1、污水處理工藝

污水處理的主要工藝有A/O工藝、A2/O工藝、氧化溝工藝、SBR工藝及由此引發(fā)出來的其他改進(jìn)工藝。

市政污水處理廠的一般流程是：進(jìn)水→粗格柵→污水提升泵站→細(xì)格柵→沉砂池→初次沉淀池→好氧活性污泥處理→二次沉淀池→消毒池→出水。

污水處理通?？煞譃轭A(yù)處理、生化處理和污泥處理三個(gè)單元，見圖2。

預(yù)處理單元包括格柵、提升泵、沉砂池等，主要用于污水的提升及渣、沙等的去除，為生化處理創(chuàng)造條件。生化處理單元主要包括曝氣系統(tǒng)、回流系統(tǒng)和二次沉淀池，用于有機(jī)物、氨氮等的去除。污泥處理單元包括濃縮機(jī)、脫水機(jī)、出泥泵等，將剩余污泥脫水外運(yùn)。

不同處理單元的構(gòu)造和運(yùn)行模式不同，因而其能耗計(jì)算就需要根據(jù)能耗分布特點(diǎn)選擇合適的方法。

2、能耗分布

市政污水處理廠消耗的能源主要包括電能、燃料及藥劑等潛在能源。其中，電耗占總能耗的60%～90% 。

電能的消耗主要用在污水和污泥的提升、生物處理的供氧和回流、污泥的穩(wěn)定和處理等方面。不同地區(qū)、不同規(guī)模污水處理廠處理單元的能耗分布見表1。

由表1可知，生化處理是污水廠能量消耗的主要部分。其中，鼓風(fēng)曝氣能耗最大，一般約占到50%；污水提升過程也是能量消耗的重要環(huán)節(jié)，其能耗約占全廠能耗的20%。

因此，污水提升和鼓風(fēng)曝氣是需要重點(diǎn)關(guān)注的節(jié)能環(huán)節(jié)。有效降低污水處理能耗，首先要對(duì)耗能分布、耗能量進(jìn)行調(diào)查分析，并根據(jù)不同的處理階段選取相應(yīng)的能耗計(jì)量方法進(jìn)行評(píng)估；最終，結(jié)合不同階段的能耗特點(diǎn)給出行之有效的調(diào)整方案。因而，污水廠的節(jié)能應(yīng)該從各處理單元與設(shè)備中挖掘并進(jìn)行優(yōu)化配置。

污水處理工藝通常分為預(yù)處理、生化處理、污泥處理這三個(gè)單元，每個(gè)處理單元的耗能情況不盡相同，需要針對(duì)每個(gè)單元的工藝運(yùn)行特點(diǎn)選擇相應(yīng)的能耗計(jì)算方法對(duì)其能耗進(jìn)行評(píng)估和預(yù)算。

1、預(yù)處理單元

污水提升泵是污水處理廠預(yù)處理單元耗能最大的部分，其電耗約占全廠電耗的20%。該部分的能耗計(jì)算公式較少，形式也大同小異。

1）污水提升泵電耗的計(jì)算式：

式中：W表示電機(jī)實(shí)際電耗，kWh；

ρ為污水的密度，取1.0×103kg/m3；

g為重力加速度，取9.81m/s2；

Q為污水泵的實(shí)際流量，m3/s；

H為污水泵的實(shí)際工作揚(yáng)程，m；

η1為水泵的效率，取0.65~0.85；

η2為電機(jī)的效率，取0.95。

2）提升泵能量估算公式：

式中：h為實(shí)際污水提升高度，m；
N為配用電機(jī)功率，kW；
r=ρg，取9.8×103N/m3。

式（1）和式（2）計(jì)算簡便、準(zhǔn)確，在實(shí)際工作中應(yīng)用較為廣泛。同時(shí)可以看出，上述提升泵的實(shí)際工作揚(yáng)程對(duì)污水提升泵能耗計(jì)算影響較大。

可以通過降低泵揚(yáng)程來節(jié)能降耗的措施。另外，采用變頻控制方式控制泵房液位，可以提高泵的工作效率，保證穩(wěn)定的進(jìn)水。

2、生化處理單元

污水處理過程中，生化處理階段能耗最大的是曝氣系統(tǒng)，約占總能耗的50%。曝氣系統(tǒng)采用的曝氣方式主要分為兩類：鼓風(fēng)曝氣和表面曝氣。

目前，比較常用的曝氣方式是鼓風(fēng)曝氣。鼓風(fēng)曝氣的原理是將壓縮空氣通過管道系統(tǒng)送入池底的空氣擴(kuò)散裝置，并以氣泡的形式擴(kuò)散到混合液中，使氣泡中的氧迅速轉(zhuǎn)移到液相供微生物需要。因而，要想確定實(shí)際運(yùn)行中曝氣系統(tǒng)的能耗利用效率，就要計(jì)算系統(tǒng)供氣量和實(shí)際需氧量之間的關(guān)系。

1）兩者之比越趨近于1越好，過大耗能較大，過小反而導(dǎo)致出水不達(dá)標(biāo)。根據(jù)曝氣池供氣量GS=R0/0.3EA，延克軍給出了簡化的供氣量計(jì)算式：

鼓風(fēng)曝氣：

表面曝氣：

式中：α=0.8~0.85；β=0.9~0.97；
EA為氧轉(zhuǎn)化效率；
R為任意狀態(tài)下的需氧量，m3/h。

式（3）和式（4）簡化了繁瑣的計(jì)算環(huán)節(jié)。在混合液溫度為15~30℃時(shí)，采用上述公式比較簡單，且可使混合液溶解氧濃度保持在1.5~2.0mg/L。

2）然而，對(duì)于其他條件下供氣量的計(jì)算不適用。鑒于上述公式的條件限制，綜合表面曝氣和鼓風(fēng)曝氣裝置豎向位置不同帶來的影響，《給水排水設(shè)計(jì)手冊(cè)》給出了實(shí)際傳氧速率N的換算公式：

鼓風(fēng)曝氣：

表面曝氣：

式中：N0為標(biāo)準(zhǔn)傳氧速率，kg/h；
CO為混合液剩余DO值，一般用2mg/L；
T為混合液溫度，一般為5~30℃；
Csm是清水平均溶解氧值，mg/L；
Csw是清水表面處飽和溶解氧，mg/L；

Csm和Csw可以相互換算：

式中：Qt為曝氣池逸出氣體中含氧量百分率；
Pb為裝曝氣裝置處的絕對(duì)壓力，kg/cm2。

該公式的精度較低，適用于準(zhǔn)確度要求不高的工程計(jì)算。

（7）的修正公式為：

采用式（7）計(jì)算時(shí)，鼓風(fēng)機(jī)功率及曝氣裝置數(shù)量均大于采用式（8）的計(jì)算值，將造成工程投資及運(yùn)行費(fèi)用的增加。采用修正后的計(jì)算公式，大大降低了工程投資及運(yùn)行費(fèi)用。

實(shí)際工程設(shè)計(jì)中可根據(jù)供氣量和風(fēng)壓值計(jì)算鼓風(fēng)機(jī)功率：

式中：Qt為曝氣池逸出氣體中含氧量百分率；
Pb為裝曝氣裝置處的絕對(duì)壓力，kg/cm2；
Pa為當(dāng)?shù)卮髿鈮毫?，kg/cm2；
P為鼓風(fēng)機(jī)計(jì)算功率，kW；
n為風(fēng)機(jī)效率，一般取0.7~0.8；
P′為鼓風(fēng)機(jī)出日計(jì)算升壓，kg/cm2；
W為鼓風(fēng)機(jī)消耗的電能，kWh；
t為鼓風(fēng)機(jī)工作的時(shí)間，h。

公式（8）對(duì)于平原地區(qū)的工程計(jì)算是通用的，應(yīng)用也較為廣泛。

平原地區(qū)和高原地區(qū)的（標(biāo)準(zhǔn)大氣壓）供氣量計(jì)算式：

平原地區(qū)：

高原地區(qū)：

式中：GS為供氣量，m3/h；
R0為20℃條件下脫氧清水的充氧量，kg/h；
EA為氧轉(zhuǎn)移效率。

通過供氣量計(jì)算公式可以看出，供氣量的計(jì)算原理相差不大，但在不同工程中的計(jì)算效率和準(zhǔn)確度卻不同。在實(shí)際工程設(shè)計(jì)和測(cè)量中，需根據(jù)實(shí)際情況選擇合適的公式。

3、污泥處理單元

污泥處理是污水處理廠過程中的最后一個(gè)單元。該階段耗能大約占污水廠運(yùn)行全部能耗的11%，其能耗主要體現(xiàn)在污泥、藥和設(shè)備三個(gè)方面。因而，該部分的耗能不容忽視，其能耗的大小主要由污泥產(chǎn)量的多少?zèng)Q定。

1）每日增長的揮發(fā)性污泥量的計(jì)算式：

式中：ΔX為每日增長的揮發(fā)性污泥量，kg/d；
Y為產(chǎn)率系數(shù)；
Kd為衰減系數(shù)，d-1；
Q為每日處理污水量，m3/d；Sa為進(jìn)入曝氣池的污水中含有有機(jī)污染物的濃度，kg/m3；
Se為經(jīng)生化處理后水中殘留的有機(jī)污染物的濃度，kg/m3；
V為生化池的有效容積，m3；Xv為混合液中揮發(fā)性懸浮固體量，kg/m3。

系統(tǒng)剩余污泥量的計(jì)算式：

式中：YH為異養(yǎng)微生物的增殖率，取0.5~0.6；
bH為異養(yǎng)微生物的內(nèi)源呼吸速率，bH=0.08d-1；
fTH為溫度修正系數(shù)；
YSS為不能水解的懸浮固體率；
Sin和Sout分別為反應(yīng)池進(jìn)水和出水的懸浮固體濃度。

式（13）和式（14）計(jì)算詳細(xì)，準(zhǔn)確度高。然而由于公式中的變量較多，且中間系數(shù)不易取得，應(yīng)用范圍受到限制。

2）為了更好地計(jì)算污泥量，可以采用干污泥量計(jì)算公式：

式中：S為干泥量，t/h；
C0為原水濁度設(shè)計(jì)取值，NTU；
K1為原水濁度單位NTU與懸浮物SS單位mg/L的換算系數(shù)，應(yīng)經(jīng)過實(shí)測(cè)確定；
D為藥劑投加量，mg/L；
K2為藥劑轉(zhuǎn)化成泥量的系數(shù)。

式（15）計(jì)算準(zhǔn)確、簡便，應(yīng)用較多，尤其適用于污水廠排泥系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)用。污泥脫水作為污泥處理的關(guān)鍵技術(shù)，其電耗計(jì)算式為：

式中：W為水泵及電機(jī)節(jié)約電耗，kWh；
tds為脫水的干固體重量，t/h；t3為脫水機(jī)每天工作時(shí)間，h；
b為比能耗，kWh/tds。

式（16）計(jì)算簡便，變量少且易于取得，應(yīng)用起來較為方便，更適合污泥處理階段電能的估算。

以某污水處理廠數(shù)據(jù)為例，根據(jù)參數(shù)采集情況，選擇適合的前述公式進(jìn)行能耗計(jì)算。該污水處理廠一期工程2010年開始投入使用，采用A/O工藝對(duì)污水進(jìn)行生物處理后再經(jīng)人工濕地生態(tài)處理。處理污水主要來源于綜合生活污水和部分工業(yè)廢水。日處理規(guī)模為1.5萬m3/d。

下面結(jié)合該廠的相關(guān)運(yùn)行參數(shù)，分別從預(yù)處理、生化處理、污泥處理三個(gè)單元給出能耗計(jì)算結(jié)果。

1、預(yù)處理單元單泵參數(shù)如下：

設(shè)計(jì)流量Q=320m3/h=0.09m3/s，水泵實(shí)際揚(yáng)程H=3m，取η1=0.7，η2=0.95。

正常運(yùn)行時(shí)，平均日工作時(shí)2臺(tái)泵工作，最大日工作時(shí)3臺(tái)泵工作，雨季4臺(tái)泵同時(shí)工作。取平均日工作時(shí)（8h）為例，應(yīng)用式（1）計(jì)算能耗，計(jì)算結(jié)果為624.7845kWh。

2、生化處理單元鼓風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)如下：

流量GS=20.8m3/min=1248m3/h，升壓P′=60kPa=0.61kg/cm2，風(fēng)機(jī)效率n=0.88。

正常運(yùn)行時(shí)，通過生化池內(nèi)的溶解氧濃度控制風(fēng)機(jī)的開啟臺(tái)數(shù)，多數(shù)情況是3用1備，應(yīng)用式（9）和式（10）計(jì)算電耗，計(jì)算結(jié)果為2391.8kWh。

3、污泥處理單元

污泥處理采用帶式濃縮脫水一體機(jī)（1臺(tái)）進(jìn)行脫水，每天工作6h。其脫水的污泥干重tds=7.50t/h，比能耗b=3.07kWh/tds，脫水機(jī)每天工作時(shí)間t3=10h。

正常運(yùn)行時(shí)，通過生化池內(nèi)的溶解氧濃度控制風(fēng)機(jī)的開啟臺(tái)數(shù)，多數(shù)情況是3用1備，應(yīng)用式（16）計(jì)算電耗，計(jì)算結(jié)果為230.25kWh。

計(jì)算能耗與實(shí)際能耗的對(duì)比結(jié)果如下：

由表2可以看出，計(jì)算能耗和實(shí)際能耗稍有差別。首先，預(yù)處理單元中，提升泵能耗的計(jì)算值比實(shí)際值偏小些。

這是由于計(jì)算過程中水泵的效率 η1 和電機(jī)的效率 η2 取的實(shí)際工程計(jì)算中常用的固定值導(dǎo)致的。在實(shí)際工程計(jì)算中，如果能較為準(zhǔn)確地知道其確定值，可更準(zhǔn)確地計(jì)算其能耗值。

其次，生化處理單元中，鼓風(fēng)機(jī)能耗的計(jì)算比實(shí)際值偏大些，這是由于計(jì)算過程中的參數(shù)值大多使用的是設(shè)計(jì)值（高于實(shí)際值）。由于表2中的實(shí)際能耗是根據(jù)全廠日平均能耗與各部分耗能比例計(jì)算而得，因而計(jì)算值和實(shí)際值出現(xiàn)微小的偏差是正常的。通過對(duì)比相同條件下污水處理各單元實(shí)際耗能情況和正常耗能情況的差距，尋找最具調(diào)控潛力的耗能設(shè)備，進(jìn)行調(diào)控。

由表2可知，該污水廠最具調(diào)控潛力的耗能設(shè)備是生化處理單元的鼓風(fēng)機(jī)。鑒于不同季節(jié)的污染物構(gòu)成及其成分比重不同，尤其是有機(jī)物的濃度相差較大，冬季高于夏季，春、秋介于冬夏之間。當(dāng)有機(jī)物濃度發(fā)生變化時(shí)，應(yīng)根據(jù)有機(jī)物的實(shí)際需氧量調(diào)整曝氣量的大小。該廠處于北方地區(qū)，冬季降水較少，日污水處理量變動(dòng)小，可適當(dāng)調(diào)整污水提升范圍，減少能耗。