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)出來的其他改進工藝。

市政污水處理廠的一般流程是：進水→粗格柵→污水提升泵站→細格柵→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處理、生化處理和污泥處理三個單元，見圖2。

預處理單元包括格柵、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，用于有機物、氨氮等的去除。污泥處理單元包括濃縮機、脫水機、出泥泵等，將剩余污泥脫水外運。

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

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，污水提升和鼓風曝氣是需要重點關注的節(jié)能環(huán)節(jié)。有效降低污水處理能耗，首先要對耗能分布、耗能量進行調查分析，并根據(jù)不同的處理階段選取相應的能耗計量方法進行評估；最終，結合不同階段的能耗特點給出行之有效的調整方案。因而，污水廠的節(jié)能應該從各處理單元與設備中挖掘并進行優(yōu)化配置。

污水處理工藝通常分為預處理、生化處理、污泥處理這三個單元，每個處理單元的耗能情況不盡相同，需要針對每個單元的工藝運行特點選擇相應的能耗計算方法對其能耗進行評估和預算。

1、預處理單元

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

1）污水提升泵電耗的計算式：

式中：W表示電機實際電耗，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為污水泵的實際流量，m3/s；

H為污水泵的實際工作揚程，m；

η1為水泵的效率，取0.65~0.85；

η2為電機的效率，取0.95。

2）提升泵能量估算公式：

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

式（1）和式（2）計算簡便、準確，在實際工作中應用較為廣泛。同時可以看出，上述提升泵的實際工作揚程對污水提升泵能耗計算影響較大。

可以通過降低泵揚程來節(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：鼓風曝氣和表面曝氣。

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

1）兩者之比越趨近于1越好，過大耗能較大，過小反而導致出水不達標。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算式：

鼓風曝氣：

表面曝氣：

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

式（3）和式（4）簡化了繁瑣的計算環(huán)節(jié)。在混合液溫度為15~30℃時，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，對于其他條件下供氣量的計算不適用。鑒于上述公式的條件限制，綜合表面曝氣和鼓風曝氣裝置豎向位置不同帶來的影響，《給水排水設計手冊》給出了實際傳氧速率N的換算公式：

鼓風曝氣：

表面曝氣：

式中：N0為標準傳氧速率，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壓力，kg/cm2。

該公式的精度較低，適用于準確度要求不高的工程計算。

（7）的修正公式為：

采用式（7）計算時，鼓風機功率及曝氣裝置數(shù)量均大于采用式（8）的計算值，將造成工程投資及運行費用的增加。采用修正后的計算公式，大大降低了工程投資及運行費用。

實際工程設計中可根據(jù)供氣量和風壓值計算鼓風機功率：

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壓力，kg/cm2；
Pa為當?shù)卮髿鈮毫?，kg/cm2；
P為鼓風機計算功率，kW；
n為風機效率，一般取0.7~0.8；
P′為鼓風機出日計算升壓，kg/cm2；
W為鼓風機消耗的電能，kWh；
t為鼓風機工作的時間，h。

公式（8）對于平原地區(qū)的工程計算是通用的，應用也較為廣泛。

平原地區(qū)和高原地區(qū)的（標準大氣壓）供氣量計算式：

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為氧轉移效率。

通過供氣量計算公式可以看出，供氣量的計算原理相差不大，但在不同工程中的計算效率和準確度卻不同。在實際工程設計和測量中，需根據(jù)實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單元。該階段耗能大約占污水廠運行全部能耗的11%，其能耗主要體現(xiàn)在污泥、藥和設備三個方面。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)量的多少決定。

1）每日增長的揮發(fā)性污泥量的計算式：

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為進入曝氣池的污水中含有有機污染物的濃度，kg/m3；
Se為經(jīng)生化處理后水中殘留的有機污染物的濃度，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分別為反應池進水和出水的懸浮固體濃度。

式（13）和式（14）計算詳細，準確度高。然而由于公式中的變量較多，且中間系數(shù)不易取得，應用范圍受到限制。

2）為了更好地計算污泥量，可以采用干污泥量計算公式：

式中：S為干泥量，t/h；
C0為原水濁度設計取值，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)，應經(jīng)過實測確定；
D為藥劑投加量，mg/L；
K2為藥劑轉化成泥量的系數(shù)。

式（15）計算準確、簡便，應用較多，尤其適用于污水廠排泥系統(tǒng)的設計應用。污泥脫水作為污泥處理的關鍵技術，其電耗計算式為：

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

式（16）計算簡便，變量少且易于取得，應用起來較為方便，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行能耗計算。該污水處理廠一期工程2010年開始投入使用，采用A/O工藝對污水進行生物處理后再經(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。

下面結合該廠的相關運行參數(shù)，分別從預處理、生化處理、污泥處理三個單元給出能耗計算結果。

1、預處理單元單泵參數(shù)如下：

設計流量Q=320m3/h=0.09m3/s，水泵實際揚程H=3m，取η1=0.7，η2=0.95。

正常運行時，平均日工作時2臺泵工作，最大日工作時3臺泵工作，雨季4臺泵同時工作。取平均日工作時（8h）為例，應用式（1）計算能耗，計算結果為624.7845kWh。

2、生化處理單元鼓風機設計參數(shù)如下：

流量GS=20.8m3/min=1248m3/h，升壓P′=60kPa=0.61kg/cm2，風機效率n=0.88。

正常運行時，通過生化池內(nèi)的溶解氧濃度控制風機的開啟臺數(shù)，多數(shù)情況是3用1備，應用式（9）和式（10）計算電耗，計算結果為2391.8kWh。

3、污泥處理單元

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

正常運行時，通過生化池內(nèi)的溶解氧濃度控制風機的開啟臺數(shù)，多數(shù)情況是3用1備，應用式（16）計算電耗，計算結果為230.25kWh。

計算能耗與實際能耗的對比結果如下：

由表2可以看出，計算能耗和實際能耗稍有差別。首先，預處理單元中，提升泵能耗的計算值比實際值偏小些。

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

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

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