论文部分内容阅读
摘 要：近年来，随着环境保护力度的加大，污水处理厂的数量也逐渐增长，但是污水处理厂在运行过程中，由于运行需要长期投入费用较高、缺少专业人士运营等各种原因，很多污水处理厂不能保证正常运行。因此，该文以河北某污水处理厂为例，探讨工艺和设备的能耗情况，重点分别对预处理单元、二级生化处理单元和污泥处理单元进行了设备情况介绍和能耗分析影响评价，提出节能降耗的措施，旨在为污水处理厂的运行节省成本。
关键词：城市污水处理厂 处理单元 污泥 影响因素
中图分类号：X703 文献标识码：A文章编号：1672-3791（2021）04（a）-0093-03
Analysis on Energy Consumption and Influencing Factors of Each Treatment Unit in Municipal Wastewater
Treatment Plant
XIE Tian
（CCCC Eco Environmental Protection Investment Co.， Ltd.， Beijing， 100020 China）
Abstract： In recent years， with the increase of environmental protection， the number of sewage treatment plants has gradually increased， but in the operation process of sewage treatment plants， due to the long-term investment， high cost， lack of professional operation and other reasons， many sewage treatment plants can not guarantee the normal operation. Therefore， taking a sewage treatment plant in Hebei Province as an example， this paper discusses the energy consumption of process and equipment， focuses on the introduction of equipment and energy consumption analysis and impact evaluation of pretreatment unit， secondary biochemical treatment unit and sludge treatment unit， and puts forward measures for energy saving and consumption reduction， aiming at saving costs for the operation of sewage treatment plant.
Key Words： Municipal wastewater treatment plant; Treatment unit; Sludge; Influencing factors
水是宝贵的自然资源，是工农业生产和人民日常生活中不可或缺的重要物质，而且大自然的水体还具有调节气候、净化环境的功能[1]。20世纪以来，全球人口增长了3倍，经济增长了20倍，用水量增长了10倍。由于生产废水和生活污水急增，污废水未经全部处理或收集后处理不合格，直接排入自然水体，严重污染我们赖以生存的水资源、破坏我们的生态环境、威胁我们的身体健康。
为了加大生态环境保护工作的力度，截至目前为止，我国已建成运行4 800余座污水处理厂 ，按照工程寿命30年计算，这些污水处理厂短期内不可能大量重建，因此重点对污水处理厂的能耗情况进行调查分析和研究评价，同时借助较高水平的污水处理全流程控制技术，进而实现高水平的节能降耗，为我国资源循环再利用和生态环境保护工作进行分析和研究具有重要意义。
1 污水处理厂概况
该文以河北某污水处理厂为研究对象，该污水处理厂成立于1987年1月，项目投资近7 714.42万元，工程占地40亩，日处理污水量4万t。污水处理采用生物脱氮除磷工艺，污水经过污水处理厂各单元处理后，最终排放的污水执行的标准要求高，是《城市污水处理厂污染物排放标准》（GB 18918-2002）中一级A标准，脱水后污泥含水率小于80%，统一运至污泥处置中心进行集中处置。污水深度处理采用高效沉淀池+活性砂滤池工艺，污泥处理采用带式浓缩脱水一体机脱水，消毒采用二氧化氯接触消毒工艺，如图1所示。
该处理工艺是以改良生物脱氮除磷工艺为主要的处理工艺，从处理单元的特性上来分类，总共分为4个：一是格栅处理单元、曝气沉砂单元构成的预处理阶段;二是改良物脱氮除磷工艺处理单元构成的生化处理单元;三是二氧化氢消毒单元构成的深度处理单元;四是贮泥处理单元构成的污泥处理单元。结合该污水处理厂的实际运行情况，可以知道能耗主要包括直接能耗和间接能耗，其中直接能耗则为用于提升泵、曝气充氧设备等运行所需要的电能，间接能耗则是指化学除磷以及污泥脱水等投加的各种药剂等[2]。
每个处理单元都消耗能耗，产生能耗最大的处理单元为生化处理单元，耗电量高达21 792 kWh/d，经计算，占总耗电量的比例超过50%，占58.46%，分析是因为生化处理单元是生物化学反应，需要长时间开启曝气设备等，以使生化处理单元中微生物和废水能够充分的接触，从而有机物等重要水质指标得以去除。产生能耗排在第二位的处理单元是预处理单元，耗电量将近10 000 kWh/d，经计算，占总耗电量的比例占23.66%。产生能耗最小的处理单元是污泥处理单元，耗电量为6 666 kWh/d，经计算，占总耗电量的比例占17.88%。该单元污泥压滤机等设备并不是一直处于工作的状态，是间歇性的工作，所以耗电量小[3]。对污水处理厂自身的能耗结构分析，分析评价污水处理厂的真实能耗水平，挖掘经济运行潜力，对推进和提升污水处理厂的节能降耗具有很重要的現实意义。 作为城市基础设施的重要组成部分和水污染控制的关键环节，城市污水处理厂工程的运行意义重大。污水处理厂投资建设投入资金多，运行阶段同样需要耗能大，花费大量的资金，论文重点对运行阶段能耗的影响因素进行着重分析。各处理单元的能耗优化对确保净化厂的运行性能和降低费用尤为关键，因此下面将从整体优化的角度出发，结合设计规模、污水水质特性，对污水处理厂能耗占比大的几个处理单元进行能耗分析和评价[4]。
2 预处理单元设备能耗情况及影响因素分析
从污水处理厂的工艺流程图（见图1）可以看出，预处理单元的处理过程为：进水井→粗格栅间→进水提升泵站→细格栅间→曝气沉砂池，该设备的抽吸泵和其他设备的能耗在下面详细列出。
能耗是由进水泵和罗茨鼓风机的运行产生的，进水提升泵是预处理装置所有主要设备中能耗最高的设备，功耗达到7 920 kWh/d。占计算后的总消耗量，用电量占89.81%，分析归因于水泵长时间运行。在第二位产生能耗的设备是罗茨鼓风机，耗电量约为720 kWh /d，经计算，总功耗比为8.16。能耗最低的设备是粗电网，而粗电网设备会间歇运行而不是始终运行，因此消耗的功率更少[5]。
因此，预处理单元进水提升泵的能耗分析和节能技术改造对于整个污水处理厂的节能降耗非常重要。提升泵节能技术的改造应结合污水处理厂的具体情况，加强对提升泵运行的管理，如及时调整提升泵的运行方式等方法。预处理单元中提升泵能耗高的原因在于设计和选择的早期阶段。污水处理厂中使用的吸水提升泵避免了泵输出功率低和水量增加不足以及污水溢出的现象。但是，由于通常选择大功率水泵，因此水泵的设计扬程高于实际扬程，并且在运行过程中水泵可能会偏离高效运行区域。对预处理进口提升泵系统进行节能技术改造非常重要，因为它浪费了能源。
3 二级生化处理单元设备能耗情况及影响因素分析
二级生化处理单元主要设备有鼓风机、推流器和内回流泵等，其中推流器主要用于污水循环及硝化、脱氮和除磷阶段创建水流，完成有机物的分解和生物脱氮[6]，为后续泥水分离提供条件;曝气风机设备通过曝气管路向生化池供氧，以提供微生物需要的氧气。内回流泵用于污水处理厂混合液的回流、反硝化脱氨除氨，其主要特点是流量大扬程低使其污水混合液一直处于一个来回流动的状态，不会出现凝固的现象。下面对该单元鼓风机等设备的能耗情况进行详细罗列。
鼓风机、内回流泵、外回流泵等设备的运行都产生能耗，产生能耗最大的设备为鼓风机，耗电量高达17 280 kWh/d，经计算，占总耗电量的比例超过50%，占79.3%，分析是因为生化处理单元中鼓风机是起到曝气的作用，且长时间处于运行的状态;产生能耗排在第二位的设备是外回流泵，耗电量将近2 000 kWh/d，经计算，占总耗电量的比例占9.3%。产生能耗最小的设备是刮吸泥机及剩余泵，刮吸泥机设备及剩余泵设备并不是一直处于工作的状态，是间歇性的工作，所以耗电量小。
4 结语
该文在分析工艺流程和能耗比的前提下，主要关注预处理装置、二级生化处理装置和设备的引进以及行业的能源性能，以正式运营的污水处理厂为例，污泥处理单元能耗分析的影响评估旨在为污水处理厂提供参考，减少生产和运营成本，并为运营能耗制订优化的控制计划。
（1）污水处理厂的能耗主要分为预处理单元、二次生化处理单元和污泥处理单元这3个单元，而能耗最高的处理单元是生化处理单元，它的最高能耗为21 792 kWh/d，计算占总耗电量的58.46%，分析是因为生化处理单元是一个生化反应，并且曝气设备需要长时间开启。生化处理单元中的微生物和废水可以充分接触，因此去除了重要的水质指标（如有机物），产生第二能量消耗的处理单元是预处理单元，能耗最低的处理单元是污泥处理单元。
（2）污水处理厂预处理设备进水泵、罗茨鼓风机、细格栅等设备的运行均产生能耗，进水提升泵是主要设备中能耗最高的设备。它作为预处理设备消耗的电量达到7 920 kWh /d，占总功耗的89.81%，因为给水泵已经运行了很长时间。能耗最低的设备是粗电网，并且粗电网设备组合在一起并不能始终工作，由于间歇性运行，它消耗的功率更少。
（3）污水处理厂二级生化处理单元中的鼓风机、内部回油泵、外部回油泵和其他设备的运行均产生了能耗。能耗最高的设备是鼓风机，其功率可达到17 280 kWh/d。根据计算，其占总功耗的50%以上，占79.3%。分析表明，生化处理单元的鼓风机起着曝气的作用，产生能耗最小的设备是刮吸泥机及剩余泵。
参考文献
[1] 齐磊.污水处理厂提标改造工程及其自动化控制[D].南京邮电大学，2020.
[2] 陆婷姬.基于模糊PID的城市污水处理厂自动控制系统的研究与实现[J].齐齐哈尔大学学报：自然科学版，2021，37（3）：71-75.
[3] 李娟，李金香，杨妍妍.城镇污水处理厂污泥泥质监测及资源化风险评价[J].环境科学，2021，42（4）：
1956-1966.
[4] 何光辉.某工业园区污水处理厂提标改造工艺研究[D].南昌大学，2020.
[5] 陈奇良，王桂祥，赵义君.合肥市肥东污水处理厂四期工程设计分析[J].山西建筑，2021，47（8）：98-100.
[6] 唐诗.辽宁省某污水处理厂提标改造技术研究[D].沈阳建筑大學，2020.
关键词：城市污水处理厂 处理单元 污泥 影响因素
中图分类号：X703 文献标识码：A文章编号：1672-3791（2021）04（a）-0093-03
Analysis on Energy Consumption and Influencing Factors of Each Treatment Unit in Municipal Wastewater
Treatment Plant
XIE Tian
（CCCC Eco Environmental Protection Investment Co.， Ltd.， Beijing， 100020 China）
Abstract： In recent years， with the increase of environmental protection， the number of sewage treatment plants has gradually increased， but in the operation process of sewage treatment plants， due to the long-term investment， high cost， lack of professional operation and other reasons， many sewage treatment plants can not guarantee the normal operation. Therefore， taking a sewage treatment plant in Hebei Province as an example， this paper discusses the energy consumption of process and equipment， focuses on the introduction of equipment and energy consumption analysis and impact evaluation of pretreatment unit， secondary biochemical treatment unit and sludge treatment unit， and puts forward measures for energy saving and consumption reduction， aiming at saving costs for the operation of sewage treatment plant.
Key Words： Municipal wastewater treatment plant; Treatment unit; Sludge; Influencing factors
水是宝贵的自然资源，是工农业生产和人民日常生活中不可或缺的重要物质，而且大自然的水体还具有调节气候、净化环境的功能[1]。20世纪以来，全球人口增长了3倍，经济增长了20倍，用水量增长了10倍。由于生产废水和生活污水急增，污废水未经全部处理或收集后处理不合格，直接排入自然水体，严重污染我们赖以生存的水资源、破坏我们的生态环境、威胁我们的身体健康。
为了加大生态环境保护工作的力度，截至目前为止，我国已建成运行4 800余座污水处理厂 ，按照工程寿命30年计算，这些污水处理厂短期内不可能大量重建，因此重点对污水处理厂的能耗情况进行调查分析和研究评价，同时借助较高水平的污水处理全流程控制技术，进而实现高水平的节能降耗，为我国资源循环再利用和生态环境保护工作进行分析和研究具有重要意义。
1 污水处理厂概况
该文以河北某污水处理厂为研究对象，该污水处理厂成立于1987年1月，项目投资近7 714.42万元，工程占地40亩，日处理污水量4万t。污水处理采用生物脱氮除磷工艺，污水经过污水处理厂各单元处理后，最终排放的污水执行的标准要求高，是《城市污水处理厂污染物排放标准》（GB 18918-2002）中一级A标准，脱水后污泥含水率小于80%，统一运至污泥处置中心进行集中处置。污水深度处理采用高效沉淀池+活性砂滤池工艺，污泥处理采用带式浓缩脱水一体机脱水，消毒采用二氧化氯接触消毒工艺，如图1所示。
该处理工艺是以改良生物脱氮除磷工艺为主要的处理工艺，从处理单元的特性上来分类，总共分为4个：一是格栅处理单元、曝气沉砂单元构成的预处理阶段;二是改良物脱氮除磷工艺处理单元构成的生化处理单元;三是二氧化氢消毒单元构成的深度处理单元;四是贮泥处理单元构成的污泥处理单元。结合该污水处理厂的实际运行情况，可以知道能耗主要包括直接能耗和间接能耗，其中直接能耗则为用于提升泵、曝气充氧设备等运行所需要的电能，间接能耗则是指化学除磷以及污泥脱水等投加的各种药剂等[2]。
每个处理单元都消耗能耗，产生能耗最大的处理单元为生化处理单元，耗电量高达21 792 kWh/d，经计算，占总耗电量的比例超过50%，占58.46%，分析是因为生化处理单元是生物化学反应，需要长时间开启曝气设备等，以使生化处理单元中微生物和废水能够充分的接触，从而有机物等重要水质指标得以去除。产生能耗排在第二位的处理单元是预处理单元，耗电量将近10 000 kWh/d，经计算，占总耗电量的比例占23.66%。产生能耗最小的处理单元是污泥处理单元，耗电量为6 666 kWh/d，经计算，占总耗电量的比例占17.88%。该单元污泥压滤机等设备并不是一直处于工作的状态，是间歇性的工作，所以耗电量小[3]。对污水处理厂自身的能耗结构分析，分析评价污水处理厂的真实能耗水平，挖掘经济运行潜力，对推进和提升污水处理厂的节能降耗具有很重要的現实意义。 作为城市基础设施的重要组成部分和水污染控制的关键环节，城市污水处理厂工程的运行意义重大。污水处理厂投资建设投入资金多，运行阶段同样需要耗能大，花费大量的资金，论文重点对运行阶段能耗的影响因素进行着重分析。各处理单元的能耗优化对确保净化厂的运行性能和降低费用尤为关键，因此下面将从整体优化的角度出发，结合设计规模、污水水质特性，对污水处理厂能耗占比大的几个处理单元进行能耗分析和评价[4]。
2 预处理单元设备能耗情况及影响因素分析
从污水处理厂的工艺流程图（见图1）可以看出，预处理单元的处理过程为：进水井→粗格栅间→进水提升泵站→细格栅间→曝气沉砂池，该设备的抽吸泵和其他设备的能耗在下面详细列出。
能耗是由进水泵和罗茨鼓风机的运行产生的，进水提升泵是预处理装置所有主要设备中能耗最高的设备，功耗达到7 920 kWh/d。占计算后的总消耗量，用电量占89.81%，分析归因于水泵长时间运行。在第二位产生能耗的设备是罗茨鼓风机，耗电量约为720 kWh /d，经计算，总功耗比为8.16。能耗最低的设备是粗电网，而粗电网设备会间歇运行而不是始终运行，因此消耗的功率更少[5]。
因此，预处理单元进水提升泵的能耗分析和节能技术改造对于整个污水处理厂的节能降耗非常重要。提升泵节能技术的改造应结合污水处理厂的具体情况，加强对提升泵运行的管理，如及时调整提升泵的运行方式等方法。预处理单元中提升泵能耗高的原因在于设计和选择的早期阶段。污水处理厂中使用的吸水提升泵避免了泵输出功率低和水量增加不足以及污水溢出的现象。但是，由于通常选择大功率水泵，因此水泵的设计扬程高于实际扬程，并且在运行过程中水泵可能会偏离高效运行区域。对预处理进口提升泵系统进行节能技术改造非常重要，因为它浪费了能源。
3 二级生化处理单元设备能耗情况及影响因素分析
二级生化处理单元主要设备有鼓风机、推流器和内回流泵等，其中推流器主要用于污水循环及硝化、脱氮和除磷阶段创建水流，完成有机物的分解和生物脱氮[6]，为后续泥水分离提供条件;曝气风机设备通过曝气管路向生化池供氧，以提供微生物需要的氧气。内回流泵用于污水处理厂混合液的回流、反硝化脱氨除氨，其主要特点是流量大扬程低使其污水混合液一直处于一个来回流动的状态，不会出现凝固的现象。下面对该单元鼓风机等设备的能耗情况进行详细罗列。
鼓风机、内回流泵、外回流泵等设备的运行都产生能耗，产生能耗最大的设备为鼓风机，耗电量高达17 280 kWh/d，经计算，占总耗电量的比例超过50%，占79.3%，分析是因为生化处理单元中鼓风机是起到曝气的作用，且长时间处于运行的状态;产生能耗排在第二位的设备是外回流泵，耗电量将近2 000 kWh/d，经计算，占总耗电量的比例占9.3%。产生能耗最小的设备是刮吸泥机及剩余泵，刮吸泥机设备及剩余泵设备并不是一直处于工作的状态，是间歇性的工作，所以耗电量小。
4 结语
该文在分析工艺流程和能耗比的前提下，主要关注预处理装置、二级生化处理装置和设备的引进以及行业的能源性能，以正式运营的污水处理厂为例，污泥处理单元能耗分析的影响评估旨在为污水处理厂提供参考，减少生产和运营成本，并为运营能耗制订优化的控制计划。
（1）污水处理厂的能耗主要分为预处理单元、二次生化处理单元和污泥处理单元这3个单元，而能耗最高的处理单元是生化处理单元，它的最高能耗为21 792 kWh/d，计算占总耗电量的58.46%，分析是因为生化处理单元是一个生化反应，并且曝气设备需要长时间开启。生化处理单元中的微生物和废水可以充分接触，因此去除了重要的水质指标（如有机物），产生第二能量消耗的处理单元是预处理单元，能耗最低的处理单元是污泥处理单元。
（2）污水处理厂预处理设备进水泵、罗茨鼓风机、细格栅等设备的运行均产生能耗，进水提升泵是主要设备中能耗最高的设备。它作为预处理设备消耗的电量达到7 920 kWh /d，占总功耗的89.81%，因为给水泵已经运行了很长时间。能耗最低的设备是粗电网，并且粗电网设备组合在一起并不能始终工作，由于间歇性运行，它消耗的功率更少。
（3）污水处理厂二级生化处理单元中的鼓风机、内部回油泵、外部回油泵和其他设备的运行均产生了能耗。能耗最高的设备是鼓风机，其功率可达到17 280 kWh/d。根据计算，其占总功耗的50%以上，占79.3%。分析表明，生化处理单元的鼓风机起着曝气的作用，产生能耗最小的设备是刮吸泥机及剩余泵。
参考文献
[1] 齐磊.污水处理厂提标改造工程及其自动化控制[D].南京邮电大学，2020.
[2] 陆婷姬.基于模糊PID的城市污水处理厂自动控制系统的研究与实现[J].齐齐哈尔大学学报：自然科学版，2021，37（3）：71-75.
[3] 李娟，李金香，杨妍妍.城镇污水处理厂污泥泥质监测及资源化风险评价[J].环境科学，2021，42（4）：
1956-1966.
[4] 何光辉.某工业园区污水处理厂提标改造工艺研究[D].南昌大学，2020.
[5] 陈奇良，王桂祥，赵义君.合肥市肥东污水处理厂四期工程设计分析[J].山西建筑，2021，47（8）：98-100.
[6] 唐诗.辽宁省某污水处理厂提标改造技术研究[D].沈阳建筑大學，2020.