污水处理厂各单元能耗计算汇总，附节能降耗途径与措施 水圈

污水处理厂各单元能耗计算汇总，附节能降耗途径与措施 | 水圈

引言：

城镇污水处理厂电耗占总能耗的60%～90%，电能的消耗主要用在污水和污泥的提升、生物处理的供氧和回流、污泥的稳定和处理等方面

污水处理工艺通常分为预处理、生化处理、污泥处理这三个单元，每个处理单元的耗能情况不尽相同，需要针对每个单元的工艺运行特点选择相应的能耗计算方法对其能耗进行评估和预算。

一、预处理单元能耗计算

污水提升泵是污水处理厂预处理单元耗能最大的部分，其电耗约占全厂电耗的20%。该部分的能耗计算公式较少，形式也大同小异。

1）污水提升泵电耗的计算式：

 

式中：W表示电机实际电耗，kWh；

ρ为污水的密度，取1.0×103kg/m3；

g为重力加速度，取9.81m/s2；

Q为污水泵的实际流量，m3/s；

H为污水泵的实际工作扬程，m；

η1为水泵的效率，取0.65~0.85；

η2为电机的效率，取0.95。

2）提升泵能量估算公式：

 

式中：h为实际污水提升高度，m；
N为配用电机功率，kW；
r=ρg，取9.8×103N/m3。

式（1）和式（2）计算简便、准确，在实际工作中应用较为广泛。同时可以看出，上述提升泵的实际工作扬程对污水提升泵能耗计算影响较大。

可以通过降低泵扬程来节能降耗的措施。另外，采用变频控制方式控制泵房液位，可以提高泵的工作效率，保证稳定的进水。

二、生化处理单元能耗计算

污水处理过程中，生化处理阶段能耗最大的是曝气系统，约占总能耗的50%。曝气系统采用的曝气方式主要分为两类：鼓风曝气和表面曝气。

目前，比较常用的曝气方式是鼓风曝气。鼓风曝气的原理是将压缩空气通过管道系统送入池底的空气扩散装置，并以气泡的形式扩散到混合液中，使气泡中的氧迅速转移到液相供微生物需要。因而，要想确定实际运行中曝气系统的能耗利用效率，就要计算系统供气量和实际需氧量之间的关系。

1）两者之比越趋近于1越好，过大耗能较大，过小反而导致出水不达标。根据曝气池供气量GS=R0/0.3EA，延克军给出了简化的供气量计算式：

鼓风曝气：

 

表面曝气：

 

式中：α=0.8~0.85；β=0.9~0.97；
EA为氧转化效率；
R为任意状态下的需氧量，m3/h。

式（3）和式（4）简化了繁琐的计算环节。在混合液温度为15~30℃时，采用上述公式比较简单，且可使混合液溶解氧浓度保持在1.5~2.0mg/L。

2）然而，对于其他条件下供气量的计算不适用。鉴于上述公式的条件限制，综合表面曝气和鼓风曝气装置竖向位置不同带来的影响，《给水排水设计手册》给出了实际传氧速率N的换算公式：

鼓风曝气：

 

表面曝气：

 

式中：N0为标准传氧速率，kg/h；
CO为混合液剩余DO值，一般用2mg/L；
T为混合液温度，一般为5~30℃；
Csm是清水平均溶解氧值，mg/L；
Csw是清水表面处饱和溶解氧，mg/L；

Csm和Csw可以相互换算：

 

式中：Qt为曝气池逸出气体中含氧量百分率；
Pb为装曝气装置处的绝对压力，kg/cm2。

该公式的精度较低，适用于准确度要求不高的工程计算。

（7）的修正公式为：

 

采用式（7）计算时，鼓风机功率及曝气装置数量均大于采用式（8）的计算值，将造成工程投资及运行费用的增加。采用修正后的计算公式，大大降低了工程投资及运行费用。

实际工程设计中可根据供气量和风压值计算鼓风机功率：

 

式中：Qt为曝气池逸出气体中含氧量百分率；
Pb为装曝气装置处的绝对压力，kg/cm2；
Pa为当地大气压力，kg/cm2；
P为鼓风机计算功率，kW；
n为风机效率，一般取0.7~0.8；
P′为鼓风机出日计算升压，kg/cm2；
W为鼓风机消耗的电能，kWh；
t为鼓风机工作的时间，h。

公式（8）对于平原地区的工程计算是通用的，应用也较为广泛。

平原地区和高原地区的（标准大气压）供气量计算式：

平原地区：

 

高原地区：

 

式中：GS为供气量，m3/h；
R0为20℃条件下脱氧清水的充氧量，kg/h；
EA为氧转移效率。

通过供气量计算公式可以看出，供气量的计算原理相差不大，但在不同工程中的计算效率和准确度却不同。在实际工程设计和测量中，需根据实际情况选择合适的公式。
三、污泥处理单元能耗计算

污泥处理是城镇污水处理过程中的最后一个单元。该阶段耗能大约占污水厂运行全部能耗的11%，其能耗主要体现在污泥、药和设备三个方面。因而，该部分的耗能不容忽视，其能耗的大小主要由污泥产量的多少决定。

1）每日增长的挥发性污泥量的计算式：

 

式中：ΔX为每日增长的挥发性污泥量，kg/d；
Y为产率系数；
Kd为衰减系数，d-1；
Q为每日处理污水量，m3/d；Sa为进入曝气池的污水中含有有机污染物的浓度，kg/m3；
Se为经生化处理后水中残留的有机污染物的浓度，kg/m3；
V为生化池的有效容积，m3；Xv为混合液中挥发性悬浮固体量，kg/m3。

系统剩余污泥量的计算式：

 

式中：YH为异养微生物的增殖率，取0.5~0.6；
bH为异养微生物的内源呼吸速率，bH=0.08d-1；
fTH为温度修正系数；
YSS为不能水解的悬浮固体率；
Sin和Sout分别为反应池进水和出水的悬浮固体浓度。

式（13）和式（14）计算详细，准确度高。然而由于公式中的变量较多，且中间系数不易取得，应用范围受到限制。

2）为了更好地计算污泥量，可以采用干污泥量计算公式：

 

式中：S为干泥量，t/h；
C0为原水浊度设计取值，NTU；
K1为原水浊度单位NTU与悬浮物SS单位mg/L的换算系数，应经过实测确定；
D为药剂投加量，mg/L；
K2为药剂转化成泥量的系数。

式（15）计算准确、简便，应用较多，尤其适用于污水厂排泥系统的设计应用。污泥脱水作为污泥处理的关键技术，其电耗计算式为：

 

式中：W为水泵及电机节约电耗，kWh；
tds为脱水的干固体重量，t/h；t3为脱水机每天工作时间，h；
b为比能耗，kWh/tds。

式（16）计算简便，变量少且易于取得，应用起来较为方便，更适合污泥处理阶段电能的估算。

四、预处理单元节能途径与措施
进水泵是预处理单元最大的耗能设备，是该单元节能的关键设备。
污水提升泵的节能应综合考虑整个提升系统，主要包括：
◎污水提升泵的节能；
◎正确科学地选择水泵，使其在高效率下工作；
◎合理利用地形，通过减小污水的提升高度来降低水泵的轴功率；
◎定期对水泵进行维护，减少摩擦也可以降低电耗等。
1）合理选择进水泵
污水提升泵的节能应综合考虑整个提升系统，必须将水泵系统和管道系统结合起来，根据系统的特性来选择合适的水泵。
由于污水量往往随着季节、天气、用水时间等不断变化，因此选择的水泵必须满足系统输送最大流量的需求。但从经济的角度考虑，采用最大流量选取的水泵实际上全速运转的时间不超过10%，大部分时间内水泵处于低效运转。
因此，为了使水泵处于高效工作状态，应根据管道系统的特性曲线选择合适的水泵。
2）合理选择电机
水泵电机不能将所有输入的能量转变成机械能，电机输出的机械能与使用电能的比值称为电机效率。电机效率一般为70%～96%，电机在低负荷 下工作一般效率较低。
选择与水泵负荷相匹配动力的电机对于保持电机的高效运转非常重要。
通常选择大功率的电机来满足额外负荷的需求，而大功率的电机在低负荷下的工作效率都比较低。由于无功电流的增加，功率因数下降，电机在负荷≥75%的条件下工作其效率比较高，而在50%的负荷下工作其效率较低。
最近几年高效率的电机有了新的发展，但价格比较昂贵，费用比标准电机高15%～25%。
通常，由于其运行费用较低，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，在污水处理厂新建设计或升级改造工程中，应优先选用高效电机。
3）合理降低水泵扬程
为了达到节能效果，降低水泵扬程可采取如下措施：
◎设计高程时，尽量做到一次提升，避免多次提升污水。尽量利用重力流、自流经过处理构筑物，避免由于多次反复提升带来的能量消耗。
◎设计构筑物的进、出水口形式和管道之间的连接方式时，要合理选用设备的型式，减少处理流程的水头损失。各构筑物和管线的布置应紧凑、简洁，避免不必要的拐弯和长距离输送，这既可以减少水头损失，又可以降低污水一级提升泵的扬程，这将大大降低电能消耗。
◎改固定堰为可调堰，非淹没堰为淹没堰，落差可由35-40cm减少到10cm。
◎充分考虑构筑物的特征和构筑物之间的相互关系，合理集中布置某些构筑物，如污泥浓缩池与调节池或初沉池集中。
◎当实际条件允许时，可把某些处理单元合建，如中和反应池与沉淀池，反应池与气浮池或滤池，调节池与浓缩池，格栅与沉砂池等，以此降低土建工程量。一些国家总水位差比较小，如日本，关键在于初沉池、曝气池、二沉池都采用方形平流式，三池合建，首尾相连，水流通畅，最大限度减小了水头损失。
◎在平面设计时，充分考虑构筑物的特征与构筑物之间的相互关系，合理集中布置某些构筑物，如把污泥浓缩池与调节池或初沉池集中，节省土地资源，减少水力输送环节，降低能耗。
4）定期维护及检修
定期对系统进行检修，消除阀门、管线、水泵内的结垢，保证管线不渗漏；定期维护皮带、齿轮、轴承和过滤器，防震和隔热也是水泵节能的有效措施。
水泵像其他机械设备一样，随运行时间的延长磨损不断加大，流量和泵扬程也会有所下降，及时维护与检修尽管增加了额外的检修费用，但检修后通过消除水泵结构的表面粗糙度可提高水泵的效率，使水泵保持高效工作。
四、二级处理单元节能途径与措施

二级处理单元的能耗主要集中在鼓风机、搅拌器和内外回流泵上。其中，鼓风机是全厂最大的耗能处理单元，因而对于二级处理单元及全厂的节能重点应该在鼓风机的节能降耗上。
1）鼓风机的合理选型
鼓风机选型时，首先应具有充足的压力，鼓风机向曝气池充氧，必须克服管路阻力、曝气池液位高程及曝气头堵塞、水位变化等带来的额外阻力。
风机流量是风机选型的关键参数，在小流量范围内，一般罗茨鼓风机的成本最低，性价比较好；在中流量范围内，多级离心风机成本比罗茨鼓风机稍高，但是其能耗低、效率高，性价比较好；在大流量范围内，单级离心风机成本最低，能耗也最低。
在风机选型时应综合考虑风量、压力、经济性等参数，尽量采用高效鼓风机。
2）曝气量的精确控制
     目前绝大部分污水厂的曝气调节方式由人工调节曝气立管的阀门开度，控制精度不高而且劳动强度较大。
精确曝气流量控制系统是一套集成的智能控制系统，为曝气系统提供自动化、精确化的曝气解决方案。
精确曝气控制系统采用生物处理模型计算当前的曝气需要量，并按照该气量进行精确控制，曝气控制系统会连续检测曝气量，及时检测系统中压力的微小变化，控制系统及时进行调整。
六、污泥处理单元节能途径与措施

污泥处理单元的节能重点应该在污泥进泥泵及污泥浓缩机的节能降耗上。对于进泥泵的节能，可参考进水泵的节能措施。
以现阶段污泥处理系统情况看，要想减少污泥脱水系统的能耗，可从以下3方面入手：
◎选择高效絮凝剂，确定最佳投加量；
◎精心操作，科学调整各环节之间关系，使压滤机高效运转，降低泥饼含水率，达到减少电耗、用水量，降低运输费用；
◎工作人员严格操作维护规程，以降低检修费用。
其实，要想从根本上达到节能目的，在污泥处理过程中，还可通过如下几个主要方面来进行节能。
1）选择高效低能耗设备
从能耗角度来看，带式压滤机能耗相对较少，但带式压滤机比板框压滤机易发生堵塞。带式浓缩脱水一体机浓缩和脱水一体化，无需设污泥浓缩池及搅拌设备，减少来占地面积，自来水耗量小，能耗较低。
卧螺沉降离心脱水机占地少，采用封闭式系统，运行条件好，设备磨损率低，运行费用较低。
2）厌氧沼气的利用
污水的厌氧处理和污泥的厌氧消化可产生甲烷沼气，体积约占60%。把产生的沼气送至锅炉房燃烧，可用于消化池加温、污水厂取暖等，同时沼气还可用于发电可回收大量电能，一般大中型城市污水二级处理厂的沼气发电量可补偿全厂用电量的30&，降低了污水厂电能消耗及运行费用。