（市政工程专业论文）污水处理厂A2O工艺全流程水力模型研究.pdf

摘要 通过对北京某座采用a 2 0 工艺的污水处理厂( a 厂) 全流程水位变化进行实际测量， 了解污水处理全流程水头损失构成的状况，并经过分析发现全流程水力损失的关键部位。利 用经典水力学公式和a r t sh y d r a u l i c s 软件对连接管线的水头损失进行计算，了解水头损失 的组成情况和设计的基本原则，并对软件水力计算功能在课题研究中的实用性进行评价。继 而利用计算流体力学( c f d 数值模拟软件f l u e n t 对连接管线的局部损失系数进行模拟 研究，结合a r t sh y d r a u l i c s 软件水力计算，验证局部损失系数计算的准确性，研究水力状 况对于管件局部损失的影响。计算得出一些设计手册中没有涉及到的特殊管件的局部损失系 数，丰富水力计算的方法。最后，在a 厂水力流程设计的基础上，根据总结得出的理论和 计算方法，建立理想水力计算模型，并与原设计进行对比，评价其降低污水提升能耗的经济 效益。 关键词：a 2 0 工艺；水力计算模型：污水提升能耗；水头损失；计算流体力学( c f d ) ： a b s t r a c t a c t u a lm e a s u r e m e n tw a sp r e s e n ta b o u tt h ee n t i r ep r o c e s so fw a t e rl e v e lc h a n g e si nak q p r o c e s ss e w a g et r e a t m e n tp l a n t ( ap l a n t ) a n ds t u d yh e a dl o s sc o m p o n e n to ft h ee n t i r ep r o c e s s t h r o u g ht h et h e o r e t i c a la n a l y s i st h e nf o u n dt h ek e yp a r t so ft h eh y d r a u l i cl o s s c a l c u l a t e dh e a d l o s so ft h ec o n n e c t i n gp i p e l i n et h r o u g ht h ec l a s s i ch y d r a u l i c sf o r m u l aa n da r t sh y d r a u l i c s s o f t w a r e r e s e a r c h e dt h eh e a dl o s sc o m p o s i t i o na n db a s i cd e s i g np r i n c i p l e sa n de v a l u a t e dt h e a p p l i e dv a l u eo fh y d r a u l i cc a l c u l a t i o ns o f t w a r et ot h es t u d y t h e nu s ef l u e n ts o f t w a r et o s i m u l a t et h em i n o rl o s sc o e f f i c i e a t si nt h ec o n n e c t i n gp i p e 1 1 把a c c u r a c yo ft h em i n o rl o s s c o e f f i c i e n tw a sv e r i f i e dt h r o u g hc a l c u l a t i o no fa r t sh y d r a u l i c ss o f t w a r e a n df o u n dt h ei m p a c t s o fw a t e rs i t u a t i o n a tt h es s m et i m e , c a l c u l a t es o m em i n o rl o s sc o e f f i c i e n t so ft h es p e c i a lt u b e t h a tw e r en e v e ra l ，p 翰r e di nt h ed e s i g nm a n u a l ，t h e ne n r i c h e dt h eh y d r a u l i cc a l c u l a t i o nm e t h o d f i n a l l y , b a s e do nt h eh y d r a u l i cd e s i g np r o c e s sa n ds t a n m a r i z e dt h e o r e t i c a lm e t h o d s ，t h ei d e a l h y d r a u l i cc o m p u t a t i o n a lm o d e lw a se s t a b l i s h e da n da s s e s s e dt h ee c o n o m i cb e n e f i t s o fs e w a g e l i f t i n ge n e l g yr e d u c t i o nc o n l r a s t t oc u s t o m a r yd e s i g n k e yw o r d s ：a 2 0l x o c e s s , h y d r a u l i cc o m p u t a t i o n a lm o d e l ，s e w a g el i f t i n ge n e r g y , h e a dl o s s ， 北京建筑工程学院 硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论 文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的 研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人 完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：牛包无 日期：2 0 0 8 年1 2 月 第一章绪论 1 1 课题研究背景及意义 1 1 1 课题研究的背景 水资源作为一种重要的自然资源，是经济发展、社会稳定和人民生活不可缺少、不可 替代的重要物质，是经济社会可持续发展和稳定的重要保障。众所周知，我国是一个典型的 缺水国家，受地理环境和气候条件的影响，水资源分布非常不均匀，占我国国土总面积一半 以上的长江以北地区水资源分布不足全国水资源总量的1 3 ：我国人均水资源占有量更是远 远低于世界平均水平，不足世界人均水资源占有量的l ，4 。随着社会经济的快速发展和人民 生活水平的不断提高，生活污水和工业废水的排放量与日俱增，水资源污染不断恶化，迸一 步加剧了水资源短缺的矛盾。污水处理设施作为治理污染、保护水环境的重要举措，已经体 现出了显著的环境效益和社会效益1 。但是，污水处理厂在运行中耗能很大，使污水处 理厂的运转费用不断增高，成为了制约水污染治理与控制的又一因素。污水提升能耗作为运 行能耗中比例较大的一部分，成为污水处理厂节能降耗研究的主要切入点 1 1 2 课题研究的意义 据中国水网统计数据显示，截止到2 0 0 8 年7 月底，我国正在运营的污水处理厂总数已 达1 4 0 8 座。随着“十一五”规划的进一步深入，保守计算，截止到2 0 1 0 年底，我国至少将 有近3 0 0 0 座污水处理厂达到运营状态。水资源短缺及水环境污染的加剧，使得我国污水处 理产业高速发展，但随之也产生了一系列的问题。污水处理厂在运行中需求的巨大能耗就是 众多问题中突出的一个。 污水处理厂的能耗在运营费用中一般可占到4 0 0 , 4 以上1 ，通过对我国5 5 9 座污水处理 厂的能耗数据进行分析统计，发现有8 2 的污水处理厂电量单耗不高于0 4 4 k w t d m 3 ，表明 我国污水处理厂能耗相对比较均匀，其平均水平为0 2 9 k w h m 3 。各国污水厂单耗见表1 表1 - i 各国污水处理电量单耗统计表 从表1 可以看出，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。由此可见，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。根 据德国斯图加特大学提供的经验数据表明，污水处理厂至少存在3 0 的节能潜力；对我国污 水处理厂而言，节能潜力将会更高”1 。 鼓风机和提升泵是污水处理厂主要耗能设备。其中曝气鼓风设备动力消耗约占总能耗的 4 0 * , - - 5 0 ；其次是污水提升泵，电耗可达到总耗电量的1 0 - - - 2 0 。由此可见，污水提 升泵作为耗能大户之一，其节能潜力是绝对不容忽视的。所以，从污水提升能耗入手研究节 能降耗的技术措施具有非常重要的现实意义。 按照国家“十一五”计划，到2 0 1 0 年污染物减排要求达到l o ，单位g d p 能耗要求 下降2 0 。当前我国的经济发展已经从单纯的“g d p 崇拜”走向了以科学发展观为战略 的可持续发展，环境资源和能耗问题已经成为了发展的瓶颈。污水处理厂作为一种保护水环 境、控制有机污染的有效措施，其产生c 0 2 造成的二次污染问题正在受到各方的广泛关注。 城市污水处理厂产生的c 0 2 排放量包括两部分，一是动力( 电力) 消耗折合成的c 0 2 排放： 另一部分是污水中碳源( b o d ) 被氧化排放的c 0 2 。污水处理中c 的循环路径如图1 所示： 图卜1 污水处理厂c 的循环路径图 污水处理过程中，动力消耗折合的c 0 2 排放量占了很大一部分。我国电力行业现仍以 火力发电为主，煤炭作为主体能源，其比例占到了总发电量的8 0 左右。目前，我国平 均供电煤耗为3 6 6 9 k w h ，污水处理电量平均单耗为0 2 9 k w h m 3 。经测算，每处理1 m j 的城市污水消耗电量产生的c 0 2 为0 2 6 k g ，规模为l o 万m 3 的污水处理厂每年由于电耗产 生的c 0 2 排放量相当于2 6 0 0 辆汽车的全年总排放量。我国目前污水处理总量达到了7 5 0 0 万m 3 t d ，污水处理动力消耗每年所产的c 0 2 排放量折合1 9 5 0 0 吨，对气候变暖有着直接的 影响。这也正是绿色能源、节能降耗以及绿色技术在当今备受关注的原因 在我国现阶段污水处理技术背景下，绿色能源和绿色处理工艺的研发应用存在许多技术 难关，需要较长的时间周期。所以、从我国目前发展战略来看，在保证污水处理水质达标的 基础上，节能降耗必将成为我国污水处理厂减排c 0 2 最直接有效的途径。在突出可持续发 展的全球趋势下，从污水提升能耗出发研究节能降耗的技术措施具有更加深远的社会意义 1 2 污水处理厂运行能耗调查及相关理论分析 1 2 1 课题研究对象的选择 2 0 0 6 年，通过对7 4 6 座运行中的污水处理厂进行统计分析发现，从工艺采用的数量上 看，现在我国污水处理厂采用的工艺流程排在前三位的是氧化沟、s b r 和a z o ，分别占二 级污水处理厂的3 2 1 、2 0 2 和1 4 7 ；从处理能力上看，氧化沟、a 2 o 和a o 工艺分别 占到二级处理的2 6 2 、1 9 1 和1 7 1 。从以上比例我们看出，氧化沟和a 2 ，o 工艺显然已 经成为我国污水处理的主导工艺。如图2 所示： 囊喜 簦 蚤 镯 雾萋霎奏 嚣 擞 卅 i 图1 - 22 0 0 6 年各工艺污水处理厂设计处理能力 在众多的污水处理工艺流程当中，a 2 0 工艺是城市污水处理中一种比较先进的生物除磷 脱氮技术。a 2 0 工艺是a n a e m b i c - a n o x i c - o x i c 的英文缩写，是厌氧一缺氧一好氧生物工艺的 简称，7 0 年代由美国专家开发出来的，具有同步脱氮除磷功能1 。根据图1 - 2 统计数据得 知，a 2 0 工艺在我国污水处理厂中已得到了广泛应用，并成为了主导工艺之一。北京市某污 2 o 0 0 0 o o 0 o o 0 0 0 o o o 4 2 0 8 6 4 2 日c 高r v r 葛摹南京 水处理厂( 以下简称a 厂) 二期工程采用的是a 2 0 工艺流程，且污水处理单耗恰好接近于 我国污水处理厂的平均水平，具有很强的代表性。因此，选择a 厂二期工程作为课题研究 对象具有更强的普遍意义。 a 厂占地面积3 0 1 公顷，服务面积达1 5 9 4 2 平方公里，主要处理来自周边风景区、高 校文教区、科技园区和工业区的污水，并且承担着还清河道的任务。该厂分两期建设，总建 设规模为日处理污水4 0 万立方米。其中一期工程于2 0 0 2 年l o 月正式运行，日处理能力2 0 万立方米，采用倒置a 2 o 工艺；二期工程于2 0 0 4 年1 2 月正式运行，设计处理能力与一期 相同，采用a j 幻工艺。该厂工艺在有效去除有机污染物( c o d ) 的同时，还能达到良好的 脱氮除磷效果，出水水质均达到了国家一级b 类排放标准，选择二期工程为研究对象，其 主要工艺流程见图3 。 目前，a 厂在原有基础上建成设计日产8 万立方米的再生水厂，其中6 万立方米将作为 公园景观用水，其余2 万立方米向周边城区提供市政杂用 期黼 肉回涟 鬟升泵 图l 一3a 厂水处理工艺流程图 1 2 2a 厂污水提升能耗现状调查分析 经过对a 厂2 0 0 8 年l “月电量数据统计分析，平均污水处理电量单耗为0 2 9 7 k w l 炯3 ， 与我国目前平均水平相吻合，其单耗包括了再生水处理和污水超越电量。由表2 统计数据可 以得出，a 厂平均污水处理单耗十分稳定，具有很强的参考性。具体每月电量单耗见表l - 2 。 表1 22 0 0 8 年上半年a 厂运行单耗统计表 日处理单耗如图1 _ 4 所示。 革籀( 如池，) o 4 0 o 3 5 o 3 0 o 箱 使2 0 o 1 5 o - l o o 0 5 o 3 撬日 互n丑| “z 互“r 髀墨“ 詈吾冁 理 丑6 i n 她水詈吾晴詈吾明年 鼍i n 懈 互： 厂 a 丑口叠“ 4r 罾吾 图 丑盂髓：夏n互_ “ a 厂在我国污水处理厂综合评比中位于名列前茅，其处理单耗水平在扣除再生处理和污 水超越电量之后为0 2 6 k wh m 3 ，低于我国平均单耗水平。但其单耗不包含污混处理的耗电 量，且我国污水处理j 目前对污泥处理的技术尚不普及。所以，与发选国家相比a 厂仍处 f 较高的能耗水平，具有节能降耗潜力。 a 厂制水生产电量包括生活照明、再生处理、鼓风机房、污水跨越、 o 水提升段其它设 备( 格栅、刮泥机、砂水分离机等) 。各部分电耗的日平均量及分布比例见图卜5 和阿卜6 。 * m ；乱 苣5 c i 詈如 耋” 1 。 o 口生活照明 i hi*ii i 五蕊i e 日l5 各分f i 十均产电耗量 目l _ 6 备n 平均电耗剜 从图6 可以看出，污水提升能耗占全部制水生产电量的1 93 肼，比除鼓风机房以外的其 它承处理设备的能耗总和还高33 。 1 2 3 影响污水提升能耗的关键参数分析 水泵是p 水提升的卡要设备，现在污水处理厂采用的提升泵种类比较多，但其i u 耗均可 削公式1 - l 进行计算 ：笪塑l ( 1 _ 1 ) 1 0 0 0 q 】啦 式中：一电机实际电耗k w h ： p 一污水的南度，取1 0 0 0 堙m 3 ； g 一重力加述度。取9g i m s 2 ； 0 一污水泵的实际流量，m 1 s ； h 一污水泵的实际工作扬样，m ： 目一水泵的效率 口：一电机的效率： f 一水泉运行时日j ，h 。 由公式1 - 1 可咀看出，污水提川泵在稳定运行时 。而可按式卜2 计算： h = + s d l 萁电耗取决r 提升瓢的实际i 作扬利 式中：h 一实际污水提升高度( 静扬程) ，m ； s 水泵管路综合阻抗，j 2 m 5 ； s q 一水泵管路的水头损失，m 。 管路的综合阻抗s 可按式1 3 计算： 渊( a i l + f ) 表 c - 。) 式中：a 管道沿程阻力系数 f 管道总局部阻力系数 d 压水管路管径，m 当管道中流速y 1 2 m s ，水流处在紊流粗糙区，应用公式1 4 计算名： a ：百0 0 2 1 ( 1 - 4 ) 2 万 1 珥， 污水处理厂压水管路一般比较短，水头损失相对也很小。以a 厂为例，水泵压水管路 是一条长1 8 m 、管径d n 9 0 0 的铸铁管，水泵设计流量为1 2 m 3 s ，管道流速1 8 9 m s 。运 用公式( 3 ) 、( 4 ) 计算得出水管路s 为o 1 8 s 2 m 5 ，换算成水泵管路的水头损失仅为0 2 6 m ， 远小于污水提升设计高度h - - 1 2 6 3 5 m 。由此得出：污水提升高度( 静扬程) h 是水泵实际扬 程日的决定因素，亦即为影响污水提升能耗的关键。 污水提升泵在运行过程中，其工况点很容易受到静扬程的变化而发生改变，导致水泵脱 离高效区运行，引起水泵效率仇下降从而增加运行能耗。所以，在污水提升泵运行中，水 泵的效率编成为了影响污水提升能耗的又一决定性因素。但究其根本，水泵效率的下降同 样是由于受污水提升高度h 变化的影响而造成的。所以，综上分析，污水提升高度h 是影响 污水提升能耗的最为关键的参数，也正是本课题研究的主要内容。污水处理厂水力流程设计 和污水提升泵运行管理就成为了课题研究的两个切入点。 1 2 4 高程布置设计与水泵扬程的关系 污水处理厂高程布置的首要任务就是：确定各处理构筑物标高和污水提升泵扬程。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。水力计算时， 以最大流量为设计标准，选择一条距离最长、水头损失最大的最不利流程进行水力计算，并 应适当留有余地，以使实际运行时能有一定的灵活性。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1 。 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， 各处理构筑物内部水头损失如表1 3 所示。 5 表i - 3 各处理构筑物中水头损失设计数值1 2 i 构筑物名称 水头损失( 锄) 构筑物名称 水头损失( c m ) 格栅 l d v 2 5 生物滤池 旋转布水 2 7 m 艺8 0 沉砂池l 蚴喷洒布水 4 5 0 4 7 5 平流2 洲混合池l o 3 0 沉淀池竖流4 0 5 0接触池1 0 - - - 3 0 辐流 5 0 6 0 曝气池 潜流入池 2 5 5 0 双层沉淀池 l o 2 0 跌水入池 5 0 1 5 0 污水提升高度是水泵能耗的决定因素，突出显示在数值等于集水池与提升后构筑物水位 差。而污水提升后构筑物的水面标高正是通过高程布置确定的，与污水处理全流程的水头损 失有直接的关系。当全流程水头损失减小时，污水提升高度也会随之减小。由此可见，从污 水提升高度研究节能降耗的措施的关键点，直接落在高程布置中降低全流程的水头损失上 1 2 5 降低污水提升高度的经济效益初步分析 通过对a 厂2 0 0 8 年前六个月的污水提升能耗统计，得出月平均提升能耗为8 2 8 7 x 1 0 3 k w h 。从这6 个月的数据也可看出，提升耗电量从1 峭月份呈逐步上升的趋势，污水抽 升量变化趋势与之一致，污水提升单耗保持在一个相对稳定的水平。1 - - 6 月涉及到了不同的 季节，统计得出的提升电耗平均值对于全年提升能耗的平均水平同样具有较高的参考性，以 其作为计算的电耗参考标准。见表1 _ 4 所示。 表1 _ 42 0 0 8 年上半年污水提升月销耗电量和抽升水量统计 a 厂污水平均提升单耗相对比较稳定，说明污水提升泵每月的运行状态比较相似，尤其 是水量恒定的3 咱月份。污水提升单耗平均值为0 0 5 7 3k w h m 3 ，与平均运行单耗 0 2 9 7 k w - h m 3 的比值为0 1 9 2 9 ，说明污水提升能耗占总运行能耗的1 9 2 9 ，与图1 6 中污水 提升能耗比例数据吻合。 a 厂污水提升泵房为全地下式，设潜污泵6 台，均采用瑞典制造的飞力牌水泵。相关水 力参数见表1 - 5 。 表1 - 5a 厂提升泵设计参数 由公式1 1 已经得出，污水提升泵的电耗与水泵扬程h 成正比，污水提升高度每降低 l m ，即水泵扬程也随之降低l m 。所以，对于a 厂而言，污水提升高度每降低l m ，每年可 以节约的电耗可用式1 5 算出。 1 照= 二w 1 2( 1 - 5 ) 疗 式中：形一每年节约电耗，k w h ； 形每月水泵电耗，l ( w h ； 日一污水泵的实际工作扬程，m 利用式1 5 ，根据月平均电量和污水提升泵扬程，计算得出，在水泵稳定运行的前提下， 6 污水提升高度每降低l m ，可年至少可以节省电量6 6 3x1 0 3 k w h ，节约人民币4 0 万元( a 厂电价为0 6 1 元，k w h ) ，经济效益明显。 1 3 课题的研究内容和技术路线 1 3 1 研究内容 ( 1 ) 确定a 厂为研究对象，实际调查构筑物进出水方式、管渠连结方式及实际测量全 流程水头损失数据。 ( 2 ) 绘制实际水面高程图，并与设计水面高程图进行比较研究，分析原设计计算与实际 测量值存在差别的原因。 ( 3 ) 把水力学公式、原理和计算软件a r t sh y d r a u l i c s 运用到全流程水头损失计算分析 中，计算结果与实测数值、设计数值相比较，分析原因，评价a r t sh y d r a u l i c s 软件在本课 题研究中的适用性。 “) 对污水处理厂的实际能耗进行调查统计，并进行分析，得出污水厂全程水头损失与 污水提升泵能耗之间直接关系，并评价节能降耗的经济效益。 ( 5 ) 基于现场实测和水力计算分析的结果，初步分析出构成全流程水损的关键部位，利 用f i 彻巳n t 软件对其进行数值模拟研究。 ( 6 ) 综合现场实测、水力计算和数值模拟结果，构建理想水力计算模型，提出降低污水 提升能耗的设计和措施，并进行经济效益评价。 1 3 2 技术路线 通过阅读相关专业文献，对课题研究的现实意义有了深刻了解，对技术路线的构成提供 了大量的参考素材。课题研究立足于现场实测、水力计算和c f d 数值模拟相结合，三种方 法从不同的角度出发，最终汇集一点，实现研究降低污水提升能耗的目标。同时，为高布置 的优化设计和污水提升泵的优化运行开辟了一条新的道路。如下图1 - 7 所示： 图1 - 7 课题研究技术路线流程图 课题研究路线将理论知识和试验研究有机结合，涉及的知识领域比较广泛、理论性强， 涉及到污水处理、水力学、计算流体力学、机械设备以及多种计算机软件的应用。尤其是 c f d 水力模型理论及建立的过程尤其复杂，但这同时也成为了课题研究的一个特点。 7 1 4 国内外污水提升泵站节能技术应用现状 污水处理厂的节能降耗已经成为了国内外专家学者关注的热点，其研究主要集中在以下 两个方面：清洁能源的开发及污水厂产能回用：处理单元节能降耗的技术措施研究。 1 4 1 清洁能源的开发及污水厂产能回用 随着全世界能源危机的日益加剧，新能源的开发和利用在发达国家已经得到了迅速的发 展，在污水处理厂中直接应用的例子屡见不鲜。例如，丹麦l y n e t t e n 污水处理厂就在厂内建 有风能和太阳能设施，在2 0 0 5 年所产风能和太阳能总和达到了4 8 0 5 m w - h ，占到了全部 用电量的1 4 ，可以完全满足污水提升所需求的能耗 1 3 | o2 0 0 5 年新能源利用比例见表l 石 表1 - 62 0 0 5 年丹麦l y n e t t e n 污水处理厂新能源利用情况 污水处理厂自身拥有的能量主要包括两部分，即进厂污水中带来的热量与污染物所含的 能量。污水中有机污染物所含潜能的工程利用主要通过所产沼气的利用得以实现。污水 在得到净化的同时，也为污水中有机物所含潜能的工程利用创造了条件。污水中有机物所含 能量的利用程度取决于污泥的产量与性质及采用的处理工艺等。对污水中有机污染物所含的 潜能可进行定量描述，在理论上其大部可以利用。但事实上，能被工程利甩的能量却是十分 有限的。尽管如此，在西方发达国家的一些污水处理厂，污水处理厂自身产能还是得到了很 好的应用，取得了可观的成效。表1 5 为丹麦l t m d t o r e 污水厂2 0 0 5 年产能回用的统计 表1 72 0 0 5 年丹麦l u n d t o r e 污水处理厂产能利用情况 我国的清洁能源产业正处在国家统一规划、统筹的过程中。虽说我国已经取得了清洁能 源利用的巨大进展，但直接应用在污水处理厂的实列尚未发现。另外，在我国污水处理厂中， 产甲烷气回用的课题研究比比皆是，但真正应用到工程实例中的是少之又少。因此，在我国 由于技术的和发展的局限，从清洁能源和产能回用的角度，来降低污水处理厂的能耗是一个 方向，但是在短期内不能取得比较有效的突破。 1 4 2 污水提升节能降耗措施研究应用的进展 ( 1 ) 水泵运行节能应用进展 由于水泵是污水提升直接能源消耗的直接设备，所以对其进行的节能技术研究相对比较 多。目前较为常用且效果较为明显的节能技术是变频流量调节技术、水泵优化组合技术和污 水源热泵技术等。 a ) 变频调速技节能技术 污水处理厂中变频调速技术的应用原理是：水泵由变频器驱动，根据污水集水池迸水流 量变化进行控制，流量传感器反馈信号与流量设定信号输入可编程控制器( p l c ) 后，经可 编程序控制器内部p i d 控制程序的计算，输给变频器一个转速控制信号。变频器为电动机 提供可变频率的电源，使电动机获得无级调速所需的电压和频率，从而直接改变和控制电动 机的输出轴功率，保证污水泵机组一直运行在高效区，水泵运行效率可保持在7 5 以上。 异步电动机的变频调速是通过改变定子的供电电源率来改变旋转磁场的同步转速，从而 改变转子的转速。它不产生任何附加损耗，是一种比较理想的调速方法。异步电动机的变频 调速一般通过变频器实现。变频速节能的实质是通过调速来改变泵的性能曲线，从而改变水 泵工况点，使之在高效区内运行，达到节能降耗的目的。所以在污水处理厂中，应用变频调 速装置，不仅有助于水泵设备的合理匹配，节省设备购置费用，又可改善水泵的运行质量， 8 消除设备负荷不均衡产生的“水锤效应”。同时，水泵的节能效果可达4 0 以上。 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引入了p l c 控制、 变频控制，对各污水提升泵站进行了自动化改造，泵站的平均输水效率从改造前的 9 m 3 k w h ，通过泵的合理调配和改造提高到了1 3 m 3 k w h ，通过自动化改造采用变频输 水后，输水效率又进一步提高到1 7 m 3 k w h ，运行人员从2 8 入减少到1 2 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；漳州市东区污水处理厂采用变频技术对进水泵站的螈进行改造，采 用变频调速技术后电动机节能可达到3 0 以上，年投入运行后实际节约电费3 5 7 9 5 3 9 元，3 年可回收全部投资1 0 6 万元；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5 3 9 。8 k w h ，节电率达到4 4 ，年节电可达1 9 7 0 1 2 7 k w h ( 折合电费约1 4 万元) ，7 个月可回收全部投资；绍兴污水处理厂”采用变频调速技术， 年节电可达2 3 万元，达到了节能增效的目的，并且收回了投资。 b ) 水泵优化组合节能技术 水泵优化组合是一项较好的系统节能技术。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，所以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3 9 即使在最不利的运行条件下，平均能源 单耗也能降低2 1 6 ，节能效果明显。重庆市涪陵二水厂4 台进水泵并联运行，配合变频技 术，采用3 用l 备，l 定2 调的组合方案，系统能量利用率明显提高，一年能节约电费1 2 4 5 万元，节能效果十分可观。四川省遂宁市第二水厂采用大、小泵搭配的优化输水方案，机泵 的效率由原来的7 7 5 提高到8 1 ，能耗由原来的7 7 2 0 k w h 降至6 8 3 6 w h ，效果显著。 c ) 污水源热泵节能技术 污水源热泵节能技术是另一项新兴的节能技术。城市污水是一种很适宜的热泵水源，在 冬季可作为供暖系统热源，而在夏天为空调系统提供冷源。这种技术节能效果十分明显，相 对于用空气作为交换介质的空调。污水空调”可以节能2 5 。污水处理厂中污水源热泵系 统运行流程是污水经潜污泵进入水源热泵系统进行热量互换，在另一端循环泵的作用下，从 污水中收集的能量，由水源热泵进入末端换热器，进行制冷或供暖，使污水中的潜在能量得 到利用，从而达到节能的目的。 城市污水中蕴含的能量是相当可观的，利用污水源热泵技术回收这些潜在能量，进行制 冷或供暖，可以有效节约污水处理厂在这方面的能耗开支，并取得良好的经济效益。所以， 这种技术在污水处理厂中正逐步推广实施。据有关报道，北京高碑店等污水处理厂在用污水 热泵技术代替其他供暖、供冷方式后，电耗大大降低，仅北小河污水处理厂一个夏天就可节 电6 万k w h ；天津纪庄子污水处理厂采用污水源热泵技术进行供暖，与其他供暖系统相 比，其电耗是燃油费用的l 3 ，是燃气锅炉的1 2 ，节能3 0 - 6 0 ：秦皇岛污水处理厂 利用污水源热泵技术进行供暖和制冷，使得冬季室内温度为2 0 - - 2 4 ，夏季室内温度为2 2 2 6 ，而且可以利用污水源热泵系统一机多用的特点，省去锅炉房、冷却塔，减少了对环境的 污染，节省了设备初期投资和运行费用：孟富春等在探讨某污水处理厂的中水高温热泵 供暖设计方案时指出，若该厂以中水作为热源，利用高温热泵可提供温度高达7 0 的热水， 夏季还可以提供制冷，2 年即可回收整个工程的投资。 ( 2 ) 全流程水力优化节能研究应用进展 9 污水提升节能方面的主要研究与应用都主要集中在水泵的运行管理上，处在一种被动应 对的状态下。由于污水提升能耗的主要决定因素是污水提升高度，污水提升高度又取决于污 水处理全流程的水头损失，所以从污水处理工艺全流程的水力状况出发研究污水提升节能的 措施才是根本。这一点已经逐步得到了很多专家学者的关注，但是具体深入的研究还没有实 质性的进展。 在进行污水处理厂水力流程设计时，设计人员都依照相关设计手册，尽量减少污水处理 全流程水头损失的基本要求。在污水处理厂的运行和管理中，一些影响全流程水头损失的主 要部位已经引起了技术人员的注意，例如构筑物的出水口的跌水高度。另外，根据构筑物的 功能和特征，以及它们之间的关系，某些构筑物在水力条件相似的情况下集中布置和建在 一起，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1 2 3j 。这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 目前，从全流程的水力情况研究降低污水提升能耗的研究处在一个理念性的阶段，可以 为设计提供一个宏观性的参考，应用实例很少。本课题研究，就是在这个前提背景下，通过 多种技术手段应用，研究全流程水力设计中降低水头损失的具体应用措施，为以后的设计工 作提供参考。 1 0 第二章污水处理单元水力状况实测研究 2 1 实测内容和方法 2 1 1 水面测量基准点布置 根据a 厂水力流程图，遵循每一水面必测的原则，将待测液面分为以下区域：粗格栅、 污水提升泵房、提升配水井、细格栅、曝气沉砂池、沉砂池出水井、a 2 0 进水井、厌氧区、 缺氧区、好氧区、a 2 0 出水区、二沉池进水渠、平流二沉池、三角堰汇水槽和出水渠，共计 1 5 个区域。由于处理构筑物采用多组并联设置，在每一组构筑物和每一变化液面均设置测 量点，共计1 9 2 个，具体分布情况见表2 1 。 表2 - 1 水面高程测量点统计 2 1 2 高程测量方案 ( 1 ) 测量手段 水面高程测量首先采用水准测量的方法确定基准点。水准测量的原理是借助水准仪提供 的水平视线，配合水准尺测定地面上两点间的高差，然后根据已知点的高程来推求未知点的 高程。水面高程测量采用自制游标卡尺、水位探针，配合钢尺测量，视实际情况而定。 ( 2 ) 测量仪器 水准测量仪器为d z s 3 型光学水准仪和3 m 双面铝合金水准尺：水面测量工具为5 m 钢 卷尺、l m 钢板尺、游标卡尺、报警器、导线、金属线和水位探针。 a ) 游标卡尺组合 游标卡尺与钢板尺、报警器和导线组合在一起，适合测量距离池项不超过1 m 的水位标 高，一般构筑物内部的水位测量采用此法，例如：沉砂池、生物反应池、二沉池等。将游标 卡尺放在池壁基准点上，导线伸到水中，缓慢移动游标，当钢板尺刚好接触到水面时，报警 器由于污水的导电性就会报警，记录游标刻度。 水位标高= 基准点高程一钢尺长度+ 游标刻度+ 底座高度。基准点高程由水准测量获得，钢 尺长度i m ，底座高度为2 5 9 c m 。测量仪器如图2 1 所示。 b ) 水位铅锤探针组合 对于较深水位测量，如提升泵房、出水井等，采用水位探针、金属刻度线、导线和报警器的 组合测量。将导线与水面接触，当铅锤探针刚好接触到水面时，报警器就会发出警报，直接 记录金属刻度线读数。用基准点标高减去金属刻度线读数得到水面标高。测量仪器如图2 - 2 所示。 ( 3 ) 测量方法 一个测站的水准测量工作主要分为：安置仪器、粗略整平、瞄准水准尺、精评与读数。 对于水面高程的测量，开始阶段坚持每个水面比测量原则，待发现规律后，对并列设置的构 筑物，可只选择其具有代表性的一组，得到全流程水位数据即可。这样可以减小测量的工作 量而不影响准确性。 图2 - 1 游标卡尺组合测量 ( 4 ) 测量思路 报警器 图2 - 2 铅锤探针组合测量 a ) 确定初始测量控制点 由于水面高程测量从进水粗格栅开始，初始控制点选在进水格栅间外的路面上，是施工 时的绝对高程控制点( 3 9 8 5 0 ) 。 b ) 确定路面导线测量点，进行导线测量 由于处理构筑物普遍高出地面很多，多组并列且形式多样，基准点设置在池壁上，直接 进行导线测量不易实现。首先，从格栅间测量控制点出发，设置两条水准路线。一条沿构筑 物旁边道路布置测点，另一条设置在生物反应池上。由初始控制点开始进行导线测量，得到 每一测点的精确标高。然后根据就近原则，继续水准测量得到水位测量时的池壁基准点 c ) 导线测量校核 运用支水准路线校核的方法。如图2 3 所示，由已知控制水准点开始，测定l 、2 、3 等 点间的高差，再回到已知水准点，这种路线叫做支水准路线。支水准路线是指沿同一路线进 行往测和返测，往、返测的高差绝对值应相等，而符号相反。实际测量是不相等，这就是闭 ，一 合差。要求误差控制在，：4 0 , 5n l i n ，l 为水准路线长度。 返测 l、j ， 往测 图2 - 3 支水准测量示意图 d ) 构筑物上水准点的复合测量 曝气沉砂池、生物处理池和二沉池构筑物距离路面比较高，利用地面定位的水准点进行 测量不可能一步完成，需要在这些构筑上的池壁边和过道上设置水准点，方便长期的水面测 量。池壁上选定的控制点需要利用构筑物周边道路上已测的高程点作为后视点测量。由于高 差比较大，需要利用复合测量的手段进行测量。如图2 - 4 所示，在a 、b 两点之间增设1 个 临时立尺点。把a 、b 分成2 个测段，逐段测出高差，最后由两段高差求和，得出a 、b 两 点间高差，从而测出b 点标高。用此方法，依次在曝气沉池、生物处理池、二沉池测定高 程控制点，以方便、精确水面测量。 1 2 水 准 尺 最b 图2 - 4 复合水准测量示意图 e ) 测站校核 水准仪测量时，每一水准高程点的测量都是一个测站，选用双面尺法进行测站校核。测 时不改变仪器高度，采用双面尺的红、黑两面两次测量高差，以黑面高差为准，红面高差与 黑面高差比较，若红面高差比黑面高差大，则先将红面高差减去l o o m m ，再与黑面高差比 较，误差在l o m m 以内取平均值，反之，将红面高差加上l o o m m ，再与黑面高差比较， 误差在4 - l o m m 以内取平均值。 f ) 测量结果评价 严格按照上述方案，测量得到1 9 2 个测量点基准点的绝对高程，误差均在允许范围之内。 将测量结果与高程布置图上标注的构筑物平均高程对比，十分吻合，测量结果见附录。 ( 5 ) 测量的困难及解决办法 a ) 测量误差不可避免 测量误差是高程测量中不可避免的。但是如果不加以控制，误差过大会直接影响测量的 准确性，从而影响整个研究的结果。测量误差主要有以下三方面：仪器工具误差、操作误差 和外界条件影响误差。 仪器误差主要是指水准管轴不平行于视准轴的误差和水准尺误差。水准仪虽经检验与校 正，但不可能校正得十分完善。这项误差具有系统性，在水准测量时，尽量将仪器安置在距 前、后视距尺距离相等的位置，这样就可消除该项误差对高差测量所产生的影响。水准尺在 使用前应逐项进行检定，符合要求以后方可使用。做好这两点这项误差就会减至最小。 操作误差主要包括整平误差、读数误差和视差误差，这都是由于在测量中操作不当或疏 忽造成的。只要在测量过程中严格按照规范、谨慎小心做好每一步，这些就会避免。 外界条件误差因素很多，主要有水准尺倾斜、温度的变化、风力作用以及光线的影响等 等。在测量前先观察自然条件，做到心中有数，测量时尽量避开这些因素的干扰，以保证测 量的准确性。 b ) 测量工作量大、任务繁重 一个回合的实测工作涉及到1 9 2 个水面高程的测量，工作量非常大，具有挑战，需要配 备其研究人员进行辅助。 c ) 隐蔽及地下构筑物，水面高程不易测量 某些处理构筑物建在地下，还有一些构筑物表面是封闭的，污水提升泵房、进水井、细 格栅等，水面直接测量比较困难。 针对这一问题，能够打开表面封闭物的处理构筑物，坚决做到用水准测量或探针测量进 行实测；对于实在无法直接接触到水面的，根据相邻水面和设计图纸进行推算。 2 1 3 流量监测方案 污水处理全流程的水位标高直接受到污水厂进水流量的影响，需要对进水流量的变化趋 1 3 势进行监测。选择流量相对稳定的时段进行水位测量，f f j 流量不稳定时段的水位测量作为对 比。每次离程测量要控制四个流量的测量总进水流茸、每 f 【生物处理池的流量、每鹰甲流 沉淀池的进水流量和总出水流量。 ( 1 ) 确定流量比较稳定的时段 对污水处理厂的历史进水流量数据进行综台分析，得到进水水量的宏观变化，找出规律； 然后据此进行个月的流量观察和高程测量实测中确定流量的平均稳定时段。在这个时段 进行重点测量，作为评价高程水力设计的依据。 ( 2 ) 确定流量变化比较明显的时段 分析污水处理厂的历史运行数据，得出规律。对流量变化较明垃的时段进 _ 一般选择测 量。小同流量的高程测量可以为下一步构建全流程水力模型提供更加# 宫的数据参考，结果 也会更加具有代表性。 ( 3 ) 流量的监测手段和记录 每一扶的高稃测量都耍监测流量。包括：进水总流量、出水总流量和每一组处理构筑物 的流量( a 2 0 反应池和= 沉池) 。流量计量方法如下污水提升泵装有计量设备，总进水流 鼍町根据污水提升泉计草确定；总出水量可根据出水管线巴氏计量槽和二沉池薄壁三角堰进 彳亍校棱；曝气沉砂池和a 2 0 反应池的连接管线上装有电磁流量计，每组a 2 0 反应池和二沉 池的流量可通过电磁流量计读数分别除以a 2 0 反应池和二沉池个数求得。 2 2 实测结果分析 2 2 1 流量监测结果分析 a 厂土要处理来自水厂周边地区的生插污水，随着居民每天川水时问的变化，进水总量 也会随2 a 现出明显的规律性。从早晨6 ：0 0 至1 1 ：0 0 污水苗处在迅速上升期，到1 1 ：0 0 左 右上升趋势逐渐平缓；从中午1 1 ：0 0 到次日凌晨2 ：0 0 ，污水量处在个相对稳定期；从凌晨 2 ：0 0 “：0 0 ，污水量开始阿落，井逐步降到最低一个完整的流量变化过牲结束。斟2 - 5 为一 周进水流量竹变化趋势母大的水耸变化时间和幅度基本致，说明a 厂进水流量的变化 具有k 期的稳定性，可咀作为课题研究的参考依据。 目25a 进水总i 曲贽 a 厂流量变化趋势，为力便测量并且能突出对比性分别取上午8 ：0 0 和r 午2 ：0 0 作为 实测时段以r 午2 ：0 0 为主，上午8 ：0 0 作为对比。通过对二期a 2 0 反席