1 能耗分析
城市污水處理廠消耗的能源主要包括電、燃料及藥劑等潛在能源，其中電耗占總能耗的60%～90%，具體電耗分布情況因工藝和管理水平的不同而有差異(見表1)。
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表1 部分城市污水廠電耗情況
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廠名
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規(guī)模(104m3/d)
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處理等級
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電耗(kW·h/m3)
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備注
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上海西區(qū)污水廠
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1.2
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2
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0.218
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無消化
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上海曹楊污水廠
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2.0
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2
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0.232
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上海東區(qū)污水廠
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4.5~5.0
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2
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0.335
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太原北郊污水廠
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1.4
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2
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0.255
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有消化
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根據(jù)資料分析不難得出以下結論：
、 污水處理電耗占全廠總電耗的50%～80%，污泥處理僅占15%～40%，可見污水處理是處理廠耗電大戶，自然也就是節(jié)能重點。其中又以提升泵、風機為重中之重。
、 表1列出4個污水廠均為老廠，無污泥脫水等工藝，處理單位污水耗電量約0.262 kW·h/m3，從表面上看與日本全國平均0.260 kW·h/m3 相近，比美國0.20 kW·h/m3稍高。但仔細分析就會發(fā)現(xiàn)：日本沉砂池普遍有洗砂、通風、脫臭等，約耗電0.01 kW·h/m3；美、日兩國普遍對出水進行消毒處理，該項電耗約0.002 kW·h/m3；美、日兩國對污泥都進行消化、脫水、焚燒處理，美國還進行氣浮處理，約耗電0.05～0.1 kW·h/m3，而回收的能源均未計算在內(nèi)。另外，美、日兩國自控設備比我們多，照明空調(diào)等耗電也比我們多不少？梢娎蠌S節(jié)能問題十分突出，潛力巨大。
2 提升泵的節(jié)能
提升泵的電耗一般占全廠電耗的10%～20%，是污水廠的節(jié)能重點。提升泵的節(jié)能首先應從設計入手，進行節(jié)能設計；對于已投產(chǎn)的污水廠，仍能通過加強管理或更換部分設備進行節(jié)能。
2.1 精確計算水頭損失，合理確定泵揚程
從泵的有效功率NU=γQH可以看出當γ、Q一定時，NU與H呈正比，因此降低泵揚程節(jié)能效果顯著。如天津東郊污水廠總水位差4.5m，小于紀莊子污水廠的6 m，僅此一項每年即可節(jié)電100×10.4kW·h。然而，目前進行污水廠設計時，水頭損失估算普遍偏高，導致泵揚程計算值偏高。在日本一般污水廠總水位差僅2.0 m左右，可見我們的差距還很大。
降低泵揚程可采取以下措施：
① 總體布置要緊湊。連接管路要短而直，盡量減小水頭損失。
、 改非淹沒堰為淹沒堰，落差可由35～40cm減少到10cm。
③ 日本總水位差小的關鍵在于初沉池、曝氣池、二沉池均采用方形平流式，三池為一體，首尾相連，水流通暢，從而最大限度地減小了水頭損失。雖然造價比輻流式要高一些，但其差價很快可以從節(jié)電效益得到補償。平流式沉淀池在我國應用較少，主要原因是刮泥設備不過關，近年來環(huán)保設備技術水平有了長足進步，所以平流式沉淀池應用前景廣闊。
2.2 流量調(diào)節(jié)方式
污水廠進水量往往隨時間、季節(jié)波動，如果按目前通行的以最大流量作為選泵依據(jù)，水泵全速運轉(zhuǎn)時間將不超過10%，大部分時間都無法高效運轉(zhuǎn)，造成能源浪費。
由軸功率N=NU/η1(η1為泵運行效率)可以看出，一定流量揚程下NU是一定的，而泵的軸功率直接由η1決定，所以應選擇合適調(diào)控方式，合理確定泵流量，以保證泵始終高效運轉(zhuǎn)。
2.2.1 轉(zhuǎn)速加臺數(shù)控制方式
目前國外大型污水廠普遍采用轉(zhuǎn)速加臺數(shù)控制方法，定速泵按平均流量選擇，定速運轉(zhuǎn)以滿足基本流量的要求；調(diào)速泵變速運轉(zhuǎn)以適應流量的變化，流量出現(xiàn)較大波動時以增減運轉(zhuǎn)臺數(shù)作為補充。但是由于泵的特性曲線高效段范圍不是很大，這就決定了對于調(diào)速泵也不可能將流量調(diào)到任意小，而仍能保持高效。四種調(diào)速方法效率-轉(zhuǎn)速關系如圖1。
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2.2.2 其它調(diào)節(jié)方式
除調(diào)速外還有一些流量調(diào)節(jié)方式，不需添置設備，只需加強管理，就可很快收到可觀效益。
、 機構調(diào)節(jié)
主要指水量出現(xiàn)大的波動時關閉或開啟出水閘，這樣雖然會增大水頭損失，但因N-Q曲線為上升曲線，所以還是有一定節(jié)能作用的。
、 運行方式調(diào)節(jié)
一般可以很簡單地采用隨進水量增減臺數(shù)的方法進行，通過縮短運行時間達到節(jié)能目的。這一點在各廠都已采用，但要注意對于大型水泵，因為啟動電流很大，所以應盡量避免頻繁啟動。
、 調(diào)整改造
離心式水泵都配有一系列直徑的葉輪，可簡單地通過更換葉輪使水泵適應低于額定流量的流量。另外，在確認流量為恒定低流量后，還可以采用切削葉輪的方法。
2.3 選用高效電機及傳動裝置
泵系統(tǒng)電耗 W=t NU/(η1η2η3)
式中 η2、η3--傳動效率和電機效率
t --- 運行時間
因此可從η2、η3入手，采用高效電機進行節(jié)能。
高效電機沒有一個準確定義，一般效率比常規(guī)電機高2%～8%，雖然提高幅度不大，但因為污水泵大多為大功率、24h運轉(zhuǎn)，所以即便只提高1%，能效果也是很明顯的。
當然高效電機價格比普通電機高15%～60%，所以采用該方法應進行經(jīng)濟校核，看是否能在使用期內(nèi)由節(jié)電效益收回投資。
3 曝氣系統(tǒng)的節(jié)能
鼓風曝氣系統(tǒng)電耗一般占全廠電耗的40%～50%，是全廠節(jié)能的關鍵。最根本的節(jié)能措施就是減小風量，而減小風量必須提高擴散裝置效率，降低污泥對氧的需求。
3.1 擴散裝置
3.1.1 改進布置方式
傳統(tǒng)的曝氣池，曝氣管是單邊布置形成旋流，過去認為這種方式有利于保持真正推流，另外可以減小風量，但經(jīng)過多年實踐與研究發(fā)現(xiàn)，這種方式不如全面曝氣效果好。全面曝氣可使整個池內(nèi)均勻產(chǎn)生小旋渦，形成局部混合，同時可將小氣泡吸至1/3到2/3深處，提高充氧效率，見表2。
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表2 不同充氧方式的效率
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曝氣方式
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單邊曝氣
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全面曝氣
(間距6.1 m)
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中心曝氣
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全面曝氣
(間距3.05 m)
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充氧效率kgO2/(kW·h)
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1.05
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1.57
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1.33
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1.82
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3.1.2 采用微孔曝氣器
微孔曝氣器可以減小氣泡尺寸，增大表面積，因而轉(zhuǎn)移速度高，節(jié)約風量。天津東郊污水廠和紀莊子污水廠均采用微孔全面曝氣，比穿孔管節(jié)電20%以上。英國有報道采用微孔曝氣每去除1 kgBOD可節(jié)約風量25%，電力18%。日本的情況如表3所示。
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表3日本不同擴散裝置的效率
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曝氣方式
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穿孔管
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微孔曝氣
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氣量(m3/kgBOD)
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36
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30
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耗電量(kW·h/kgBOD)
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1.3
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1.1
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美國對一大批老式穿孔曝氣進行了改造，效果顯著。如美國的Hartford在224 640 m3/d的污水廠采用微孔曝氣，實際氧利用率從穿孔管4.4%提高到了10.0%，總投資600 000美元，每年節(jié)約電費200 000美元，不計清洗費用，3年即可收回投資。
3.2 風量控制節(jié)能
選擇風機時，都要在計算需氣量基礎上加上一個足夠大的安全系數(shù)，以滿足最大負荷時的需要。所以在日常負荷下一般都要適當減小風量，負荷低時更應如此，這不僅是節(jié)能的需要，也是防止過曝氣、保證處理效果的要求。而進行風量控制是曝氣系統(tǒng)效果最顯著的節(jié)能方法，據(jù)EPA對美國12個處理設施的調(diào)查結果顯示，以DO為指標控制風量時可節(jié)電33%。圖2反映了風機風量與電耗的關系，圖中電耗指每小時的耗電量。
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可見，電耗隨風量變化很大，因此進行風量控制節(jié)能效果顯著，而且功率越大效果越明顯，當然風量并不是可以任意減小，它將受到許多因素的影響。
3.2.1 風量程序控制
長期觀測進水水質(zhì)、水量，掌握其變化特性，再由經(jīng)驗確定風量與時間的關系，并設定程序，自動進行控制。該方法簡便易行，但當水質(zhì)水量出現(xiàn)很大波動時，應與其他方法配合使用。
3.2.2 按進水比例控制風量
該方法也比較簡單，按一定氣水比，根據(jù)進水量調(diào)節(jié)風量即可。但該方法最易受水質(zhì)波動的影響，處理效果不穩(wěn)定。
3.2.3 按DO控制風量
曝氣池DO是一個重要運行參數(shù)，理論上達0.3mg/L就不影響微生物的生理功能，但考慮到水質(zhì)水量的波動，一般保證入口處0.5～1.0mg/L，出口2～3mg/L即可。如天津東郊污水處理廠采用溶解氧PLC自動控制風量，可節(jié)省氣量10%；日本有報道DO控制風量可節(jié)電10%～30%。
3.3 風量調(diào)節(jié)方式
由于各種風量控制方式最終都要由調(diào)節(jié)風機來實現(xiàn)，所以與水泵相似，風機也存在風量調(diào)節(jié)問題，也就同樣存在高效運轉(zhuǎn)問題。目前城市污水廠一般都采用高速離心風機，其原理與離心泵相似，所以原則上泵調(diào)節(jié)流量的方式同樣適用于風機。
另外，泵的調(diào)速方式也適用于風機，雖然需要一定投資，但節(jié)能效果也更明顯。
除此之外，風機還有一些不同于水泵的特殊調(diào)節(jié)方式，如進口導葉片調(diào)節(jié)，這也是目前普遍采用的技術。天津東郊污水廠從法國引進的高速離心風機帶有進口導葉片調(diào)節(jié)裝置，當單池DO過高時，PLC會發(fā)出指令關小該池空氣管蝶閥，當各池DO都偏高時，PLC就會發(fā)出指令關小進口導葉片，采用該技術可節(jié)電10%。
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