污水提升的能源消耗影响原因分析

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0前言

污水处理厂的能耗在运营费用中一般可占到40%以上[1]，通过对我国559座污水处理厂的能耗数据进行分析统计，其平均水平为0.29kW•h/m3，各国污水处理厂单耗见表1[2]。由此看出，我国污水处理能耗水平与其他发达国家相比基本一致。但是，这些国家在进行能耗统计时，包含了污水消毒、污泥消化与焚烧等我国污水处理厂目前尚未普及的环节。可见我国污水处理厂平均电耗仍处于较高消耗水平，存在很大的节能空间。

1污水提升能耗的调查案例

[5]2008年1~6月对某污水处理厂电量数据进行了统计分析，该厂电耗与我国目前平均水平相吻合，包括了再生水处理和污水处理电量（见表2）。主要电耗包括生活照明、再生处理、鼓风机房、污水跨越、污水提升及其它设备（格栅、刮泥机、砂水分离机等），各部分日平均电耗量（见图1）。提升能耗占总耗电电量的19.30%，比除鼓风机房以外的其它水处理设备的能耗总和还高3.3%，足见其地位之重。

2污水提升的能耗影响因素分析

2.1高程布置与水泵能耗的关系

典型污水处理厂工艺流程（见图2），污水经提升泵提升以后，以重力流的状态依次经过各处理构筑物，最终排入水体。水力计算以接纳水体的最高水位作为起点，逆污水处理流程向上倒推计算，考虑各处水头损失，直至污水提升泵后的第一个处理构筑物，从而确定污水提升泵所需扬程，并依此来选择水泵，建设泵房[6]。水头损失包括各处理构筑物内部流动的水头损失，两构筑物间连接管渠的水头损失，计量设备的水头损失。目前，我国污水处理厂高程设计大多依据给水排水手册和水力计算手册。由于阻力计算偏保守，附加安全量过大等因素，导致构筑物出口堰后大落差跌水现象普遍存在，造成提升能量浪费。为此，提出了全微分管道损失误差分析方法[7]，并编制了计算软件[8]，可望有效减少上述浪费。污水处理厂压水管路一般比较短，水头损失很小。以上述污水厂为例，水泵压水管路是一条长18m、DN900的铸铁管，水泵设计流量为1.2m/s，换算成水泵管路的水头损失仅为0.26m，远小于污水提升设计高度12.64m。由此得出，污水提升高度是水泵实际扬程的决定因素，为影响污水提升能耗的关键，而污水提升后构筑物的水面标高正是通过损失计算的高程布置确定的，由此可见精确计算管渠阻力，合理预留构筑物间高程差对于提升泵能耗有直接影响。另外，从平面布局角度讲，一些构筑物集中布置合建，可以有效降低全流程的水头损失也是工程技术人员普遍接受的观点。例如污泥浓缩池、调节池和初沉池关系密切，因此可以集中布置；混凝反应池与沉淀池、反应池与气浮池或过滤池、格栅与沉砂池、多功能配水井与泵房等可以考虑合建[9]。这一举措在有效降低土建费用的同时，也可以有效降低水头损失，可谓是水力优化设计的一个典范。在日本的污水处理厂，初沉池、曝气池、二沉池均采用方形平流式，且三池为一体，首尾相连，水流通畅，从而能够最大限度地减小水头损失。虽然造价比辐流式要高一些，但其差价很快可以从节电效益得到补偿[10]。

2.2水泵的节能运行

目前较为常用且效果明显的节能技术是变频流量调节技术和水泵优化组合技术。

2.2.1水泵变频运行近些年来，变频调速技术在污水处理厂中得到了广泛应用，通过对原有泵类设备进行变频技术改造，来实现节能降耗的目的。广州经济技术开发区污水处理厂[11]引入了PLC控制和变频技术，通过泵的合理调配，泵站的平均输水效率从改造前的9m3/kW•h，提高到了13m3/kW•h，通过自动化改造采用变频技术后，输水效率又进一步提高到17m3/kW•h，运行人员从28人减少到12人，并使得进入处理厂的污水的水质和水量基本平稳，进一步降低了厂区内的污水的处理成本，保证了水处理厂的正常运行。文昌沙水质净化厂采用变频调速技术对其两台污泥回流泵进行技术改造，改造后日节电539.8/kW•h，节电率达到44%，年节电可达197027/kW•h（折合电费约14万元），7个月可回收全部投资。虽然有大量成功案例，但提升泵特定的管路特性决定了其调节的特殊性，其节能规律还有待进一步研究。

2.2.2水泵优化组合节能虽然变频调速技术可以实现高效的节能，但污水处理系统往往是多台水泵并联输水，又由于变频调速技术投资昂贵，不可能将所有水泵全部调速，而水泵优化组合可以通过将不同台数，不同运行速度的水泵并联运行来满足工况的变化。这种方式要求污水处理厂泵站内大小水泵合理搭配，可以配合变频调速技术，达到更好的节能效果。郑州市中法原水公司对其输水泵站进行水泵组合节能改造后，在设计水位条件下运行，满足供水量的同时，平均能源单耗降低39%，即使在最不利的运行条件下，平均能源单耗也能降低21.6%，节能效果明显。

2.2.3稳定水位为目标的水泵优化调度节能由于污水来流流量呈周期性波动，导致泵站水位呈现一定的波动性，某厂调查发现这种波动常达到最大提升高度的1/3[5]，显然按最大提升高度选取扬程的水泵将长期偏离最优工况点运行。在后续处理工艺允许的流量变动范围内，合理选泵并配合以稳定水位为目标的水泵优化调度技术可获得可观的节能效益，目前这项技术正在研究之中。

3结论与建议

污水处理厂连接管渠的阻力精确计算和平面集中布置，对优化高程布置，减小水泵提升高度具有重要意义，有必要对现行手册和规范中预留的安全值进行重新评估；水泵变频技术在污水处理厂节能改造中取得了较好的节能效果，但在提升泵应用领域，变频节能规律尚需深入研究；在后续处理工艺允许的流量变动范围内，以稳定水位为目标的水泵优化调度节能节能技术将有广阔的发展空间。