林榮忱 李金河 (天津大學(xué)環(huán)境工程系)
林文波 (天津市東郊污水處理廠)

1 能耗分析

　　城市污水處理廠消耗的能源主要包括電、燃料及藥劑等潛在能源，其中電耗占總能耗的60％～90％，具體電耗分布情況因工藝和管理水平的不同而有差異(見表1)。

　　根據(jù)資料分析不難得出以下結(jié)論：?
　?、?污水處理電耗占全廠總電耗的50％～80％，污泥處理僅占15％～40％，可見污水處理是處理廠耗電大戶，自然也就是節(jié)能重點。其中又以提升泵、風(fēng)機為重中之重。
　　② 表1列出4個污水廠均為老廠，無污泥脫水等工藝，處理單位污水耗電量約0.262 kW·h/m³，從表面上看與日本全國平均0.260 kW·h/m³ 相近，比美國0.20 kW·h/m³稍高。但仔細(xì)分析就會發(fā)現(xiàn)：日本沉砂池普遍有洗砂、通風(fēng)、脫臭等，約耗電0.01 kW·h/m³；美、日兩國普遍對出水進(jìn)行消毒處理，該項電耗約0.002 kW·h/m?3；美、日兩國對污泥都進(jìn)行消化、脫水、焚燒處理，美國還進(jìn)行氣浮處理，約耗電0.05～0.1 kW·h/m³，而回收的能源均未計算在內(nèi)。另外，美、日兩國自控設(shè)備比我們多，照明空調(diào)等耗電也比我們多不少?？梢娎蠌S節(jié)能問題十分突出，潛力巨大。

2 提升泵的節(jié)能

　　提升泵的電耗一般占全廠電耗的10％～20％，是污水廠的節(jié)能重點。提升泵的節(jié)能首先應(yīng)從設(shè)計入手，進(jìn)行節(jié)能設(shè)計；對于已投產(chǎn)的污水廠，仍能通過加強管理或更換部分設(shè)備進(jìn)行節(jié)能。
2.1 精確計算水頭損失，合理確定泵揚程
　　從泵的有效功率N_U=γQH?可以看出當(dāng)γ、Q一定時，N_U與H呈正比，因此降低泵揚程節(jié)能效果顯著。如天津東郊污水廠總水位差4.5m，小于紀(jì)莊子污水廠的6 m，僅此一項每年即可節(jié)電100×10.4kW·h。然而，目前進(jìn)行污水廠設(shè)計時，水頭損失估算普遍偏高，導(dǎo)致泵揚程計算值偏高。在日本一般污水廠總水位差僅2.0 m左右，可見我們的差距還很大。
降低泵揚程可采取以下措施：
　　① 總體布置要緊湊。連接管路要短而直，盡量減小水頭損失。?
　?、?改非淹沒堰為淹沒堰^［1］，落差可由35～40cm減少到10cm。?
　　③ 日本總水位差小的關(guān)鍵在于初沉池、曝氣池、二沉池均采用方形平流式，三池為一體，首尾相連，水流通暢，從而最大限度地減小了水頭損失。雖然造價比輻流式要高一些，但其差價很快可以從節(jié)電效益得到補償。平流式沉淀池在我國應(yīng)用較少，主要原因是刮泥設(shè)備不過關(guān)，近年來環(huán)保設(shè)備技術(shù)水平有了長足進(jìn)步，所以平流式沉淀池應(yīng)用前景廣闊。?
2.2 流量調(diào)節(jié)方式
　　污水廠進(jìn)水量往往隨時間、季節(jié)波動，如果按目前通行的以最大流量作為選泵依據(jù)，水泵全速運轉(zhuǎn)時間將不超過10％^［2］，大部分時間都無法高效運轉(zhuǎn)，造成能源浪費。
　　由軸功率N=N_U/η₁(η₁為泵運行效率)可以看出，一定流量揚程下N_U是一定的，而泵的軸功率直接由η₁決定，所以應(yīng)選擇合適調(diào)控方式，合理確定泵流量，以保證泵始終高效運轉(zhuǎn)。
2.2.1 轉(zhuǎn)速加臺數(shù)控制方式
　　目前國外大型污水廠普遍采用轉(zhuǎn)速加臺數(shù)控制方法，定速泵按平均流量選擇，定速運轉(zhuǎn)以滿足基本流量的要求；調(diào)速泵變速運轉(zhuǎn)以適應(yīng)流量的變化，流量出現(xiàn)較大波動時以增減運轉(zhuǎn)臺數(shù)作為補充。但是由于泵的特性曲線高效段范圍不是很大，這就決定了對于調(diào)速泵也不可能將流量調(diào)到任意小，而仍能保持高效。四種調(diào)速方法效率-轉(zhuǎn)速關(guān)系如圖1。?

2.2.2 其它調(diào)節(jié)方式
　　除調(diào)速外還有一些流量調(diào)節(jié)方式，不需添置設(shè)備，只需加強管理，就可很快收到可觀效益。
　　① 機構(gòu)調(diào)節(jié)?
　　主要指水量出現(xiàn)大的波動時關(guān)閉或開啟出水閘，這樣雖然會增大水頭損失，但因N-Q曲線為上升曲線，所以還是有一定節(jié)能作用的。?
　　② 運行方式調(diào)節(jié)?
　　一般可以很簡單地采用隨進(jìn)水量增減臺數(shù)的方法進(jìn)行，通過縮短運行時間達(dá)到節(jié)能目的。這一點在各廠都已采用，但要注意對于大型水泵，因為啟動電流很大，所以應(yīng)盡量避免頻繁啟動。?
　?、?調(diào)整改造?
　　離心式水泵都配有一系列直徑的葉輪，可簡單地通過更換葉輪使水泵適應(yīng)低于額定流量的流量。另外，在確認(rèn)流量為恒定低流量后，還可以采用切削葉輪的方法。
2.3 選用高效電機及傳動裝置
　　泵系統(tǒng)電耗　W=t N_U/(η₁η₂η₃)?
　　　　　　　　式中 η₂、η₃--傳動效率和電機效率
　　　　　　?　　　　t --- 運行時間?
　　因此可從η₂、η₃入手，采用高效電機進(jìn)行節(jié)能。
　　高效電機沒有一個準(zhǔn)確定義，一般效率比常規(guī)電機高2％～8％，雖然提高幅度不大，但因為污水泵大多為大功率、24h運轉(zhuǎn)，所以即便只提高1％,節(jié)能效果也是很明顯的。?
　　當(dāng)然高效電機價格比普通電機高15％～60％，所以采用該方法應(yīng)進(jìn)行經(jīng)濟校核，看是否能在使用期內(nèi)由節(jié)電效益收回投資。?

3 曝氣系統(tǒng)的節(jié)能

　　鼓風(fēng)曝氣系統(tǒng)電耗一般占全廠電耗的40％～50％，是全廠節(jié)能的關(guān)鍵。最根本的節(jié)能措施就是減小風(fēng)量，而減小風(fēng)量必須提高擴散裝置效率，降低污泥對氧的需求。
3.1 擴散裝置
3.1.1 改進(jìn)布置方式
　　傳統(tǒng)的曝氣池，曝氣管是單邊布置形成旋流，過去認(rèn)為這種方式有利于保持真正推流，另外可以減小風(fēng)量，但經(jīng)過多年實踐與研究發(fā)現(xiàn)，這種方式不如全面曝氣效果好。全面曝氣可使整個池內(nèi)均勻產(chǎn)生小旋渦，形成局部混合，同時可將小氣泡吸至1/3到2/3深處，提高充氧效率，見表2。?

3.1.2 采用微孔曝氣器
　　微孔曝氣器可以減小氣泡尺寸，增大表面積，因而轉(zhuǎn)移速度高，節(jié)約風(fēng)量。天津東郊污水廠和紀(jì)莊子污水廠均采用微孔全面曝氣，比穿孔管節(jié)電20％以上。英國有報道采用微孔曝氣每去除1 kgBOD可節(jié)約風(fēng)量25％，電力18％^［4］?。日本的情況如表3所示。

　　美國對一大批老式穿孔曝氣進(jìn)行了改造，效果顯著。如美國的Hartford在224 640 m³/d的污水廠采用微孔曝氣，實際氧利用率從穿孔管4.4％提高到了10.0％，總投資600 000美元，每年節(jié)約電費200 000美元，不計清洗費用，3年即可收回投資^［５］。?
3.2 風(fēng)量控制節(jié)能
　　選擇風(fēng)機時，都要在計算需氣量基礎(chǔ)上加上一個足夠大的安全系數(shù)，以滿足最大負(fù)荷時的需要。所以在日常負(fù)荷下一般都要適當(dāng)減小風(fēng)量，負(fù)荷低時更應(yīng)如此，這不僅是節(jié)能的需要，也是防止過曝氣、保證處理效果的要求。而進(jìn)行風(fēng)量控制是曝氣系統(tǒng)效果最顯著的節(jié)能方法，據(jù)EPA對美國12個處理設(shè)施的調(diào)查結(jié)果顯示，以DO為指標(biāo)控制風(fēng)量時可節(jié)電33％^［4］。圖2反映了風(fēng)機風(fēng)量與電耗的關(guān)系，圖中電耗指每小時的耗電量。?

　　可見，電耗隨風(fēng)量變化很大，因此進(jìn)行風(fēng)量控制節(jié)能效果顯著，而且功率越大效果越明顯，當(dāng)然風(fēng)量并不是可以任意減小，它將受到許多因素的影響。?
3.2.1 風(fēng)量程序控制
　　長期觀測進(jìn)水水質(zhì)、水量，掌握其變化特性，再由經(jīng)驗確定風(fēng)量與時間的關(guān)系，并設(shè)定程序，自動進(jìn)行控制。該方法簡便易行，但當(dāng)水質(zhì)水量出現(xiàn)很大波動時，應(yīng)與其他方法配合使用。
3.2.2 按進(jìn)水比例控制風(fēng)量
　　該方法也比較簡單，按一定氣水比，根據(jù)進(jìn)水量調(diào)節(jié)風(fēng)量即可。但該方法最易受水質(zhì)波動的影響，處理效果不穩(wěn)定。
3.2.3 按DO控制風(fēng)量
　　曝氣池DO是一個重要運行參數(shù)，理論上達(dá)0.3mg/L就不影響微生物的生理功能，但考慮到水質(zhì)水量的波動，一般保證入口處0.5～1.0mg/L，出口2～3mg/L^［４］?即可。如天津東郊污水處理廠采用溶解氧PLC自動控制風(fēng)量，可節(jié)省氣量10％；日本有報道DO控制風(fēng)量可節(jié)電10％～30％。?
3.3 風(fēng)量調(diào)節(jié)方式
　　由于各種風(fēng)量控制方式最終都要由調(diào)節(jié)風(fēng)機來實現(xiàn)，所以與水泵相似，風(fēng)機也存在風(fēng)量調(diào)節(jié)問題，也就同樣存在高效運轉(zhuǎn)問題。目前城市污水廠一般都采用高速離心風(fēng)機，其原理與離心泵相似，所以原則上泵調(diào)節(jié)流量的方式同樣適用于風(fēng)機。?
　　另外，泵的調(diào)速方式也適用于風(fēng)機，雖然需要一定投資，但節(jié)能效果也更明顯。
　　除此之外，風(fēng)機還有一些不同于水泵的特殊調(diào)節(jié)方式，如進(jìn)口導(dǎo)葉片調(diào)節(jié)，這也是目前普遍采用的技術(shù)。天津東郊污水廠從法國引進(jìn)的高速離心風(fēng)機帶有進(jìn)口導(dǎo)葉片調(diào)節(jié)裝置，當(dāng)單池DO過高時，PLC會發(fā)出指令關(guān)小該池空氣管蝶閥，當(dāng)各池DO都偏高時，PLC就會發(fā)出指令關(guān)小進(jìn)口導(dǎo)葉片，采用該技術(shù)可節(jié)電10％。??

參考文獻(xiàn)

　　1 周雹. 關(guān)于污水處理廠設(shè)計中的幾個問題的討論. 中國給水排水，1989；5(2)
　　2 呂乃熙. 城市污水節(jié)能技術(shù)及其發(fā)展主要趨向. 建筑選刊，1990；(1)
　　3 王彩霞. 城市污水處理廠能源開發(fā)利用與節(jié)能技術(shù). 設(shè)計與研究，1991
　　4 日本下水道協(xié)會. 下水道施設(shè)省資源省エネルギ化對策. 1983
　　5 Water Environment Federation. Energy Conservation in Wastewater Treatment Facilities. Alexandia. USA，1997

國家"九五"攻關(guān)項目　　
作者通訊處：300072 天津大學(xué)環(huán)境工程系?
(收稿日期 1998-08-12)