施，因为涉及的改造内容和费用均较少，应该尽早实施；中等费用的节能措施通（下转第29页）

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出水BOD5、NH3-N和TP指标可接近10、5和0.5mg/l值，详见表1。设计采用延时曝气和生物化学协同除磷的强化二级生物处理工艺。

2、增加化学除磷提高二级处理出水水质

污水处理厂生物除磷工艺难于达到0.5mg/l的出水含磷标准。 CASS工艺本身也有除磷效果略差的缺陷，因此必须辅以化学除磷措施改善景观补充水的水质。设计中统筹考虑化学除磷加药和深度处理的混凝加药，二级处理加药间与三级处理加药间合建。设计采用碱式氯化铝干粉投药方案，化学除磷加药点在沉砂池出水配水井中，考虑污水中成分复杂，摩尔比采用2.5。增加化学除磷措施使二级出水TP指标降低到0.5mg/l成为可能，保护了西河水体环境，为西河两岸的开发建设创造了条件。

3、深度处理保证电厂冷却（上接第24页）

水对浊度要求

电厂冷却水按照《污水再生利用工程设计规范》GB50335-2002标准选择深度处理工艺。

从表1－1分析，电厂冷却水与景观补充水对水质的要求主要反应在浊度上，要求出水浊度≤5NTU。三级处理采用混凝沉淀过滤工艺，同时留有二级出水经加药混合后跨越絮凝、沉淀池，直接进入滤池进行微絮凝处理的运行方式，在储水池中加氯消毒。深度处理工艺可以满足电厂冷却水的水质要求。

3万m3/d水量经水泵提升后进入三级处理车间，污水经混凝沉淀过滤后进入中水储水池，经中水泵房送至用户。设计采用DN500静态混合器共2台，水头损失约为0.5m。网格絮凝池分两个系列运行，每系列净化能力1.5万m3/d， 反应时间15.3min。斜管沉淀池分两个系列，每系施过程需要配备相应的人、财、物，通常通过计算偿还期来选择适合的节能措施，偿还期最短的优先考虑；高费用的节能措施通常需要聘请外部的咨询人员进行评估，需要单独的预算开支，通常需对主要构筑物进行改造，更换主要的设备和自控系统等。需要进行经济分析和财务评价以确定节能措施的可行性。

列净化能力1.5万m3/d，表面水力负荷6.6m3/m2・h，停留时间7.6min。过滤选择均质滤层气水反冲滤池共1座4格，单格过滤面积36m2，滤速8.94m/h。五、结语

城市污水处理能耗较高，研究城市污水处理厂的节能问题是“节能减排”的重要工作。本文以呼和浩特市公主府污水治理工程为例，根据工程特点难点，从处理工艺选择、参数确定、设备选型、曝气控制、适当增加措施等方面，提出了一些符合实际的节能降耗、污水回用的方法。该工程已于2008年底投入运行，处理效果基本达到设计要求，出水污染物CODcr、BOD5、SS、TP的去除率均达到90％以上。由于冬季温度低，总氮指标难以达

标，待进一步研究解决。

耗的技术也在不断发展更新。污水厂的节能降耗是一项综合性工作，涉及到工艺、设备、电气及自控等多个环节，多学科的交叉和各种技术的融合是其发展的必然趋势。今后污水厂的节能技术应从设计、设备选型、运行、管理控制、维护、升级改造等每个环节进行贯彻审核，以降低污水处理成本，减小用电量。在实践中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。

图3　混合液DO浓度与能耗的关系常需要对污水厂运行进行评估、局部设计、工程实施，并根据实

四、结语

随着科技的进步和新设备新工艺的开发，污水厂的节能降

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