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    城市污水處理廠節能技術與發展
    近年來,中國的城市污水處理進程加速,水污染治理 和再生水回用已成為各地政府及社會普遍關注的問題。截 至2010年底,全國城鎮累計建成污水處理廠2 830余座,總 處理能力已達到1.25億m3 /d,全年累計處理279億m3 /d,年削 減COD約 900萬t,城市污水處理廠已經成為削減COD和氮 磷等物質的最重要手段之一。

    城市污水處理是能源密集的行業之一。目前,大多 數污水處理廠普遍采用的活性污泥好氧生物處理工藝,已 實現了污染物的消減, 但也是一個能源的消耗過程。在常 規的城市污水處理廠運行成本中,電費占30%~50%,其 中污水生物處理系統中的電耗占污水處理廠全廠電耗的 40%~50%。

    高科技為污水處理廠提高能量效率及應用新的節能措 施提供了新的機會。歐美等國家已從2000年開始,著力研 究城市污水處理廠的高效節能與智能控制技術;我國也在 “十一五”期間加大了對城市污水處理廠直接能耗控制技 術的研究和推廣應用。

    污水處理廠的能耗是指污水處理運行工藝中外界供給 的電能、煤等的消耗如用于污水提升、預處理、二級生物 處理、污水消毒、污泥處理處置等所消耗的能量。在污水 處理過程中,污水提升、二級處理(曝氣、回流)、污泥 處理處置等的能耗約占全部能耗的90%以上。

    污水處理廠的節能技術和措施可以從合理優化單元構筑 物的運行、實現工藝過程中各環節的設備配置以及對工藝過程實現優化控制幾方面著手,充分挖掘污水處理廠全過程 各個環節的節能潛力,以下僅列舉一些我們在大型污水處 理廠探索性應用后具有明顯效果的節能調控策略和措施。

    1 進水泵房優化運行

    與國外城市污水處理廠相比,我國在污水處理工藝選 擇、工程設計和設備選型等方面并不落后,但在單元構筑 物的運行管理和優化調控方面尚有較多優化空間。

    進水泵房是污水處理廠污水提升所必需的重要構筑 物,污水處理廠的來水量通常存在季節性變化,由于用水 波動,一天24h中也有水量的峰值和谷值出現,制定不同 季節、每日不同時間的水泵開停運行組合方案和調整措 施,可以直接節省水泵的耗電。實現水泵節能降耗、經濟 運行還可以通過兩個具體途徑進行。一個是盡量提高泵前 池水位,降低水泵揚程,增加水泵在高效率區內的運行時 間,這樣既提高了水泵效率又減少了電耗;另一個途徑就 是充分利用輸水管網的調蓄能力,也可以減少水泵的開啟 時間。通過水泵的編組運行、液位監測實現低水位差運行 等措施,整個泵房的電能可以減少10%~15%。

    2 曝氣池的工藝優化控制

    曝氣池是活性污泥處理系統中的核心構筑物,它的主 要功能是去除污水中COD、氨氮、總氮等主要污染物, 也 是污水處理廠工藝環節中最大的耗能單元。由于進入曝氣 池的污染物通常每天呈現規律性變化,而曝氣池一般都是 通過穩態設計方法確定的構筑物尺寸和運行參數,設計中 使用較大的安全系數來克服進水的動態變化,這不僅增加 了處理系統的建造成本,也使得處理工藝絕大部分時間內 運行在非滿負荷條件下,導致系統的運行能耗的升高。在 運行過程中,可以通過實時的監測水質對其工藝參數進行 動態調節,針對耗能的關鍵因素進行詳細分析后提出工藝調整方案,對于曝氣池的節能具有非常大的意義。

    僅以采用A2 /O工藝的污水處理廠為例,在某污水處 理廠運行中發現,曝氣池沿程觀測時,經常有曝氣段過 長、過度曝氣的現象,原因是進水中氨氮等污染物濃度 經常發生規律性變化,針對這個問題提出了節能方案: 在進水氨氮濃度處于低谷時,  縮短曝氣段長度維持曝氣 池DO在較低水平(2~3mg/L),將其余曝氣段變成缺氧 區;當進水氨氮濃度提高后, 恢復曝氣段的長度。采用這 一工藝調整策略,既不影響COD的去除和硝化效果,又 可以提高約14%的TN去除率,而且可以節約17%左右的 曝氣能耗。

    降低內回流比也是曝氣池工藝優化的一種節能手段, 當進水氨氮濃度處于低谷, 缺氧段出水中含有較高濃度的 NO3—N時, 可將好氧段前段不曝氣調整為缺氧池,并嚴 格控制曝氣池DO在2~3mg/L,將內回流比由300%調整為 200%,即可保證出水達標,又可節約內回流的能耗。

    3 精確控制曝氣池溶解氧水平

    溶解氧是現有污水處理廠曝氣過程控制的首要監測因 素,在曝氣池的生物處理過程中,一般安裝2~3處監測儀實 時監測溶解氧,通過設定各點溶解氧值來控制鼓風機的曝 氣量,實現生化反應生物生長所需的氧環境。這種方法是最 基本的曝氣量控制模式,但是由于水質波動,曝氣池內各點 對溶解氧的需求不斷變化,鼓風機的送氣量不斷調整,造 成池內溶解氧的較大波動,同時也增大了鼓風機的能耗。 精確曝氣是一個集成的控制系統(見圖1),實現污 水處理控制由單變量調節向多參數綜合優化控制的轉變, 對于污水處理效果影響顯著的進水氨氮濃度、溶解氧、曝 氣量、污泥內外回流比等參數進行綜合優化,分析單一參 數變化對生化反應過程的影響,通過優化算法實現多種控 制參數和運行能耗的優化選擇。系統通過動態控制曝氣量 可以為生物處理過程提供精確曝氣,即使受到進水負荷變動的沖擊,仍能使工藝處于平穩狀態,實現工藝精細化控 制,同時降低曝氣能耗。

     

    鼓風機是污水廠的核心工藝設備,是曝氣系統的源 頭,鼓風機流量應該能連續調整以精確滿足工藝需要。采 用可以進行雙導葉調節的單級離心式鼓風機在大型污水處 理廠節電效果更明顯, 精確曝氣系統根據當前進水流量、 進水負荷實時計算出所需空氣總量,并且傳遞給鼓風機的 主控制系統,通過空氣總量設定值對各鼓風機進行啟停、 進出風導葉的調節操作,滿足生化系統對曝氣量的需求, 避免了進水負荷高峰時的曝氣不足和進水負荷低谷時的曝 氣過量,實現了工藝的精細化、穩定化控制,節約了曝氣 能耗。另一方面,鼓風機如果調解不當喘振會帶來很大的 設備損傷,精確曝氣系統同時可以給出當前工況下的喘振 壓力保護值,有利于保護鼓風機的運行。

    鼓風機的開啟模式也會影響其能耗,通常選用開啟度 能達到50%的風機。因為如果1臺風機不能滿足對通風量的 要求,可以開啟第2臺,然后讓2臺風機在近似最小流量條 件下運行。這樣既可以減少調節步驟,又可以滿足工藝需 要,從而使風機功率最小化。在進出風導葉調整后鼓風機 主機電流的下降將直接降低風機的用電量(見圖2)。采 用精確曝氣系統,在大型污水處理廠進行節能實踐,可以 節省生化反應系統能耗10%~17%。



    4 結語


    根據污水處理廠進水水質、水量的變化,采用工藝優 化,過程精細控制,設備設施優化運行等手段和措施能夠 降低污水處理的直接能耗。工程運行實踐表明,采用這些 技術措施可以降低污水處理成本20%~30%。

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