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營費用中一般可占到40%以上[1]，通過對我國559座污水處理廠的能耗數據進行分析統計，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達國家相比基本一致。但是，這些國家在進行能耗統計時，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節。可見我國污水處理廠平均電耗仍處于較高消耗水平，存在很大的節能空間。

1污水提升能耗的調查案例

[5]2008年1~6月對某污水處理廠電量數據進行了統計分析，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、鼓風機房、污水跨越、污水提升及其它設備（格柵、刮泥機、砂水分離機等），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%，比除鼓風機房以外的其它水處理設備的能耗總和還高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系

典型污水處理廠工藝流程（見圖2），污水經提升泵提升以后，以重力流的狀態依次經過各處理構筑物，最終排入水體。水力計算以接納水體的最高水位作為起點，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筑物，從而確定污水提升泵所需揚程，并依此來選擇水泵，建設泵房[6]。水頭損失包括各處理構筑物內部流動的水頭損失，兩構筑物間連接管渠的水頭損失，計量設備的水頭損失。目前，我國污水處理廠高程設計大多依據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，導致構筑物出口堰后大落差跌水現象普遍存在，造成提升能量浪費。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。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，水泵設計流量為1.2m/s，換算成水泵管路的水頭損失僅為0.26m，遠小于污水提升設計高度12.64m。由此得出，污水提升高度是水泵實際揚程的決定因素，為影響污水提升能耗的關鍵，而污水提升后構筑物的水面標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，合理預留構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人員普遍接受的觀點。例如污泥濃縮池、調節池和初沉池關系密切，因此可以集中布置；混凝反應池與沉淀池、反應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用的同時，也可以有效降低水頭損失，可謂是水力優化設計的一個典范。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電效益得到補償[10]。

2.2水泵的節能運行

目前較為常用且效果明顯的節能技術是變頻流量調節技術和水泵優化組合技術。

2.2.1水泵變頻運行近些年來，變頻調速技術在污水處理廠中得到了廣泛應用，通過對原有泵類設備進行變頻技術改造，來實現節能降耗的目的。廣州經濟技術開發區污水處理廠[11]引入了PLC控制和變頻技術，通過泵的合理調配，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后，輸水效率又進一步提高到17m3/kW•h，運行人員從28人減少到12人，并使得進入處理廠的污水的水質和水量基本平穩，進一步降低了廠區內的污水的處理成本，保證了水處理廠的正常運行。文昌沙水質凈化廠采用變頻調速技術對其兩臺污泥回流泵進行技術改造，改造后日節電539.8/kW•h，節電率達到44%，年節電可達197027/kW•h（折合電費約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節的特殊性，其節能規律還有待進一步研究。

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

2.2.3穩定水位為目標的水泵優化調度節能由于污水來流流量呈周期性波動，導致泵站水位呈現一定的波動性，某廠調查發現這種波動常達到最大提升高度的1/3[5]，顯然按最大提升高度選取揚程的水泵將長期偏離最優工況點運行。在后續處理工藝允許的流量變動范圍內，合理選泵并配合以穩定水位為目標的水泵優化調度技術可獲得可觀的節能效益，目前這項技術正在研究之中。

3結論與建議

污水處理廠連接管渠的阻力精確計算和平面集中布置，對優化高程布置，減小水泵提升高度具有重要意義，有必要對現行手冊和規范中預留的安全值進行重新評估；水泵變頻技術在污水處理廠節能改造中取得了較好的節能效果，但在提升泵應用領域，變頻節能規律尚需深入研究；在后續處理工藝允許的流量變動范圍內，以穩定水位為目標的水泵優化調度節能節能技術將有廣闊的發展空間。