王 龍 井 匯 趙玉蘭

某污水廠氧化溝改造后能耗現(xiàn)狀及節(jié)能分析

王 龍 井 匯 趙玉蘭

山東英才學(xué)院建筑工程學(xué)院

簡(jiǎn)要介紹了某污水處理廠的處理工藝及運(yùn)行狀態(tài)，分析了生物處理階段各設(shè)備的能耗情況，針對(duì)能耗最高的曝氣設(shè)備研究了其節(jié)能空間并提出了節(jié)能措施。好氧池的曝氣器曝氣效果較差，DO利用率不高，存在著曝氣過量現(xiàn)象，提出了采用更換曝氣器、改變曝氣器的布置方式和給曝氣轉(zhuǎn)盤加裝變頻器三種節(jié)能措施等。

污水處理廠氧化溝曝氣設(shè)備節(jié)能

0 引言

某城鎮(zhèn)污水處理廠的設(shè)計(jì)處理能力為2.5萬m3/d，于2004年開工建設(shè)，2006年正式投產(chǎn)運(yùn)行。原先采用一體化氧化溝生物處理工藝，設(shè)計(jì)出水水質(zhì)執(zhí)行《污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB8978-1996）一級(jí)排放標(biāo)準(zhǔn)，后因國家、省市對(duì)海河流域的污染治理要求，此污水處理廠的污水出水水質(zhì)要求達(dá)到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB18918-20002）中的一級(jí)A排放標(biāo)準(zhǔn)，于2009年7月進(jìn)行了升級(jí)改造，將一體化氧化溝生物處理工藝改造為倒置A2/O處理工藝，并且增加了深度處理部分，處理工藝流程圖見圖1，設(shè)計(jì)進(jìn)出水水質(zhì)見表1。

圖1 某污水處理廠處理工藝流程圖

表1 改造后設(shè)計(jì)進(jìn)出水水質(zhì)

1 運(yùn)行狀態(tài)

氧化溝進(jìn)行改造后，增加了缺氧池。其中缺氧池主要有一臺(tái)水下推進(jìn)器和兩臺(tái)回流泵在工作；厭氧池主要用電設(shè)備是攪拌器，每個(gè)厭氧池有兩臺(tái)攪拌器，但每池均有一臺(tái)損壞，且其攪拌效果不好，導(dǎo)致污泥上浮現(xiàn)象嚴(yán)重；好氧池主要用電設(shè)備有曝氣轉(zhuǎn)盤和曝氣鼓風(fēng)機(jī)，以底曝為主，表曝為輔，在實(shí)際的運(yùn)行中，曝氣轉(zhuǎn)盤未采用變頻器且時(shí)有損壞，曝氣鼓風(fēng)機(jī)采用變頻控制技術(shù)，但因此廠曝氣頭采用的是盤式曝氣器，堵塞嚴(yán)重，導(dǎo)致管道壓力過大，現(xiàn)只有一臺(tái)曝氣鼓風(fēng)機(jī)在工作，但曝氣轉(zhuǎn)盤較往年多開了6～7臺(tái)。

2 能耗分析

通過對(duì)該廠相關(guān)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)和設(shè)備相關(guān)參數(shù)的調(diào)查分析，得出了各設(shè)備的能耗情況，并分析了從全廠和生物處理單元來看的主要能耗設(shè)備，分別見圖2和圖3。

圖2 生物處理部分各設(shè)備能耗比例構(gòu)成

圖3 全廠相關(guān)設(shè)備能耗比例構(gòu)成

從圖2和圖3可以看出，無論是從生物處理單元還是從全廠的相關(guān)設(shè)備的能耗比例來看，曝氣設(shè)備都是主要的能耗設(shè)備，所占比例分別為79%和59.21%，是全廠節(jié)能降耗的主要設(shè)備。有研究表明，通過精確控制曝氣量可以節(jié)約30%左右的電耗[1]，好氧池的需氧量可以按下式進(jìn)行計(jì)算[2]：

式中：O2為混合液需氧量，kg/d；a′為微生物對(duì)有機(jī)底物氧化分解過程的需氧率，即微生物平均代謝1kgBOD所需的氧量，a′為0.5左右；b′為活性污泥微生物自身氧化的需氧率，即每千克活性污泥每天自身氧化所需的氧量，b′為0.1左右；Q為污水流量，m3/d；Xv為MLVSS；V為曝氣池容積，m3。

式中：So為原污水中有機(jī)底物濃度，mg/l；Se為處理水中有機(jī)底物濃度，mg/l。

該廠曝氣轉(zhuǎn)盤在恒定電壓下工作，曝氣鼓風(fēng)機(jī)采用手動(dòng)變頻控制。目前是一臺(tái)曝氣鼓風(fēng)機(jī)和5～9臺(tái)曝氣轉(zhuǎn)盤在進(jìn)行曝氣，另外再根據(jù)進(jìn)水量和溶解氧量控制曝氣轉(zhuǎn)盤的開啟臺(tái)數(shù)。根據(jù)式（1）計(jì)算可知，好氧池的需氧量為4000kg/d左右，而由曝氣轉(zhuǎn)盤和曝氣鼓風(fēng)機(jī)提供的氧量大于10000kg/d，遠(yuǎn)大于實(shí)際的需氧量，存在著曝氣過量，造成了能量的大量浪費(fèi)。另外根據(jù)美國環(huán)境署（EPA）對(duì)12個(gè)處理設(shè)施的調(diào)查結(jié)果表明，以DO作為控制供氧量指標(biāo)可節(jié)省電耗達(dá)33%[3]。根據(jù)各個(gè)污水處理廠多年的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，DO保持在1.5～2.0mg/l就能保證達(dá)到穩(wěn)定且良好的出水效果，而通過對(duì)該廠DO歷史數(shù)據(jù)的觀察來看，其DO大多時(shí)間在2.0mg/l以上，存在著曝氣過量現(xiàn)象，如圖4和圖5。

圖4 2011年某三天的DO情況

圖5 2012年某三天的DO情況

從圖4和圖5可以看出該廠的DO量高于實(shí)際需氧量，尤其是2011年，其DO量基本一直高于安全值，其大多時(shí)間高于2.0mg/l，曝氣過量現(xiàn)象嚴(yán)重。但2012年比2011年少開了一臺(tái)曝氣鼓風(fēng)機(jī)，多開了6～7臺(tái)曝氣轉(zhuǎn)盤，用電量增加了，但DO量卻降低了，因此采取相應(yīng)的節(jié)能措施十分必要。

3 節(jié)能措施

1）合理確定曝氣設(shè)備的供氧能力及供氧范圍[4]。當(dāng)曝氣設(shè)備的最小供氧能力大于系統(tǒng)的最小需氧量時(shí)，就會(huì)存在供氧過量現(xiàn)象，造成能量浪費(fèi)。因此在設(shè)計(jì)時(shí)，要充分考慮曝氣設(shè)備的供氧能力及調(diào)節(jié)范圍，選擇合適的曝氣設(shè)備，避免曝氣過量現(xiàn)象。

2）更換曝氣器。該廠采用的盤式曝氣器具有膜孔易堵塞、橡膠易老化、成膜原理較局限、能耗較高等缺陷，可考慮采用各項(xiàng)性能較好、能耗較低的曝氣器。表2列舉了幾種常見曝氣器的性能參數(shù)。由表2可以看出，管式聚乙烯曝氣器在單位通氣量、單位服務(wù)面積、氧利用率、理論動(dòng)力效率、阻力損失等方面均優(yōu)于以上兩種形式的曝氣器。國外大量實(shí)踐應(yīng)用表明，管式曝氣器能提高曝氣效率且能耗較低，是一種效率較高并且節(jié)能效果明顯的曝氣器。采用管式曝氣器取代盤式曝氣器，可以提高氧的利用率大約20%，并節(jié)省電耗15%～20%。如采用管式曝氣器，每年可節(jié)約電量78.6MWh，可見，更換曝氣器帶來的減排效果明顯。

表2 幾種常見曝氣器的性能參數(shù)

3）對(duì)曝氣器進(jìn)行節(jié)能布置。在好氧池中微生物以有機(jī)物為能量來源進(jìn)行增殖，同時(shí)伴隨著氧氣的消耗。隨著時(shí)間的推移，氧的利用速度是不斷降低的?？梢愿鶕?jù)這一規(guī)律，將曝氣器沿著池長(zhǎng)的方向按遞減的方式進(jìn)行布置，如圖6所示，第一段約為35%，第二段為30%，第三段為25%。采用這種布置方式，可節(jié)省15%的電耗[5]，即每年可以節(jié)約電量約61.6MWh。

4）給曝氣轉(zhuǎn)盤加裝變頻器。通過改變曝氣轉(zhuǎn)盤的臺(tái)數(shù)來控制曝氣量存在著操作不及時(shí)、能量浪費(fèi)、出水水質(zhì)不穩(wěn)定等缺陷，針對(duì)此種情況，可給曝氣轉(zhuǎn)盤加裝變頻器，使用PLC自動(dòng)控制技術(shù)，按照好氧池中的DO值來控制曝氣轉(zhuǎn)盤的轉(zhuǎn)速，不僅可以達(dá)到節(jié)能的效果，還能保證出水水質(zhì)的穩(wěn)定，曝氣轉(zhuǎn)盤的自動(dòng)控制原理見圖7。有研究表明，使用變頻調(diào)速技術(shù)，可節(jié)省耗電量30%～40%左右[6]，因此加裝變頻器后可實(shí)現(xiàn)年節(jié)電289MWh，由此可見此種方法帶來的節(jié)能效果相當(dāng)可觀。

圖6 漸疏型曝氣器布置方式

圖7 曝氣轉(zhuǎn)盤自動(dòng)控制示意圖

4 結(jié)語

近年來，我國污水處理事業(yè)迅猛發(fā)展，在污水處理廠數(shù)量增加的同時(shí)，電力等能源的消耗也在飛速增長(zhǎng)，因此污水處理廠的節(jié)能降耗問題勢(shì)必引起全社會(huì)的高度關(guān)注，而曝氣系統(tǒng)是污水處理廠的主要能耗設(shè)備，也是全廠節(jié)能降耗的重點(diǎn)，因此應(yīng)從曝氣設(shè)備的選擇、曝氣量的精確控制、設(shè)備的運(yùn)行管理等方面來采取節(jié)能措施，加強(qiáng)污水處理廠新工藝、新技術(shù)的研究，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)與能源消費(fèi)之間的可持續(xù)發(fā)展，促進(jìn)我國污水處理行業(yè)節(jié)能減排工作的進(jìn)展。

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The Ene rgy Cons um ption Sta tus a nd Ene rgy Sa ving Ana lys is of a Se w a ge Tre a tm e nt Pla nt Oxida tion Ditc h a fte r Tra ns form a tion

WANG Long,JING Hui,ZHAO Yu-lan
Faculty of Civil Engineering and Architecture,Shandong Yingcai University

This article introduces the process and operation condition of a sewage treatment plant,and analyzed the equipment energy consumption of the biological treatment stage,besides studies the energy saving space of the most energy-intensive aeration equipment and puts forward energy saving measures.In aerobic pond,the aeration effect of aerators is poor,so the utilization of DO is not high,and there is aeration excessive phenomenon.Three power-saving measures,which are replacing the aerators,changing the arrangement of aerators and installing inverter in the aeration rotary disk,etc.,were put forward.

sewage treatment plant,oxidation ditch,aeration equipment,energy-saving

1003-0344（2014）04-067-3

2013-7-12

王龍（1952～），男，教授；山東省濟(jì)南市山東英才學(xué)院建筑工程學(xué)院（250104）；E-mail:wangxinshiyun@126.com