更多关注公众号：环保水处理(HBSCL 01)一、工艺能耗
1、污水处理工艺
污水处理的主要工艺有A/O工艺、A2/O工艺、氧化沟工艺、SBR工艺及其他改进工艺。
城市污水处理厂的一般流程是：进水粗格栅污水提升泵站细格栅沉砂池初沉池好氧活性污泥处理二沉池消毒池出水。
污水处理通常可分为三个单元：预处理、生化处理和污泥处理，如图2所示。
预处理单元包括格栅、提升泵、沉砂池等。主要用于提升污水和除渣除砂，为生化处理创造条件。生化处理单元主要包括曝气系统、回流系统和二沉池，用于去除有机物、氨氮等。污泥处理装置包括浓缩机、脱水机、污泥泵等。使多余的污泥脱水并运出。
不同的处理单元有不同的结构和运行方式，需要根据能耗分布的特点选择合适的方法进行能耗计算。
2、能耗分布
城市污水处理厂消耗的能源主要包括电能、燃料、化学品等势能。其中，用电量占总能耗的60% ~ 90%。
电能消耗主要用于污水和污泥升级、生物处理中的供氧和回流、污泥稳定化和处理等。不同地区、不同规模的污水处理装置能耗分布见表1。
从表1可以看出，生化处理是污水厂能耗的主要部分。其中鼓风曝气耗能最多，一般占50%左右；污水提升过程也是能耗的重要环节，其能耗约占全厂能耗的20%。
要有效降低因此，污水提升和鼓风曝气是需要重点关注的节能环节。,污水处理能耗，首先要调查分析能耗分布和能耗情况，并根据不同处理阶段选择相应的能耗测算方法进行评估。最后，根据不同阶段的能耗特点，给出了有效的调节方案。因此，污水处理厂的节能应该从各个处理单元和设备上进行挖掘和优化。
二、能耗计算方法和公式
污水处理过程通常分为三个单元：预处理、生化处理和污泥处理。各处理单元的能耗不同，需要根据各单元的工艺运行特点，选择相应的能耗计算方法进行能耗评估和预算。
1、预处理单元
提升泵是污水处理厂预处理单元中最耗能的部分，其耗电量约占全厂耗电量的20%。这部分能耗计算公式较少，形式也差不多。
1）污水提升泵电耗的计算式：
w代表电机的实际功耗，kWh；
为污水的密度，取1.0103kg/m3；
g为重力加速度，取9.81m/S2；
q为污水泵的实际流量，m3/s；
h为污水泵的实际工作扬程，m；
1是水泵的效率，取0.65 ~ 0.85；
2为电机的效率，取0.95。
式中：
2）提升泵能量估算公式：是实际污水提升高度，m；
n为电机功率，kW；
R=g，取9.8103N/m3。
式(1)和式(2)简单、准确，在实际工作中应用广泛。同时可以看出，上述提升泵的实际工作扬程对污水提升泵的能耗计算影响很大。
降低泵扬程节能降耗的措施。另外，利用变频控制来控制泵房内的液位，可以提高水泵的工作效率，保证稳定的进水。
式中：
在污水处理过程中，曝气系统在生化处理阶段消耗的能量最多，约占总能耗的50%。系统采用的曝气方式主要分为两类：2、生化处理单元
目前常用的曝气方式是鼓风曝气。曝气的原理是
鼓风曝气：
表面曝气：
式中：α=0.8~0.85；β=0.9~0.97；
EA为氧转化效率；
R为任意状态下的需氧量，m3/h。
式（3）和式（4）简化了繁琐的计算环节。在混合液温度为15~30℃时，采用上述公式比较简单，且可使混合液溶解氧浓度保持在1.5~2.0mg/L。
2）然而，对于其他条件下供气量的计算不适用。鉴于上述公式的条件限制，综合表面曝气和鼓风曝气装置竖向位置不同带来的影响，《给水排水设计手册》给出了实际传氧速率N的换算公式：
鼓风曝气：
表面曝气：
式中：N0为标准传氧速率，kg/h；
CO为混合液剩余DO值，一般用2mg/L；
T为混合液温度，一般为5~30℃；
Csm是清水平均溶解氧值，mg/L；
Csw是清水表面处饱和溶解氧，mg/L；
Csm和Csw可以相互换算：
式中：Qt为曝气池逸出气体中含氧量百分率；
Pb为装曝气装置处的绝对压力，kg/cm2。
该公式的精度较低，适用于准确度要求不高的工程计算。
（7）的修正公式为：
采用式（7）计算时，鼓风机功率及曝气装置数量均大于采用式（8）的计算值，将造成工程投资及运行费用的增加。采用修正后的计算公式，大大降低了工程投资及运行费用。
实际工程设计中可根据供气量和风压值计算鼓风机功率：
式中：Qt为曝气池逸出气体中含氧量百分率；
Pb为装曝气装置处的绝对压力，kg/cm2；
Pa为当地大气压力，kg/cm2；
P为鼓风机计算功率，kW；
n为风机效率，一般取0.7~0.8；
P′为鼓风机出日计算升压，kg/cm2；
W为鼓风机消耗的电能，kWh；
t为鼓风机工作的时间，h。
公式（8）对于平原地区的工程计算是通用的，应用也较为广泛。
平原地区和高原地区的（标准大气压）供气量计算式：
平原地区：
高原地区：
式中：GS为供气量，m3/h；
R0为20℃条件下脱氧清水的充氧量，kg/h；
EA为氧转移效率。
通过供气量计算公式可以看出，供气量的计算原理相差不大，但在不同工程中的计算效率和准确度却不同。在实际工程设计和测量中，需根据实际情况选择合适的公式。
3、污泥处理单元
污泥处理是城镇污水处理过程中的最后一个单元。该阶段耗能大约占污水厂运行全部能耗的11%，其能耗主要体现在污泥、药和设备三个方面。因而，该部分的耗能不容忽视，其能耗的大小主要由污泥产量的多少决定。
1）每日增长的挥发性污泥量的计算式：
式中：ΔX为每日增长的挥发性污泥量，kg/d；
Y为产率系数；
Kd为衰减系数，d-1；
Q为每日处理污水量，m3/d；Sa为进入曝气池的污水中含有有机污染物的浓度，kg/m3；
Se为经生化处理后水中残留的有机污染物的浓度，kg/m3；
V为生化池的有效容积，m3；Xv为混合液中挥发性悬浮固体量，kg/m3。
系统剩余污泥量的计算式：
式中：YH为异养微生物的增殖率，取0.5~0.6；
bH为异养微生物的内源呼吸速率，bH=0.08d-1；
fTH为温度修正系数；
YSS为不能水解的悬浮固体率；
Sin和Sout分别为反应池进水和出水的悬浮固体浓度。
式（13）和式（14）计算详细，准确度高。然而由于公式中的变量较多，且中间系数不易取得，应用范围受到限制。
2）为了更好地计算污泥量，可以采用干污泥量计算公式：
式中：S为干泥量，t/h；
C0为原水浊度设计取值，NTU；
K1为原水浊度单位NTU与悬浮物SS单位mg/L的换算系数，应经过实测确定；
D为药剂投加量，mg/L；
K2为药剂转化成泥量的系数。
式（15）计算准确、简便，应用较多，尤其适用于污水厂排泥系统的设计应用。污泥脱水作为污泥处理的关键技术，其电耗计算式为：
式中：W为水泵及电机节约电耗，kWh；
tds为脱水的干固体重量，t/h；t3为脱水机每天工作时间，h；
b为比能耗，kWh/tds。
式（16）计算简便，变量少且易于取得，应用起来较为方便，更适合污泥处理阶段电能的估算。
三、按照以上公式计算的实际案例
以某污水处理厂数据为例，根据参数采集情况，选择适合的前述公式进行能耗计算。该污水处理厂一期工程2010年开始投入使用，采用A/O工艺对污水进行生物处理后再经人工湿地生态处理。处理污水主要来源于综合生活污水和部分工业废水。日处理规模为1.5万m3/d。
下面结合该厂的相关运行参数，分别从预处理、生化处理、污泥处理三个单元给出能耗计算结果。
1、预处理单元单泵参数如下：
设计流量Q=320m3/h=0.09m3/s，水泵实际扬程H=3m，取η1=0.7，η2=0.95。
正常运行时，平均日工作时2台泵工作，最大日工作时3台泵工作，雨季4台泵同时工作。取平均日工作时（8h）为例，应用式（1）计算能耗，计算结果为624.7845kWh。
水处理新技术、新工艺与设备（第二版）56.40购买
2、生化处理单元鼓风机设计参数如下：
流量GS=20.8m3/min=1248m3/h，升压P′=60kPa=0.61kg/cm2，风机效率n=0.88。
正常运行时，通过生化池内的溶解氧浓度控制风机的开启台数，多数情况是3用1备，应用式（9）和式（10）计算电耗，计算结果为2391.8kWh。
3、污泥处理单元
污泥处理采用带式浓缩脱水一体机（1台）进行脱水，每天工作6h。其脱水的污泥干重tds=7.50t/h，比能耗b=3.07kWh/tds，脱水机每天工作时间t3=10h。
正常运行时，通过生化池内的溶解氧浓度控制风机的开启台数，多数情况是3用1备，应用式（16）计算电耗，计算结果为230.25kWh。
计算能耗与实际能耗的对比结果如下：
由表2可以看出，计算能耗和实际能耗稍有差别。首先，预处理单元中，提升泵能耗的计算值比实际值偏小些。
这是由于计算过程中水泵的效率 η1 和电机的效率 η2 取的实际工程计算中常用的固定值导致的。在实际工程计算中，如果能较为准确地知道其确定值，可更准确地计算其能耗值。
其次，生化处理单元中，鼓风机能耗的计算比实际值偏大些，这是由于计算过程中的参数值大多使用的是设计值（高于实际值）。由于表2中的实际能耗是根据全厂日平均能耗与各部分耗能比例计算而得，因而计算值和实际值出现微小的偏差是正常的。通过对比相同条件下污水处理各单元实际耗能情况和正常耗能情况的差距，寻找最具调控潜力的耗能设备，进行调控。
由表2可知，该污水厂最具调控潜力的耗能设备是生化处理单元的鼓风机。鉴于不同季节的污染物构成及其成分比重不同，尤其是有机物的浓度相差较大，冬季高于夏季，春、秋介于冬夏之间。当有机物浓度发生变化时，应根据有机物的实际需氧量调整曝气量的大小。该厂处于北方地区，冬季降水较少，日污水处理量变动小，可适当调整污水提升范围，减少能耗。
