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1、器 管 理 论 坛 Mana gemen t For um 污水处理厂能耗分布与节能机会分析 王 崇(上海大众环境产业有限公司，上海2 0 1 1 0 3)摘 要：调研 了国内外污水处理厂 的能耗水平 和各处 理单元的能耗分布情况，与先进国家相 比，我国污水处理 的能 耗仍 偏高，存在节能的空间。在分析污水厂能耗分布的基 础上，认为污水厂的节能机会 主要存在于曝气、泵、污泥等方 面，但节 能是一项持续改进 的系统工程，数字化的运营管理和设计 阶段的优化也是重要机会。关键 词：污水处理厂；节能；分析 中图分类号：X 5 0 5 文献标志码：B 文章编号：1 0 0 9 7 7 6 7(2 0 1
2、 3)0 3 0 1 4 8 0 4 An a l y s i s o f En e r g y Co n s u mp t i o n Di s t r i b u t i o n a n d Op p o r t u n i t y o f S a v i n g En e r g y o f S e wa g e Tr e a t me n t P l a n t W a n g Ch o n g 水和能源是现代社会的两大基础资源 污水处理是 实现水资源循环利用的重要手段。但城市污水处理是高 能耗的行业，其耗能主要包括电能、药耗和燃料等多个 方面，其 中电耗约 占总能耗的 6 09 0_
3、 l _ 2】。据统计，2 0 1 1年中国城镇污水处理厂用电量约为 1 0 0亿 k Wh，约 占全 国社会 总用 电量 的 0 2。电费 是 污水 处 理 厂 运行成本的主要组成部分，随着我 国污水处理行业的 市场化发展，减少能耗 降低成本 已成为提升企业运 营管理水平和提高利润的关键措施。在能源 日益短缺、全球气候变化 日趋明显、国内污水处理行业标准逐步 提高和竞争 日益激烈的背景下，研究污水处理节能机 会具有显著的社会与经济意义。1污水 处理 厂能 耗水 平 采用的技术不 同，城市污水处理能耗的差别也很 大，而技术的选用主要受污染控制要求和土地资源约 束两方面限制。具有硝化作用的深度处
4、理能耗是简单过 滤处理技术 的 2倍，稳定塘类技术能耗较低但需要 占 用较多的土地。在美国，大型污水处理厂(约 3 8 万 m3 d)的电耗水平一般为：一级过滤处理 0 1 7 7 k Wh m ，活性 污泥法约 0 2 7 2 k Wh m ，深度处理约 0 3 1 4 k Wh m ，具 有硝化作用 的深度处理约 0 4 1 2 k Wh m。3 1。造成能耗 上升的主要原因是曝气及污泥 回流 据美 国电力研究 协会(E P R I)统计，不 同工艺、不用规模 的美国污水处 理厂的平均电耗见表 1。1 4 8 啼荭投求 2 0 1 3 N o 3(M a y)V o 13 1 表 1 美
5、国不 同规模 污水 处 理厂 的 电耗水 平【。j 粼漶 鬈 活性污泥法，深度处理。含硝化的深度 孵 嬲(k Wh m s)Z(k Wh m 3 J 3 7 8 5 1 89 2 5 3 7 8 50 7 5 7 0 o 1 8 9 2 5 0 3 7 8 5 O 0 0 4 7 9 0 2 5 8 0 2 2 5 0 1 9 8 0 1 8 2 0 1 7 7 0 5 9 1 0 3 6 2 O_ 31 8 0 2 9 4 0 2 7 8 0 2 7 2 0 6 8 6 0 4 1 6 0 3 72 0 3 4 4 0 3 2 1 O 3 1 4 0 7 8 0 0 5 0 9 0 4 73
6、 0 4 43 0 4 23 O 4l 2 目前。我 国国内污泥处理工艺和配套设施较为完 善 的污水厂 比例仅为 1 1 0左右，大部分污水厂污泥未 能得到有效处理。据文献报导的我国部分污水处理厂 的 电耗见 表 2。与表 l 相 比可 知，在不考 虑 污泥 消化 的 情况下 我 国污水厂 的电耗 与美 国相 比仍偏高，这表 明还存在节能降耗的空间。2 污水处理厂能耗分布 污水厂电能主要消耗在污水污泥的提升、生物处 理 的供氧和推动混合、污泥的处理 处置、附属建筑用 电和 厂 区照明灯 方 面 不 同国家和地区 不 同规模污水处理厂典型处理 单元 的能耗分布见表 3。从表 3中可以看出，2级及
7、深 度处理是污水厂能量消耗 的最主要 的部分，其中鼓 风 曝气能耗最大，一般 占到整个污水厂能量消耗的 5 0 左右。因此，鼓风曝气是需要重点关注的节能环节 之一。泵 提 升过 程 也是 污 水 厂 能量 消 耗 的重 要 环 节，其能耗 占全厂 的 1 5左右。污泥处理环 节的节 能也 不容 忽视。美 国和 日本 污水 管 理 论 坛 器 M a na gemen t For u m 处 理 厂 的污 泥处 理环 节 能耗 占 2 03 0左 右，而 目 前我国的污水处理厂仅为 35，这在一定程度上 反映了国内污泥处理工艺和设备的不完善。随着相关 技术法规的健全和监管的加强，污泥处理将逐步完
8、善。表 2 我 国不 同规 模污 水处 理 厂 电耗水 平 3 污 水厂 节 能机 会分 析 污水处理厂的运行管理没有“万全之策”。高的出 水质量通常需要较高 的能量消耗，因此，出水质量与 能耗的平衡就成为污水厂节能降耗的终极 目标。污水厂节能降耗工作不是一个一次性的能源利用 改进项 目，而是一个不 断改进 和发展的过程，需 由包 含不 同职 能人 员 的团 队维持。这 个 团队包 括 了行 政、工 程、维护、运行、财务和管理等 人员，如果是小 规模 的 污水厂，聘请专家进行 阶段性的评估更具有操作 的可 行性。一般进行能源管理、节能 降耗 的主要步 骤包括：确定能源利用基线；找出能源消耗的关
9、键环节；选择最优节能方法；量化分析节能投入与效益；制定实施计划，确定优先实施的环节；跟踪监测、管理、评 价。基于 以上分析，笔者认为，我国国内污水厂节能 的主要机 会存 在于 曝气 和泵 方面，此 外还有 污 泥处 理、运行操作管理及设计优化等。3 1节 能曝气 一般活性污泥处理中，主要采用表面曝气或者水 下 的空气扩 散器持续 不断地向好 氧池鼓 风供 氧以维 持活性微生物的数量并保持必要的混合的方式。但在 实 际操作 中，由于设备 容量过大、操作效率低 以及 缺 乏控制，供氧通常会超过混合作用及微生物活性维持 的需要，而这种过量的空气则意味着能量的浪费。曝气环节的操作主要包括风机、空气扩散
10、、控制及 2 0 1 3 年 第3 期(5 一)第 3 1 整 啼荭j 暨 己 木 1 4 9 器 管 理 论 坛 Man agemen t F：Or ur n 动力等 4个方面。对鼓风曝气系统的节能降耗措施应 围绕鼓风机和曝气装置(空气扩散装置)2方面来进行。曝气装置的选择主要应考虑氧的利用率与动力效 率、不易堵塞且维护维修方便，同时还应 考虑技术 的 经济性，使造价相对较低【l0 。在 曝气装 置的空间布置 上，应着重考虑微生物的生长代谢、污染物的降解和氧 气消耗规律等，且在水流方 向上遵循渐减曝气 的原则。风机的选择及运行控制是 比较 困难的。风机容量 的选择必须经过详细的计算 最好在设
11、计手册参数的 基础上充分考虑 以往实际的运行经验进行系统分析，以寻找最佳的运行条件。在污水处理过程中，如是需经 常调节风量 的鼓风机，应选择合适 的调节方 式。以降 低能耗。近年来 变频技术不断发展，应用变频器改变 交流电机的转速方式来进行风机流量的控制，可以大 幅度减少 以往机械方式调控流量造成的能量损耗。实际运行 中，通过溶氧 D O控制曝气系统是一种 很好的手段，一般将 D O控制在 2 3 m g L t 4 l p 可。3 2泵 效 率 在 国内，造成水泵能量浪费的主要原 因有：设 计能力与实际水量有偏 差，实 际水量偏小；水量的 周期性波动；电机效率低；运行控制不良造成水 泵频繁启
12、闭；泵 与管道、高程不匹配造成 的效率低 下等。与风机的优化控制类似、变频是实现泵节能的重要 技术。可通过变频控制器，根据水量的变化及时调节 流量。选用高效率的电机也是实现泵节能的重要手段，而高效 电机的投资回收期一般在半年至 5年之间r l 1 。在集水池 的设计上 如果场地允许 应设 置较 大容积 的集水池缓冲。以减少水量波动带来的影响。水泵节能的关键是提高水泵的运行效率，这不仅 仅需要在泵设备本身上下功夫。还与实际的管路和高 程布置息息相关。在实际中应及时总结经验，进行系统 分析，逐步寻 找最佳 的运行条件，综合多种手段 以达 到效率最大化 3 3污泥 处理 与能 量 回收 污泥不应被视
13、为污染物，而应视其为资源。污泥 的大部分成分为挥发性有机物，在 H本，6 0污泥 可 以经 由厌氧 消化削减，每 吨挥发性有 机质 可产生 约 6 8 0 m 的沼气，利用磷酸型燃料 电池可获得污水厂约 5 0的能源。污泥进行厌氧消化、资源化利用的另外 一个好处是可以减少碳排放。目前，我 国污泥处理工艺和设施还很不完善。在 1 5 0，；荭技术 2 0 1 3 N o 3(M a y)V o 13 1 发 达 国家，厌 氧消化 已被 证 明是 污泥处 理 的有效 手段，技术也较成熟。国内在推进污泥处理 的进程中，应着 眼长远 站在能源的角度看待污泥问题。3 4 数字化运营管理 污水厂 的节能管
14、理存在于 日常运 营管 理的方方 面面。数字化的运营管理技术通过模拟预测，优化运 营条件，能较好地实现达标排放与节能降耗的平衡。污水 厂数 字化运 营管理 的核心是基于控制理论 的污水厂运行模拟技术，主要包括基于数学模型的传 统控制理论和现代智能控制方法。现代的智能控制是 人工智能、控制论、系统论 和信 息论等 多种学科 的高 度综合与集成，主要包含模糊控制、神经 网络控制、学 习控制和专家控制等。近年来，传感器和 自动控制设 备的发展为污水厂的数字化运营提供 了良好 的硬件 条件。由北京清华城市规划设计研究 院、清华规划院环 境技术研究所开发的数字排水平台、E I C A污水厂智能 控制系统
15、【l 2 1，已经在北京、安徽及云南等地污水厂的节 能降耗 中取得 了较为成功的应用实践。广东省环境科 学研究 采用加拿大 E n v i r o S i re公司开发的 B i o Wi n 模拟软件平台。利用一个结构化的方法开发实际污水处 理厂的模型，尝试为污水处理厂寻找最适合的建设、改 造和运营方案。利用该模型对佛山高明区第一污水厂(微曝氧化沟工艺)进行模拟，通过降低好氧曝气区的 D O质量浓度(从 1 0降低为 0 9)，同时适 当关 闭了一 部分曝气区域，大大减少了系统 的鼓风量 实现了节能 降耗 的目的。3 5 设 计 阶段优 化 设计 阶段是控制污水厂能耗水平 的前置关键 阶 段
16、。规模 的确定、工艺 的选择及设备 的选型必须在设 计阶段做好充分的调查、计算和研究。我国各地的地理 和管理水平差异巨大，因此设计 中必须因地制宜，清晰 定位，综合考虑技术、资金和运行，进而确定 系统的临 界需求 优化资金与运行操作，降低运行阶段的能耗。4结语 通过分析国内外污水厂能耗水平和能耗分布。可 以看 出我 国国内污水厂的运行能耗偏高，存在进一步 改进的空间。从能耗分布来看，曝气和提升泵是能量消 耗的关键环节，应该成为节能降耗关注的重点。污水厂 的节能降耗是一项系统 的和需持续改进 的工作。在运营管理中，应充分调研 污水 厂的能耗水 平，制定切 实可行 的 目标，并在对 以往运行记录统
17、计 分析的基 础上，找出节能 的切入 点和关 键点，选择最 优的实践方法，在实际工作中持续改进。爱 参 考文 献：1】朱五星，舒锦琼 城 市污水处理厂 能量优化策略研究【J 给水 排水，2 0 0 5，3 l(1 2)：3 1-3 3 【2】Mi z u t a K，S h i m a d a M B e n c h ma r k i n g e n e r g y c o n s u m p t i o n i n m u n i c i p a l w a s t e w a t e r t r e a t me n t p l a n t s i n J a p a n J Wa t e
18、 r S e i e n c e a n d T e c h n o l o g y，2 0 1 0，6 2(1 0)：2 2 5 6-2 2 6 2 3】E l e c t r i c P o w e r R e s e a r c h I n s t i t u t e Wa t e r a n d s u s t a i n a b i l i t y：U S El e c t r i c i t y c o n s u mp t i o n f o r wa t e r s u p p l y&t r e a t me n t-t h e n e x t h a l f c e n t
19、 u r y R P a l o A l t o，C A：E l e c t r i c P o w e r R e s e a r c h I n s t i t ut e，2 00 2 4】黄浩华，张杰，文湘华，等 城市污水处 理厂 A 2 O工艺 的节能 降耗途径研究【J】环境工程学报，2 0 0 9，3(1)：3 5 3 8 【5】沈晓铃，薛敏，李大成，等 无锡惠 山污水 厂的优化 运行与节 能降耗 J 1 中国给水排水，2 0 l l，2 7(2 2)：4 5 4 7 6】姚远，张丹 丹，楚 英豪 城市 污水处理 厂 中的能耗 及 能源综 合利 用 J】资源开发与市场，2 0 1 0
20、，2 6(3)：2 0 2 2 0 5 管 理 论 坛 器 Man ag em en t For u m【7】常江，杨岸 明，甘一萍，等 城市污水处理厂能耗 分析及节能 途径 J 中国给水排水，2 0 1 1，2 7(4)：3 3 3 6 8 8 C a o Y S Ma s s fl o w a n d e n e r gy e f f i c i e n c y o f mu n i c i p a l w a s t e w a t a r t r e a t m e n t p l a n t s【M L o n d o n，U K：I WA P u b l i s h i n g，2
21、 0 1 1：45 47 9】S c i e n c e A p p l i c a t i o n I n t e r n a t i o n a l C o r p o r a t i o n(S A I C)Wa t e r a n d w a s t e w a t e r e n e r g y b e s t p r a c t i c e g u i d e b o o k R Wi s c o n s i n，US：S AI C2 0 0 6：8 9 【1 0】谷成国，宋剑锋 城市污水处理厂鼓风曝气 阶段 的节能降耗 研究 J 1 环境保护科学，2 0 0 8，3 4(5)：2
22、 6 2 8，4 5 1 1 徐晓宇，李春 光 污水处理 厂运行 的节 能降耗技术 进展 J 给水排水，2 0 0 9，3 5(1 2)：4 7 5 0 【1 2】赵冬 泉，佟庆远，王 浩昌，等 城 市污水 处理智 能控制 技术 介绍 J 水工业 市场，2 0 1 0(5)：1 2 1 6 【1 3】小希 更 高效、更节 能“污水模 型模拟 技术”提升 污水 处理厂管理水平【J 环境，2 0 1 2(7)：2 2 2 4 收稿 日期：2 0 1 3 0 l 一 0 9 作者 简介：王崇，男，工程师，博士，主要从事污水厂投资、建设与运营 管理工作。(上接 第 1 3 3页)7】史佩哲，郜文英，马
23、月 辉，等 虚拟仪器在水力 学实验 中的应 用f J 实验技术与试验机，2 0 0 6，2 3(1)：6 8 7 0 【8】中国市政工程西南设计研究 院 给水排水设计 手册：第 1 册【M】北京：中国建筑工业 出版社，2 0 0 0：9 2 2 9 2 4 【9 北 京市市政工程 设计研究 总院 给 水排水设 计手册：第 5册【M】北京：中国建筑工业 出版社，2 0 0 4：5 6 4 5 6 5 【1 0 李宝霞，吴 日鹏 球墨铸铁 管水力计算公式 的修正 J 中国 建 材科 技 2 0 0 7(5)：5 4-5 6 【1 1 吕文舫 曼宁公式 应用在急变 流的探讨 J 给水 排水，1 9
24、9 4 (4)：1 2-1 4 收稿 日期：2 0 1 2 1 2 2 4 作者简介：朱之敏，女，在读硕士研究生，研究方向水污染控制。北京轨道 交通 总长达到 4 4 2 k i n将跃居全 国首位 从 2 0 0 7年至今 北京轨道交通 里程从 1 1 4 k m增长到 4 4 2 k m，平均每年开通约 6 0 k m新地铁。北京市基础设施投资有 限公司前 期规划部经理王燕凯评价：“这一速度，创造 了举世罕见的奇迹。”1 6条轨道交通线形成 网络 2 0 1 2年 1 2月，4条轨道新线投入试运营，北京市轨道线网总里程增加 7 0k m。根据京投公 司统计，2 0 1 2年年底，北京市 累
25、计运营 地铁线路达 1 6 条，运 营里程为 4 4 2k m，车站 2 6 5座。其 中，换乘车站达到 3 6座。将这一连 串的数 字反映在地图上，2号线 和 1 0号线一期及 二期，仿佛地下 的二、三环路，1 3号线在城市北部与 2号线接力画 出了 另一个环路；贯穿城市 东西的大动脉 除了八通线 和 1 号线外，加入 了地铁 6号线；5号线、4号线一 东一西，贯通城南城北；8号线和 9号线一南一北，将客流快速引入 中心城 区；昌平 线、1 5 号 线、大兴线、房 山线 和亦庄线架起 新城与市区的桥梁；机场线将 首都 机场 客流分批引入城 区线网“环线+棋盘+放射线”的轨道线网格局逐渐清晰。
26、四环内步行 7 5 0 m 就能找到地铁站 与最近 3年投入试运营的轨道交通相 比 2 0 1 2年 1 2月将开通的新线扎堆儿中心城区，8 4 的线路位于四环路以内。至此，北京市轨道交通四环 以内的线网密度从 0 4 4 k m 2 提高到 0 6 5k m k m 2。这意味着，市 民步行大约 7 5 0m左右就可 以找到 一座地铁站。北京市机场、大型铁路客运站年底均实现地铁引入。其中北京北站附近汇聚了地铁 4号线、2号线和 1 3号线；地铁 2号线 依傍北京站：地铁 9号线 穿过北京西站：地铁 4号线 的车站就在北京南站里。每 日 1 0 0 0万人次搭地铁 出行 交通部门透露 新线开通 以后本市路 网最高 日客运量将达到 l 0 0 0万人次以上，北京市公共交通出行 比例将提升到 4 4以上。其 中 四成公共交通 出行人群首选轨道交通。2 0 1 3 5 3 期(5 一)第 3 1 豢 辛 技求 1 5 1