污水處理廠(chǎng)能耗分析指標(biāo)的比較與評(píng)估

污水處理廠(chǎng)能耗分析指標(biāo)的比較與評(píng)估

全國(guó)廢水量大，廢水能耗與污水處理廠(chǎng)的運(yùn)營(yíng)成本密切相關(guān)。近年來(lái)，它引起了人們的關(guān)注。根據(jù)建設(shè)部統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù),2005年全國(guó)城市污水排放總量360億m3,城市污水處理量186億m3,污水處理率51.7%。城市污水集中處理廠(chǎng)792座,設(shè)計(jì)能力5725萬(wàn)m3/d,其中二級(jí)以上694座,設(shè)計(jì)能力4791m3/d。以一級(jí)污水處理廠(chǎng)0.072kW·h/m3,二級(jí)污水處理廠(chǎng)0.338kW·h/m3推算,2005年全國(guó)城市污水處理廠(chǎng)應(yīng)消耗電能為61.56億kW·h。根據(jù)《全國(guó)城鎮(zhèn)污水處理及再生利用設(shè)施建設(shè)規(guī)劃》,到2010年底,年污水處理量達(dá)到297億m3。據(jù)此推算,到2010年,全國(guó)城鎮(zhèn)污水處理廠(chǎng)將消耗電能100億kW·h。而運(yùn)行費(fèi)用高,能量消耗大,處理污染物的巨大費(fèi)用已經(jīng)給相關(guān)的市政部門(mén)、生產(chǎn)部門(mén)帶來(lái)了沉重的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)。如何使污染處理設(shè)施在最佳狀態(tài)下運(yùn)行,在滿(mǎn)足處理要求的同時(shí),使建設(shè)費(fèi)用和運(yùn)行費(fèi)用最低,一直是人們關(guān)注的問(wèn)題。能耗分析的研究國(guó)內(nèi)外對(duì)污水處理過(guò)程中的能量消耗以及優(yōu)化運(yùn)行的研究很有限,大大滯后于與水質(zhì)特性相關(guān)的機(jī)理和應(yīng)用研究。Wesner對(duì)美國(guó)污水處理單元過(guò)程進(jìn)行了直接和間接能耗調(diào)查,并預(yù)計(jì)能耗在污水處理設(shè)施運(yùn)行費(fèi)用中所占的比例將越來(lái)越大。W.F.Owen以直接能耗和間接能耗的概念,闡述和比較了各種污水處理與污泥處理工藝。Karlsson提出潛在耗氧勢(shì)的概念,不僅考慮有機(jī)碳和氨氮在污水處理過(guò)程的耗氧,還考慮氮磷排放導(dǎo)致藻類(lèi)生長(zhǎng)在環(huán)境中分解所需耗氧的二級(jí)需氧要求。這一概念考慮了污水工藝出水對(duì)生態(tài)造成的影響從而拓寬了能耗分析的概念,但是,這種方式不便作為污水廠(chǎng)的運(yùn)行過(guò)程中能耗的衡量手段和能耗管理的依據(jù)。綜合以上研究現(xiàn)狀不難發(fā)現(xiàn),在能耗分析研究中,沒(méi)有明確的邊界界定、統(tǒng)一的能耗審計(jì)和評(píng)估的指標(biāo),各種工藝間的橫向比較難以進(jìn)行。現(xiàn)有指標(biāo)不能反映污水處理廠(chǎng)不同單元的能耗特點(diǎn),不能有針對(duì)性的進(jìn)行能耗評(píng)估,不便于作為能耗管理和節(jié)能潛力分析的依據(jù)。因此,有必要根據(jù)能耗管理的需要界定污水處理廠(chǎng)能耗分析的邊界,并根據(jù)實(shí)際運(yùn)行中污水處理廠(chǎng)各部分能耗的特點(diǎn),建立統(tǒng)一的能耗指標(biāo)評(píng)估污水廠(chǎng)的能耗水平。新的指標(biāo)應(yīng)能反映各部分的能耗水平,便于進(jìn)行工藝間的橫向比較、深入的能耗分析、節(jié)能潛力的識(shí)別以及能耗管理水平的提升。能耗統(tǒng)計(jì)在實(shí)際能耗中的應(yīng)用以A2O,氧化溝和SBR三種我國(guó)采用的典型污水處理工藝為重點(diǎn)(根據(jù)建設(shè)部統(tǒng)計(jì),這三種工藝在數(shù)量和處理能力方面都占到全國(guó)80%左右),在全國(guó)范圍內(nèi)選擇了10座污水處理廠(chǎng)作為重點(diǎn)研究對(duì)象,進(jìn)行了針對(duì)污水處理廠(chǎng)實(shí)際能耗情況的調(diào)查研究。調(diào)研以污水處理廠(chǎng)的能耗計(jì)量狀況、實(shí)際能耗情況、水量水質(zhì)信息為關(guān)注點(diǎn),收集資料和數(shù)據(jù),用能計(jì)量數(shù)據(jù)記錄,每日的水量記錄,進(jìn)出水水質(zhì)記錄以及與能耗物耗相關(guān)的其他記錄(污泥相關(guān)數(shù)據(jù))等。根據(jù)相關(guān)資料,確定用能計(jì)量設(shè)備的結(jié)構(gòu)和能耗的發(fā)生點(diǎn),根據(jù)實(shí)際計(jì)量狀況為基礎(chǔ),結(jié)合相應(yīng)時(shí)間段內(nèi)用能設(shè)備的運(yùn)行時(shí)間,確定每一部分的能耗,將能耗分解到發(fā)生能好的每臺(tái)設(shè)備和裝置上。在此基礎(chǔ)上,將全廠(chǎng)能耗按能耗特點(diǎn)分成三個(gè)單元來(lái)整合處理,即預(yù)處理單元、生化處理單元和污泥處理單元,并分析影響各單元能耗的因素和特征。并針對(duì)每一部分的能耗特點(diǎn),設(shè)計(jì)能反映單元能耗水平的的評(píng)估指標(biāo)。部分污水處理廠(chǎng)有深度處理、中水處理、除臭、污泥消化等設(shè)施和單元,但這些都不是典型污水處理廠(chǎng)的組成單元,所以在本文中不予分析。此外辦公用電占到整個(gè)污水處理廠(chǎng)能耗的比例很小,所以本文沒(méi)有單獨(dú)分析這部分能耗。污水單元設(shè)計(jì)預(yù)處理單元的特點(diǎn)是為后續(xù)的處理提供預(yù)處理,在幾種常見(jiàn)工藝當(dāng)中沒(méi)有顯著區(qū)別,均有提升污水、去除水中雜質(zhì)(各種柵渣、沙、油等)便于后續(xù)處理的穩(wěn)定運(yùn)行等功能。該單元具體的包括:格柵間,進(jìn)水泵房,沉沙池、隔油池等相應(yīng)子單元。預(yù)處理單元能耗利用率作為指標(biāo),不僅便于進(jìn)行節(jié)能分析,還有利于進(jìn)行節(jié)能管理和節(jié)能工作的開(kāi)展。生化單元及相關(guān)單元的構(gòu)成生化處理單元是污水處理廠(chǎng)的核心單元,生化處理單元能耗在全長(zhǎng)能耗中的比例從50%~70%,是污水處理廠(chǎng)的主要能耗節(jié)點(diǎn)。生化處理單元的特點(diǎn)是通過(guò)對(duì)污水進(jìn)行生化處理,也是污水處理廠(chǎng)的核心單元。以二級(jí)污水處理廠(chǎng)為例,生化處理單元根據(jù)不同工藝類(lèi)型,子單元的構(gòu)成上有所區(qū)別。主要由初沉池、生化反應(yīng)池、二沉池等相關(guān)單元。雖然生化單元構(gòu)成復(fù)雜,不同工藝還有不同的特點(diǎn),但是都可以分成兩部分,即曝氣系統(tǒng)和其他機(jī)械系統(tǒng)。1.認(rèn)識(shí)到節(jié)能潛力的指標(biāo)曝氣系統(tǒng)的作用是向有氧降解過(guò)程提供氧氣。清華大學(xué)的朱五星等對(duì)污水處理廠(chǎng)的需氧量進(jìn)行過(guò)理論研究,提出了包括有機(jī)物降解所需耗氧量與硝化需氧量,同時(shí)考慮到污水廠(chǎng)剩余污泥的排放,反硝化過(guò)程消耗的反硝化所需要的有機(jī)碳源的污水處理廠(chǎng)耗氧量。需氧量與水質(zhì)指標(biāo)以及運(yùn)行方式有緊密的聯(lián)系,因此,僅考慮水量影響的噸水單耗來(lái)衡量曝氣系統(tǒng)的能耗是不適宜的。本文提出以國(guó)際水質(zhì)協(xié)會(huì)(IWAQ)提出的污水處理Benchmark國(guó)際基準(zhǔn)中的水質(zhì)衡量指標(biāo)體系為基準(zhǔn)。但對(duì)能耗管理和節(jié)能潛力、途徑分析來(lái)說(shuō)還需要更進(jìn)一步的指標(biāo)去識(shí)別節(jié)能潛力。實(shí)際上,作為能耗重點(diǎn)單元,曝氣系統(tǒng)也是近年來(lái)節(jié)能研究的重點(diǎn)。節(jié)能途徑主要分三大類(lèi),第一類(lèi)通過(guò)設(shè)備升級(jí)等方式提高氧在水中的利用率,如微孔曝氣設(shè)備通過(guò)提高氧的傳質(zhì)效率起到節(jié)能的效果;第二類(lèi)是通過(guò)模擬和優(yōu)化運(yùn)行的方式,精確控制風(fēng)量(在機(jī)械曝氣系統(tǒng)中表現(xiàn)為曝氣設(shè)備的開(kāi)啟臺(tái)數(shù)和運(yùn)行頻率的控制),達(dá)到降低曝氣量進(jìn)而起到節(jié)能的效果;第三類(lèi)是通過(guò)變頻等技術(shù)手段提高鼓風(fēng)機(jī)、機(jī)械曝氣機(jī)的運(yùn)行效率,使得曝氣設(shè)備一直能在較高效的狀態(tài)下穩(wěn)定運(yùn)行,進(jìn)而起到節(jié)能的效果。為了體現(xiàn)不同的節(jié)能途徑達(dá)到的節(jié)能效果,有必要細(xì)化指標(biāo)。作為曝氣系統(tǒng)中的重要參數(shù)-風(fēng)量就是合適的指標(biāo)。第一類(lèi)節(jié)能途徑通過(guò)提高傳質(zhì)效率降低風(fēng)量,第二類(lèi)節(jié)能途徑通過(guò)識(shí)別運(yùn)行中的過(guò)量曝氣狀況降低風(fēng)量,第三類(lèi)通過(guò)提高供風(fēng)效率降低設(shè)備能耗。所以前兩種適合以去除單位污染物時(shí)的供風(fēng)量來(lái)衡量,而第三種適合以提供單位風(fēng)量所消耗的能耗為指標(biāo),而這兩者的乘機(jī)就是曝氣系統(tǒng)的總能耗指標(biāo)。2.常開(kāi)設(shè)備周期運(yùn)行這個(gè)子系統(tǒng)是污水處理廠(chǎng)的各子系統(tǒng)中通常是設(shè)備臺(tái)數(shù)最多的,大部分是污水處理廠(chǎng)中各個(gè)構(gòu)筑物上的常開(kāi)設(shè)備(在SBR等間歇運(yùn)行的工藝中,表現(xiàn)為周期運(yùn)行)。機(jī)械系統(tǒng)能耗的相對(duì)穩(wěn)定,與大多數(shù)設(shè)備在污水處理廠(chǎng)運(yùn)行期間常開(kāi)或周期運(yùn)行方式相關(guān)。所以機(jī)械系統(tǒng)能耗主要與污水處理廠(chǎng)的規(guī)模相關(guān),故使用噸水單耗就可以很好的評(píng)估這部分能耗水平,也適合作為不同工藝間機(jī)械系統(tǒng)能耗比較的指標(biāo)。能耗及能耗分析污泥處理系統(tǒng)包括污泥車(chē)間和相關(guān)處理過(guò)程,主要是對(duì)初沉池和二沉池所分離的污泥進(jìn)行濃縮脫水等處理。具體的,包括污泥濃縮機(jī)、濃縮機(jī)進(jìn)泥泵、濃縮機(jī)出泥泵、濃縮機(jī)加藥泵、絮凝劑制備裝置、脫水機(jī)、脫水機(jī)加藥泵、沖洗水泵、脫水機(jī)進(jìn)泥泵、消化池進(jìn)泥泵、無(wú)軸螺旋輸送機(jī)等設(shè)備。污泥處理系統(tǒng)的能耗與排泥量、含水率以及污泥的脫水性能密切相關(guān),而且與絮凝劑的效果也有關(guān)系,所以用噸水單耗不能很好的評(píng)估這部分的能耗。而產(chǎn)泥率主要受污水水質(zhì)情況、生化處理單元工藝運(yùn)行的影響,故簡(jiǎn)單的用噸水單耗來(lái)衡量污泥處理單元能耗是不能反映污泥處理單元的能耗水平的。在國(guó)內(nèi),羊壽生對(duì)我國(guó)典型一級(jí)、二級(jí)污水處理廠(chǎng)各單元進(jìn)行過(guò)能耗估算,給出了估算值,但是研究并沒(méi)有揭示各部分的能耗的影響因素,沒(méi)有根據(jù)各部分能耗的特點(diǎn)給出估算值(統(tǒng)一使用噸水單耗來(lái)表示)