根据德国环境署的一项研究,污水处理厂的耗电量约占德国总耗电量的 1%。 然而,从个体污水处理厂运营方的角度来看,这个乍听之下非常小的百分比却提供了极具吸引力的节能潜力。 有一个典型的例子可以证明污水处理厂的节能潜力,就是曝气池。 例如,最先进的鼓风机技术和需求驱动控制技术可以对能源密集型曝气池的曝气过程中进行优化,并以相对较小的代价显著提升处理厂的经济效益。
这一出发点对城市和市政当局尤为重要。 城市污水处理厂运营方的能源需求一览表显示,城镇污水处理厂的耗电量占城市总耗电量的相当大比例(约 20%)。 因此,与学校、医院、供水或其他市政和城市能源消耗单位相比,水处理厂的作用可以用至关重要来形容。
但是,污水处理厂的节能潜力常常被低估。 时至今日,许多污水处理厂仍在使用不规范和低效的曝气系统,这些系统的耗电量在总耗电量中占据很大一部分。 然而,从今天的角度来看,污水处理厂中不规范和非需求驱动的曝气技术已经过时。 空气悬浮离心风机、螺杆风机和螺杆压缩机等高效系统在市场上销售已有数年时间。 这些设备不仅自身具备更高的效率,还可以在广泛的部分负载范围内运行,甚至可以一起运行来获得最佳的整体效率。 这样就能对曝气池需求分布中的负载变化做出最优响应,并持续降低能源成本。
我们的指南不仅将介绍曝气技术对污水处理厂经济效益的重要性,还将指出需求驱动型鼓风机技术的潜力。 另外,我们还将展示污水处理厂运营方可以如何优化曝气池,从初步分析到联锁控制。
曝气技术对污水处理厂经济效益的重要性
污水处理厂每年消耗巨量电能,约为 4,400 千兆瓦时 (GWh)。 这个数字与一座现代化燃煤发电厂的年发电量大致相同,相当于每年产生约 300 万吨二氧化碳。 因此,提高污水处理厂的能效不仅有利于运营方(通常是镇、市或自治市),对环境也有好处。
要让污水处理厂的工艺变得更节能,曝气值得重点考虑。 在许多情况下,曝气池中安装的鼓风机所需的能源占总需求的 60% 至 80%。 那么,曝气技术对污水处理厂究竟意味着什么呢?
曝气池是污水处理厂的主要净化阶段。 处理厂使用曝气系统将空气中的氧气引入曝气池,目的是促进好氧微生物的生长。 这些微生物会分解有机污染物,并形成吸附污染物的活性污泥,然后在二级处理池中将这些活性污泥从处理过的污水中分离出来,再送回活性污泥池或作为污水污泥使用。 另外,引入的氧气还负责将污水中的铵态氮氧化成硝酸盐,从而为微生物去除铵态氮做好准备。
污水处理厂的能耗通常以每 PE 每年千瓦时表示,其中 PE 代表人口当量。 通常情况下,这一数值会随着污水处理厂规模的扩大而降低,因为可以发挥规模经济效应。 德国环境署规定了污水处理厂耗电量的数量级,可用于定向目的:
人口当量 | 具体耗电量 规模等级 1 | < 1,000 | 75 kWh/(EW x a) 规模等级 2 | 1,000 – 5,000 | 55 kWh/(EW x a) 规模等级 3 | 5,000 – 10,000 | 44 kWh/(EW x a) 规模等级 4 | 10,000 – 100,000 | 35 kWh/(EW x a) 规模等级 5 | > 100,000 | 32 kWh/(EW x a) |
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值得注意的是,尽管 4 级和 5 级污水处理厂的具体能源需求较低,但其耗电量却占总耗电量的 87% 左右。 这种规模的污水处理厂在总共 10,000 座污水处理厂中只占约 22%,但却承担着超过 90% 的人口当量。
在典型的污水处理厂中,生物处理和二级处理在能源需求中的占比最大。 不过,其他工艺步骤也需要电能:
- 生物净化和二级处理 67%
- 污泥处理 11%
- 絮凝过滤 8%
- 基础设施和其他耗电单位 6%
- 废水泵送系统 5%
- 机械净化阶段 3%
因此,污水处理的能源优化主要集中在生物处理阶段。 对北莱茵-威斯特法伦州 85 家污水处理厂的综合分析表明,曝气池的优化措施尤为有效: 与在其他领域采取的措施相比,这些措施节省了约两倍的能源。
从技术和能源方面优化生物净化阶段的可能性体现在多个方面。 包括更换鼓风机系统、有针对性地改进运行管理和避免压力损失,以及投资于不易堵塞的高效泵技术。
基本负载、峰值负载和低负载 — 利用现代通风技术按需提供
市政和工业污水处理厂的曝气池在很大程度上具有负载分布波动的特点。 一天中污水量的波动、降水量的变化、季节性影响以及污水中不同程度的污染都会导致需求量的波动,有时甚至会出现负载骤变。 另外,还必须考虑季节性温差,因为这个因素也会对活性污泥池中所需的氧气量产生影响。
现代化的活性污泥池曝气理念旨在通过最有效的曝气技术来应对污水处理厂不断变化的需求分布。 如果有针对性地对空气悬浮离心风机、螺杆风机和螺杆压缩机的优势加以利用,就可以确保通风系统在基本负载需求、高峰负载需求和低负载需求时都能在高效运行状态下运行。
例如,就设计而言,空气悬浮离心风机具有出色的效率,而正排量鼓风机则可在较宽的部分负载范围内使用,而且效率也不错。 如果能同时利用这两种技术的优势,就能制定出符合污水处理厂个性化要求的理想曝气概念,从而为客户提供最佳解决方案。
为此,AERZEN 开发了一种复合概念,可随时提供定制的高效氧气供应。 这个由三种产品组成的概念有一个响亮名字 — “Performance³”,它让污水处理厂运营方能够将最佳效率与最高的运行安全性、可靠性和经济性结合起来。
这三个系列专为基本负载、峰值负载和低负载的需求驱动型供气而设计。 AT 和 TB 空气悬浮离心风机系列在设计上具有出色的效率,因此主要用于基本负载范围。 为了产生峰值负载和低负载,AERZEN 采用了 Delta Blower 系列中的可调正排量鼓风机和 Delta Hybrid 型螺杆鼓风机。
Performance³ 产品组合技术参数一览:
技术 | 系列 | 容积流量 | 压力范围 | 控制范围 |
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涡轮鼓风机 | AT 和 TB | 300 – 16,200 m³/h | 400 – 1,000 mbar | 40 – 100% |
正排量鼓风机 | Delta Blower | 30 – 15,000 m³/h | -500 – 1,000 mbar | 25 – 100% |
旋叶压缩机 | Delta Hybrid | 110 – 9,000 m³/h | -900 – 1,500 mbar | 25 – 100% |
一步步成为高效污水处理厂
为了对污水处理池曝气技术的能耗改进潜力进行可靠的评估,首先需要对现有的曝气技术和负载分布进行详细分析。 只需进行广泛的测量和分析就可以确定并量化能源现代化措施的潜力。 AERZEN 创新的 AERaudit 服务可以帮助污水处理厂有针对性地优化鼓风机站的使用方式和效率。
分析阶段结束后,通风概念将借助更高级别的控制系统来实现。 例如,AERZEN 的创新型 AERsmart 设备控制系统,它能够以理想的方式在各种技术及其各自的效率之间分配空气量,从而可持续地提高设备效率,使其接近理论最优值。 单是控制系统优化一项措施,就能实现高达 15% 的可观节能潜力。 除专有的 Performance³ 系列外,该系统还能控制第三方产品。
AERsmart 联锁控制系统的独特之处在于,它能够随时将所需氧气需求分配给机械设备,让每个负载点都能在最高效的工作状态下运行。 控制系统会结合不同鼓风机各自的特性图和效率,选择最适合当前运行状态的鼓风机技术组合。