某污水厂氧化沟改造后能耗现状及节能分析

王 龙 井 汇 赵玉兰

某污水厂氧化沟改造后能耗现状及节能分析

王 龙 井 汇 赵玉兰

山东英才学院建筑工程学院

简要介绍了某污水处理厂的处理工艺及运行状态，分析了生物处理阶段各设备的能耗情况，针对能耗最高的曝气设备研究了其节能空间并提出了节能措施。好氧池的曝气器曝气效果较差，DO利用率不高，存在着曝气过量现象，提出了采用更换曝气器、改变曝气器的布置方式和给曝气转盘加装变频器三种节能措施等。

污水处理厂氧化沟曝气设备节能

0 引言

某城镇污水处理厂的设计处理能力为2.5万m3/d，于2004年开工建设，2006年正式投产运行。原先采用一体化氧化沟生物处理工艺，设计出水水质执行《污水综合排放标准》（GB8978-1996）一级排放标准，后因国家、省市对海河流域的污染治理要求，此污水处理厂的污水出水水质要求达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB18918-20002）中的一级A排放标准，于2009年7月进行了升级改造，将一体化氧化沟生物处理工艺改造为倒置A2/O处理工艺，并且增加了深度处理部分，处理工艺流程图见图1，设计进出水水质见表1。

图1 某污水处理厂处理工艺流程图

表1 改造后设计进出水水质

1 运行状态

氧化沟进行改造后，增加了缺氧池。其中缺氧池主要有一台水下推进器和两台回流泵在工作；厌氧池主要用电设备是搅拌器，每个厌氧池有两台搅拌器，但每池均有一台损坏，且其搅拌效果不好，导致污泥上浮现象严重；好氧池主要用电设备有曝气转盘和曝气鼓风机，以底曝为主，表曝为辅，在实际的运行中，曝气转盘未采用变频器且时有损坏，曝气鼓风机采用变频控制技术，但因此厂曝气头采用的是盘式曝气器，堵塞严重，导致管道压力过大，现只有一台曝气鼓风机在工作，但曝气转盘较往年多开了6～7台。

2 能耗分析

通过对该厂相关设备的运行状态和设备相关参数的调查分析，得出了各设备的能耗情况，并分析了从全厂和生物处理单元来看的主要能耗设备，分别见图2和图3。

图2 生物处理部分各设备能耗比例构成

图3 全厂相关设备能耗比例构成

从图2和图3可以看出，无论是从生物处理单元还是从全厂的相关设备的能耗比例来看，曝气设备都是主要的能耗设备，所占比例分别为79%和59.21%，是全厂节能降耗的主要设备。有研究表明，通过精确控制曝气量可以节约30%左右的电耗[1]，好氧池的需氧量可以按下式进行计算[2]：

式中：O2为混合液需氧量，kg/d；a′为微生物对有机底物氧化分解过程的需氧率，即微生物平均代谢1kgBOD所需的氧量，a′为0.5左右；b′为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′为0.1左右；Q为污水流量，m3/d；Xv为MLVSS；V为曝气池容积，m3。

式中：So为原污水中有机底物浓度，mg/l；Se为处理水中有机底物浓度，mg/l。

该厂曝气转盘在恒定电压下工作，曝气鼓风机采用手动变频控制。目前是一台曝气鼓风机和5～9台曝气转盘在进行曝气，另外再根据进水量和溶解氧量控制曝气转盘的开启台数。根据式（1）计算可知，好氧池的需氧量为4000kg/d左右，而由曝气转盘和曝气鼓风机提供的氧量大于10000kg/d，远大于实际的需氧量，存在着曝气过量，造成了能量的大量浪费。另外根据美国环境署（EPA）对12个处理设施的调查结果表明，以DO作为控制供氧量指标可节省电耗达33%[3]。根据各个污水处理厂多年的运行经验，DO保持在1.5～2.0mg/l就能保证达到稳定且良好的出水效果，而通过对该厂DO历史数据的观察来看，其DO大多时间在2.0mg/l以上，存在着曝气过量现象，如图4和图5。

图4 2011年某三天的DO情况

图5 2012年某三天的DO情况

从图4和图5可以看出该厂的DO量高于实际需氧量，尤其是2011年，其DO量基本一直高于安全值，其大多时间高于2.0mg/l，曝气过量现象严重。但2012年比2011年少开了一台曝气鼓风机，多开了6～7台曝气转盘，用电量增加了，但DO量却降低了，因此采取相应的节能措施十分必要。

3 节能措施

1）合理确定曝气设备的供氧能力及供氧范围[4]。当曝气设备的最小供氧能力大于系统的最小需氧量时，就会存在供氧过量现象，造成能量浪费。因此在设计时，要充分考虑曝气设备的供氧能力及调节范围，选择合适的曝气设备，避免曝气过量现象。

2）更换曝气器。该厂采用的盘式曝气器具有膜孔易堵塞、橡胶易老化、成膜原理较局限、能耗较高等缺陷，可考虑采用各项性能较好、能耗较低的曝气器。表2列举了几种常见曝气器的性能参数。由表2可以看出，管式聚乙烯曝气器在单位通气量、单位服务面积、氧利用率、理论动力效率、阻力损失等方面均优于以上两种形式的曝气器。国外大量实践应用表明，管式曝气器能提高曝气效率且能耗较低，是一种效率较高并且节能效果明显的曝气器。采用管式曝气器取代盘式曝气器，可以提高氧的利用率大约20%，并节省电耗15%～20%。如采用管式曝气器，每年可节约电量78.6MWh，可见，更换曝气器带来的减排效果明显。

表2 几种常见曝气器的性能参数

3）对曝气器进行节能布置。在好氧池中微生物以有机物为能量来源进行增殖，同时伴随着氧气的消耗。随着时间的推移，氧的利用速度是不断降低的。可以根据这一规律，将曝气器沿着池长的方向按递减的方式进行布置，如图6所示，第一段约为35%，第二段为30%，第三段为25%。采用这种布置方式，可节省15%的电耗[5]，即每年可以节约电量约61.6MWh。

4）给曝气转盘加装变频器。通过改变曝气转盘的台数来控制曝气量存在着操作不及时、能量浪费、出水水质不稳定等缺陷，针对此种情况，可给曝气转盘加装变频器，使用PLC自动控制技术，按照好氧池中的DO值来控制曝气转盘的转速，不仅可以达到节能的效果，还能保证出水水质的稳定，曝气转盘的自动控制原理见图7。有研究表明，使用变频调速技术，可节省耗电量30%～40%左右[6]，因此加装变频器后可实现年节电289MWh，由此可见此种方法带来的节能效果相当可观。

图6 渐疏型曝气器布置方式

图7 曝气转盘自动控制示意图

4 结语

近年来，我国污水处理事业迅猛发展，在污水处理厂数量增加的同时，电力等能源的消耗也在飞速增长，因此污水处理厂的节能降耗问题势必引起全社会的高度关注，而曝气系统是污水处理厂的主要能耗设备，也是全厂节能降耗的重点，因此应从曝气设备的选择、曝气量的精确控制、设备的运行管理等方面来采取节能措施，加强污水处理厂新工艺、新技术的研究，实现经济增长与能源消费之间的可持续发展，促进我国污水处理行业节能减排工作的进展。

[1]刘永丽,张辰.排水系统具有广阔减碳空间[J].中国水网,2010, (12):1-4

[2]张自杰.排水工程(第四版)[M].北京:中国建筑工业出版社, 2000

[3]俞天明.合建式一体化氧化沟水力性能和节能特点研究[D].重庆:重庆大学,2001

[4]李俊峰,张锦锋.城市污水处理氧化沟工艺节能途径研究[J].漯河职业技术学院学报,2011,10(5):3-4

[5]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].环境保护科学,2008,34(5):26-28

[6]邓荣森,李尚月,王涛,等.变频器在曝气转刷自动控制中的应用[J].重庆建筑大学学报,2004,26(5):89-89

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

王龙（1952～），男，教授；山东省济南市山东英才学院建筑工程学院（250104）；E-mail:wangxinshiyun@126.com