上海木荣

城市污水处理是高能耗行业之一，污水处理的节能降耗将成为行业亟需解决的问题。

城市污水处理厂的能耗支出通常包括电能、燃料及药剂等方面，其中电耗占总能耗的60％一90％ClJ。电能的消耗主要用于污水污泥的提升、生物处理的供氧和混合搅拌、污泥的处理处置、附属建筑用电和厂区照明等方面。

考虑到今后发展的要求，或者为了抵抗工业废水和暴雨径流的冲击负荷，一般污水处理厂设计时都会预留一定的容量，在运行中反应器容积如全部在线，会导致活性污泥系统长期处于低负荷运行状态。如果负荷率能维持在正常水平的话，那么能量的利用率也可以提高。例如，在旱季时，如果污水厂的生物反应器有2个或2个以上在线时，建议对污水厂的运行情况进行分析，评价在停止其中一个运行后对污水厂的运行负荷是否会对出水造成影响，大部分污水厂在旱季减少反应器容积后仍能保持较好的处理效果。

生物反应器内能量的输入必须满足均匀混合和氧气传递的需要。如图1所示，最低能量输入值是保证污泥处于悬浮状态所需的能量，如果单位容积内能量输入超过最大需要值，活性污泥絮体会发生剪切作用而被破坏，从而影响污泥的沉降性能。表1提供了活性污泥系统能量输入的指导值.

许多处理厂的生物反应池会曝气过度，主要原因是缺乏自动调节系统，或者是为了保险起见。过度曝气直接导致了能耗的浪费，并会使污泥的沉降性变差。由图2可以看到，曝气池中的DO浓度从2 ms／L升高到5 ms／L，所需要消耗的能量增加了近一倍㈨。因为氧气溶解在水中的动力是氧浓度梯度，如果混合液中的DO越高，则浓度梯度越小，氧扩散速率越慢。最节能的方法是根据降解污水中有机物和硝化所需的最低需氧量进行供氧曝气，并维持稳定的DO浓度。对于一般的活性污泥系统，DO浓度值大约为1．2～2．5 mg／L。由于迸水有机负荷的不稳定，实际运行中，一般下午和傍晚的需氧量要比夜间和早晨的需氧量大，因此维持稳定DO浓度所需的鼓风量也要实时调整。

通过控制活性污泥的MCRT也可以实现节能的目的。一般丽言，在不需要进行硝化的反应器中，MCRT控制在6—10 d，在温度20。C时，基本能满足碳基BOD的去除效果；而有硝化要求的反应器中，MCRT一般至少需要8～10 d，才能出现硝化反应，当MCRT达到20 d以上时，硝化反应才能较完全。从能耗对比来看，不需要硝化脱氮的反应器的能耗比进行硝化反应的能耗可以节约30—40％。

根据美国1982年的统计数据№]，北美地区污水厂的曝气设备总能耗功率大约1．3×106 kW。曝气系统的能耗占活性污泥系统的污水处理厂总能耗的40一70％。因此，对曝气系统进行节能研究改造具有重要意义。

扩散曝气系统是目前使用最为普遍的充氧方式，曝气设备的充氧能力取决于多个因素，包括：氧曝气头类型，池体形状，扩散器安装深度，水温，环境大气压，曝气器设计以及污水的特征等。氧转移效率(OTE)是衡量曝气系统的重要指标，OTE的改善能有效提高能量利用效率。影响氧转移效率的的因素有水质特征、反应器水深、气泡直径、风量风速、扩散器密度以及曝气头的堵塞情况等。几种常见的扩散曝气设备的氧转移效率如图3所示。

OTE随着生物反应器中扩散器数量的增加而提高，有些污水厂在设计时根据反应池的尺寸来布置和安装曝气器；还有些污水厂采用将原有的粗孔曝气器更换为微孑L曝气器，这样也能大大提高用电效率。据某污水厂统计，全部更新所有的曝气头后每年能节约的电费为100 000美元，投资回收期为4年

对于维持混合液悬浮而言，也可以采用混合效率更高的其它专用设备(如潜水搅拌器等)来替代曝气设备，这样就可以关停曝气设备，大大减少能量需求。

与活性污泥工艺相关的水泵设施主要有初次或中途提升泵、污泥回流泵、剩余污泥泵和内回流泵。按照北美地区的运行经验，一般提升水头减少0．3 m，可以节约能耗成本O．0304美元(m3／d)。

对水泵的运行而言，可以采取如下措施来改善水泵效率：

1)泵运行时尽量保持在高效区间内(如应控制两台泵运行在额定流量90％，而不是三台泵运行在额定流量的60％)；

2)调节水位控制器，使水泵运行的启闭尽量减少，使出水水流稳定；

3)利用电容补偿(大型水泵)来改善功率因子；

4)如果水泵一直在低效区低负荷下运行，可以减小叶轮的尺寸；

5)对于定速水泵，当流量变化范围较大时，采用可调速电机或者多级变速电机驱动。

风机、水泵在水处理行业是经常使用的通用机械。以往，风机、水泵采用恒速交流电动机拖动，通过调节挡板或阀门开度大小来调节风量或流量，这势必造成电能的浪费。若利用变频调速技术，以调节电动机转速的方法取代调节挡板或阀门，则将达到节约电能目的。因为这类负载的输入功率和转速的3次方成正比，利用调速使流量减少，则异步电动机的输入电功率按立方规律下降，从而使耗电量大大降低，节能效果十分显著，达20％以上。

根据国内的工程实际运行数据表明，使用变频调速设备可使水泵平均转速比工频转速降低20％以上，综合节能效率可达20％一40％。与采用档板、阀门调节流量相比，可节能40％～60％。对于中小型的污水厂，一年左右就可收回投资成本。

根据统计，典型污水处理厂的电机运行所消耗的电力约占总电耗的90％左右。影响电机效率主要因素有供电电压、电机的尺寸、设计以及运行荷载等。一般高效电机的效率比普通电机高出8％左右，虽然高效电机的一次性投资比普通电机高10～15％，但在电机投入运行后，该部分投资的回收期很短，一般几个月或者数年就可回收增加的成本。因此，在新建污水厂设计或者污水厂升级改造工程中，应优先选用高效电机。

自动监测和控制是有效的节能工具。在污水处理中，最常用也是最有效的控制指标是DO浓度。从工艺角度看，DO浓度的监测，可以减少或避免过度曝气和不必要硝化反应；从设备运行的角度看，DO浓度可以调节机械曝气器的淹没深度，鼓风机的输出风量以及水泵的流量等，这些设备的运行工况对总能耗均具有重要影响。

DO传感器直接关系到DO控制系统的正常使用与控制精度。随着技术的进步，DO传感器可以做到连续自动清洗，而无需人工清洗维护，同时自动监测的精确度也大大提高，为节能与正常运行提供了保证。根据美国西雅图、华盛顿地区的污水厂的工程改造经验，升级改造中更换新的在线DO传感器的成本可以通过节能措施在3年内收回成本_1。

随着科技的进步和新设备新工艺的开发，污水厂的节能降耗的技术也在不断发展更新。污水厂的节能降耗是一项综合性工作，涉及到工艺、设备、电气及自控等多个环节，多学科的交叉和各种技术的融合是其发展的必然趋势。今后污水厂的节能技术应从设计、设备选型、运行管理控制、维修、升级改造等每个环节进行贯彻审核，以降低污水处理成本，减小用电量。在实践中还应建立能耗能效的管理评价体系，以检验节能降耗的成果，促进各项先进技术的改进、整合和推广。

污水生物处理能耗(主要用于曝气供氧)占总能耗的60％以上。所以曝气系统的降耗研究对整个污水厂的节能运行意义重大。

曝气过程是一个非常重要的过程，污水处理效果的好坏，直接取决于曝气池中的溶解氧浓度以及污水的混合程度。

(1)充氧，向活性污泥微生物提供足够的溶解氧，以满足其在代谢过程中所需的氧量。

(2)搅动、混合，使活性污泥在曝气池内处于剧烈搅动的悬浮状态，能够与废水充分接触。

生化反应中最常用的曝气系统——鼓风曝气主要包括：鼓风机、空气输送管道和曝气装置(空气扩散装置)。

所以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)两方面来进行。

曝气装置的选择主要应考虑下列因素：

(1)具有较高的氧利用率和动力效率，节能效果好；

(2)不易堵塞，出现故障易于排除，便于维护管理；

(3)结构简单，工程造价低。

下表是几种常用微孔曝气器的技术性能参数的比较。

由于价格低廉，现今的城市污水处理厂80％的曝气系统都在使用橡胶膜的盘式曝气头，随着应用的推广，这种曝气头其自身的一些缺陷也显露出来，首先，橡胶易老化，使用寿命较低，成膜原理较为局限，膜孔易堵塞，各项参数相对较低，能耗较高。

通过对橡胶膜、刚玉盘式曝气器和管式曝气器的材料，结构形式，技术性能等方面的分析比较，证明了管式曝气器在技术上的先进性和工程上的适用性。

大量的国外应用经验证明，管式曝气器具有通气量大，氧利用率高，服务面积大，阻力损失小，并能在长期运行中保持这些优良性能；它能提高生物处理效率，降低能耗，节约运行费用，是一种高效节能的微孔曝气器见图2。

管式曝气器的基本特征是在支撑管和布气层之间有空气通道，这对于曝气器稳定和可靠工程是必需的，可以形成沿曝气管路长度方向均匀布气，因此，曝气系统只需枝状布置，不需连成环状，从而减少管路长度，降低空气传输过程中的压力损失。

可见，单一的采用管式曝气器替换盘式曝气头，氧的利用率大致提高20％，可节省能耗15％～20％，以沈阳为例，现有城市污水处理厂100余万吨的能力，除凌空污水处理厂、西部污水处理厂采用管式曝气器外，其余大部分曝气系统都采用盘式曝气头，则每年仅此一项可节省能耗：80万×0．266kWh／ITl3×0．6×0．2=2．6×104kwh／d，按0．65元／kwh计，1年按330d运行计算，则可节省550余万元。

1.特制钢质连接件

2.内螺纹连接件

3.气体分布层

4.穿孔输气管

5.外螺纹连接件

6.堵头

7.气体分配层

8.间隙垫圈

对于溶解氧必须经过严格精确的计算，我们建议必须建立下列模式，从而控制曝气系统的能耗，其控制原理及效果见图6。

通过曝气池DO控制曝气系统的运行，节能效果也相当明显，如天津东郊污水处理厂采用溶解氧PI．C自动控制风量，可节省气量10％；日本有报道DO控制风量可节电10％---30％。