污水提升的能源消耗影響原因分析

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0前言

污水處理廠的能耗在運(yùn)營費(fèi)用中一般可占到40%以上[1]，通過對我國559座污水處理廠的能耗數(shù)據(jù)進(jìn)行分析統(tǒng)計，其平均水平為0.29kW•h/m3，各國污水處理廠單耗見表1[2]。由此看出，我國污水處理能耗水平與其他發(fā)達(dá)國家相比基本一致。但是，這些國家在進(jìn)行能耗統(tǒng)計時，包含了污水消毒、污泥消化與焚燒等我國污水處理廠目前尚未普及的環(huán)節(jié)。可見我國污水處理廠平均電耗仍處于較高消耗水平，存在很大的節(jié)能空間。

1污水提升能耗的調(diào)查案例

[5]2008年1~6月對某污水處理廠電量數(shù)據(jù)進(jìn)行了統(tǒng)計分析，該廠電耗與我國目前平均水平相吻合，包括了再生水處理和污水處理電量（見表2）。主要電耗包括生活照明、再生處理、鼓風(fēng)機(jī)房、污水跨越、污水提升及其它設(shè)備（格柵、刮泥機(jī)、砂水分離機(jī)等），各部分日平均電耗量（見圖1）。提升能耗占總耗電電量的19.30%，比除鼓風(fēng)機(jī)房以外的其它水處理設(shè)備的能耗總和還高3.3%，足見其地位之重。

2污水提升的能耗影響因素分析

2.1高程布置與水泵能耗的關(guān)系

典型污水處理廠工藝流程（見圖2），污水經(jīng)提升泵提升以后，以重力流的狀態(tài)依次經(jīng)過各處理構(gòu)筑物，最終排入水體。水力計算以接納水體的最高水位作為起點(diǎn)，逆污水處理流程向上倒推計算，考慮各處水頭損失，直至污水提升泵后的第一個處理構(gòu)筑物，從而確定污水提升泵所需揚(yáng)程，并依此來選擇水泵，建設(shè)泵房[6]。水頭損失包括各處理構(gòu)筑物內(nèi)部流動的水頭損失，兩構(gòu)筑物間連接管渠的水頭損失，計量設(shè)備的水頭損失。目前，我國污水處理廠高程設(shè)計大多依據(jù)給水排水手冊和水力計算手冊。由于阻力計算偏保守，附加安全量過大等因素，導(dǎo)致構(gòu)筑物出口堰后大落差跌水現(xiàn)象普遍存在，造成提升能量浪費(fèi)。為此，提出了全微分管道損失誤差分析方法[7]，并編制了計算軟件[8]，可望有效減少上述浪費(fèi)。污水處理廠壓水管路一般比較短，水頭損失很小。以上述污水廠為例，水泵壓水管路是一條長18m、DN900的鑄鐵管，水泵設(shè)計流量為1.2m/s，換算成水泵管路的水頭損失僅為0.26m，遠(yuǎn)小于污水提升設(shè)計高度12.64m。由此得出，污水提升高度是水泵實(shí)際揚(yáng)程的決定因素，為影響污水提升能耗的關(guān)鍵，而污水提升后構(gòu)筑物的水面標(biāo)高正是通過損失計算的高程布置確定的，由此可見精確計算管渠阻力，合理預(yù)留構(gòu)筑物間高程差對于提升泵能耗有直接影響。另外，從平面布局角度講，一些構(gòu)筑物集中布置合建，可以有效降低全流程的水頭損失也是工程技術(shù)人員普遍接受的觀點(diǎn)。例如污泥濃縮池、調(diào)節(jié)池和初沉池關(guān)系密切，因此可以集中布置；混凝反應(yīng)池與沉淀池、反應(yīng)池與氣浮池或過濾池、格柵與沉砂池、多功能配水井與泵房等可以考慮合建[9]。這一舉措在有效降低土建費(fèi)用的同時，也可以有效降低水頭損失，可謂是水力優(yōu)化設(shè)計的一個典范。在日本的污水處理廠，初沉池、曝氣池、二沉池均采用方形平流式，且三池為一體，首尾相連，水流通暢，從而能夠最大限度地減小水頭損失。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(bǔ)償[10]。

2.2水泵的節(jié)能運(yùn)行

目前較為常用且效果明顯的節(jié)能技術(shù)是變頻流量調(diào)節(jié)技術(shù)和水泵優(yōu)化組合技術(shù)。

2.2.1水泵變頻運(yùn)行近些年來，變頻調(diào)速技術(shù)在污水處理廠中得到了廣泛應(yīng)用，通過對原有泵類設(shè)備進(jìn)行變頻技術(shù)改造，來實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗的目的。廣州經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)污水處理廠[11]引入了PLC控制和變頻技術(shù)，通過泵的合理調(diào)配，泵站的平均輸水效率從改造前的9m3/kW•h，提高到了13m3/kW•h，通過自動化改造采用變頻技術(shù)后，輸水效率又進(jìn)一步提高到17m3/kW•h，運(yùn)行人員從28人減少到12人，并使得進(jìn)入處理廠的污水的水質(zhì)和水量基本平穩(wěn)，進(jìn)一步降低了廠區(qū)內(nèi)的污水的處理成本，保證了水處理廠的正常運(yùn)行。文昌沙水質(zhì)凈化廠采用變頻調(diào)速技術(shù)對其兩臺污泥回流泵進(jìn)行技術(shù)改造，改造后日節(jié)電539.8/kW•h，節(jié)電率達(dá)到44%，年節(jié)電可達(dá)197027/kW•h（折合電費(fèi)約14萬元），7個月可回收全部投資。雖然有大量成功案例，但提升泵特定的管路特性決定了其調(diào)節(jié)的特殊性，其節(jié)能規(guī)律還有待進(jìn)一步研究。

2.2.2水泵優(yōu)化組合節(jié)能雖然變頻調(diào)速技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)高效的節(jié)能，但污水處理系統(tǒng)往往是多臺水泵并聯(lián)輸水，又由于變頻調(diào)速技術(shù)投資昂貴，不可能將所有水泵全部調(diào)速，而水泵優(yōu)化組合可以通過將不同臺數(shù)，不同運(yùn)行速度的水泵并聯(lián)運(yùn)行來滿足工況的變化。這種方式要求污水處理廠泵站內(nèi)大小水泵合理搭配，可以配合變頻調(diào)速技術(shù)，達(dá)到更好的節(jié)能效果。鄭州市中法原水公司對其輸水泵站進(jìn)行水泵組合節(jié)能改造后，在設(shè)計水位條件下運(yùn)行，滿足供水量的同時，平均能源單耗降低39%，即使在最不利的運(yùn)行條件下，平均能源單耗也能降低21.6%，節(jié)能效果明顯。

2.2.3穩(wěn)定水位為目標(biāo)的水泵優(yōu)化調(diào)度節(jié)能由于污水來流流量呈周期性波動，導(dǎo)致泵站水位呈現(xiàn)一定的波動性，某廠調(diào)查發(fā)現(xiàn)這種波動常達(dá)到最大提升高度的1/3[5]，顯然按最大提升高度選取揚(yáng)程的水泵將長期偏離最優(yōu)工況點(diǎn)運(yùn)行。在后續(xù)處理工藝允許的流量變動范圍內(nèi)，合理選泵并配合以穩(wěn)定水位為目標(biāo)的水泵優(yōu)化調(diào)度技術(shù)可獲得可觀的節(jié)能效益，目前這項(xiàng)技術(shù)正在研究之中。

3結(jié)論與建議

污水處理廠連接管渠的阻力精確計算和平面集中布置，對優(yōu)化高程布置，減小水泵提升高度具有重要意義，有必要對現(xiàn)行手冊和規(guī)范中預(yù)留的安全值進(jìn)行重新評估；水泵變頻技術(shù)在污水處理廠節(jié)能改造中取得了較好的節(jié)能效果，但在提升泵應(yīng)用領(lǐng)域，變頻節(jié)能規(guī)律尚需深入研究；在后續(xù)處理工藝允許的流量變動范圍內(nèi)，以穩(wěn)定水位為目標(biāo)的水泵優(yōu)化調(diào)度節(jié)能節(jié)能技術(shù)將有廣闊的發(fā)展空間。