污水處理廠能耗識(shí)別及節(jié)能潛力分析

污水處理廠能耗識(shí)別及節(jié)能潛力分析

由于中國(guó)廢水大量產(chǎn)生，污水處理量不斷增加，因此污水處理能耗不容忽視。2010年初,借助于住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部《全國(guó)城鎮(zhèn)污水處理信息管理系統(tǒng)》平臺(tái),國(guó)家城市給水排水工程技術(shù)研究中心抽樣選取了全國(guó)2009年運(yùn)行的1856座污水處理廠,進(jìn)行了全年能耗特征分析。研究表明,2009年運(yùn)行的1856座污水處理廠的年均電耗約為0.254kW·h/m3,與日本1999年污水處理廠的能耗(0.26kW·h/m3)相當(dāng),比美國(guó)1999年0.20kW·h/m3的水平略高。但是,日本和美國(guó)的能耗水平中普遍含有我國(guó)城鎮(zhèn)污水處理廠沒有涵蓋的污泥消化和焚燒工藝,由此可見,我國(guó)城鎮(zhèn)污水處理廠的能耗水平仍處于發(fā)達(dá)國(guó)家20世紀(jì)后期的水平,仍具有較大的節(jié)能降耗空間。因此,隨著我國(guó)城鎮(zhèn)污水處理規(guī)模的不斷加大、排放標(biāo)準(zhǔn)的不斷提高,全面提升我國(guó)污水處理廠的減排能力,保障穩(wěn)定達(dá)標(biāo)并同時(shí)達(dá)到省地、節(jié)能、降耗的效果,已經(jīng)成為必然選擇和今后的發(fā)展方向。結(jié)合江蘇省某A2/O工藝污水處理廠的一、二期工程實(shí)例,以工藝全流程各能耗單元為研究對(duì)象,對(duì)污水處理廠的主要能耗點(diǎn)進(jìn)行識(shí)別;并將污水處理廠的進(jìn)水水質(zhì)及水量與主要能耗單元的能耗特征進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析研究,對(duì)主要能耗點(diǎn)的節(jié)能潛力及節(jié)能途徑進(jìn)行深入剖析,以期對(duì)我國(guó)城鎮(zhèn)污水處理廠的節(jié)能降耗、優(yōu)化運(yùn)行控制等方面提供參數(shù)指導(dǎo)和技術(shù)支持。1深度處理單元—能耗現(xiàn)狀及主要能耗點(diǎn)的識(shí)別江蘇省某污水處理廠采用A2/O工藝,一、二期工藝于2008年上半年完成升級(jí)改造,總的處理水量為10×104m3/d,出水水質(zhì)執(zhí)行《太湖地區(qū)城鎮(zhèn)污水處理廠及重點(diǎn)工業(yè)行業(yè)主要水污染物排放限值》(DB32/1072—2007)的要求。改造后,在原有A2/O工藝的基礎(chǔ)上,增設(shè)了深度處理單元———轉(zhuǎn)盤過濾系統(tǒng)。生物系統(tǒng)好氧區(qū)中段改造為人工填料區(qū)(按50%左右填充率投加),以增加好氧段的活性污泥濃度,提高硝化速率,特別是增強(qiáng)了冬季低溫條件下的硝化效果;為了使填料能夠處于流化狀態(tài),進(jìn)行了池型改進(jìn),并增加了混合動(dòng)力設(shè)備。該污水廠升級(jí)改造后的工藝流程見圖1。對(duì)該污水處理廠改造前(2007年)、改造后(2009年)全流程能耗進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析,結(jié)果見圖2(圖中能耗比例為各單元能耗與總能耗之比)。由圖2可知,改造前、后主要能耗點(diǎn)均為進(jìn)水泵房、鼓風(fēng)系統(tǒng)和混合動(dòng)力系統(tǒng),三者能耗比例之和占污水處理廠總能耗的70%以上;污泥處置、內(nèi)外回流系統(tǒng)的能耗所占比例均在10%以下,屬于次級(jí)能耗點(diǎn)。而初沉池、格柵、二沉池及深度處理系統(tǒng)的能耗較低,能耗比例均低于2%。為此,僅對(duì)主要能耗點(diǎn)進(jìn)水泵房、鼓風(fēng)系統(tǒng)和混合動(dòng)力系統(tǒng)進(jìn)行節(jié)能降耗潛力及途徑分析。2主要油耗點(diǎn)的油耗空間分析2.1利用前端管網(wǎng)蓄蓄量的節(jié)能技術(shù)目前,對(duì)進(jìn)水泵房的節(jié)能多采用大小泵結(jié)合及變頻控制,使水泵盡量在高效區(qū)運(yùn)行,達(dá)到節(jié)能的目的,而利用污水廠前端管網(wǎng)蓄水能力實(shí)現(xiàn)進(jìn)水泵節(jié)能的研究很少。充分利用污水廠前端管網(wǎng)的蓄水能力,不僅可以提高泵前進(jìn)水水位,減少泵的開啟臺(tái)數(shù),降低進(jìn)水泵的能耗,同時(shí)也可以有效調(diào)節(jié)污水廠的進(jìn)水流量波動(dòng),特別是雨季的流量峰值,保障工藝的處理效果及穩(wěn)定性。該污水處理廠進(jìn)水泵房共配置7臺(tái)潛水排污泵,5臺(tái)功率為130kW,3用2備;2臺(tái)功率為115kW,1用1備,無變頻控制系統(tǒng),采用交替運(yùn)行方式,泵吸水揚(yáng)程為120kPa。該污水處理廠前端管網(wǎng)設(shè)置4座主提升泵站,流量總和約為19×104m3/d(一、二、三期總的處理流量),泵站到污水處理廠的污水管網(wǎng)坡度較低,為0.05%,長(zhǎng)度最短的一條管道也超過5km長(zhǎng),管徑為1.5~2m。因此4座泵站到污水處理廠的管道蓄水能力至少為15×104m3,具有巨大的蓄水能力。該污水處理廠2009年進(jìn)水泵房的能耗如表1所示。由表1可知,在2009年3月—8月,平均進(jìn)水流量為19.5×104m3/d,而其他月份的進(jìn)水平均流量為17.4×104m3/d,污水廠通過多開一臺(tái)115kW的水泵,月平均進(jìn)水流量只增加了12%,即通過犧牲一臺(tái)水泵的能耗來增加12%的進(jìn)水流量,存在較大的能耗浪費(fèi)。因此,可以考慮利用前端管網(wǎng)的蓄水能力,調(diào)蓄(2~3)×104m3的污水,實(shí)現(xiàn)少運(yùn)行1臺(tái)功率為115kW的污水泵,達(dá)到節(jié)能的目的。進(jìn)水泵的實(shí)際功率根據(jù)實(shí)測(cè)電流和電壓值進(jìn)行監(jiān)測(cè)獲取,再采用求平均值的方法測(cè)算實(shí)際功率,具體計(jì)算公式如下:式中P實(shí)———實(shí)際功率I———實(shí)際電流cosφ———功率因數(shù)由表1可知,2009年3月—8月進(jìn)水泵的月均耗電量為0.050kW·h/m3,其他月份進(jìn)水泵的月均噸水耗電量為0.041kW·h/m3,利用前端管網(wǎng)蓄水能力,少開一臺(tái)水泵,進(jìn)水泵的噸水耗電量可降低20%左右,節(jié)能效果明顯?；谶B通管原理,利用前端管網(wǎng)調(diào)蓄流量,進(jìn)水泵房的進(jìn)水井水位也相應(yīng)提高,按照水泵軸功率(N)的計(jì)算公式N=ρQH/η(其中ρ為流體密度,Q為泵的實(shí)際流量,H為泵的有效壓頭,η為泵的效率),當(dāng)一臺(tái)潛污泵安裝到位后,泵的效率η和流體密度ρ是一定的,而軸功率N的大小與Q和H成正比,即進(jìn)水流量Q一定時(shí),泵的有效壓頭越低,則水泵能耗越低。因此,提高進(jìn)水井水位,盡量減小水泵的吸水揚(yáng)程可以有效降低水泵能耗?？紤]到增加污水廠前端管網(wǎng)蓄水能力,會(huì)提高進(jìn)水泵的泵前水位,進(jìn)而可降低水泵的吸水揚(yáng)程,達(dá)到節(jié)能目的。綜上所述,僅通過利用前端管網(wǎng)的蓄水能力,進(jìn)水泵房就可以減少水泵的運(yùn)行臺(tái)數(shù),達(dá)到20%的節(jié)能效果。如果考慮前端管網(wǎng)蓄水提高進(jìn)水水位,則節(jié)能效果更加明顯。這種進(jìn)水泵節(jié)能途徑僅通過細(xì)化運(yùn)行管理模式就能實(shí)現(xiàn),與變頻控制節(jié)能和大小泵結(jié)合節(jié)能相比,具有成本低、運(yùn)用面廣、易理解操作的特點(diǎn),同時(shí)也可以與進(jìn)水泵房其他節(jié)能途徑有效結(jié)合。2.2能耗浪費(fèi)浪費(fèi)該污水處理廠對(duì)曝氣系統(tǒng)的運(yùn)行管理較為粗放,鼓風(fēng)機(jī)的開啟主要根據(jù)運(yùn)行管理人員的經(jīng)驗(yàn),并沒有考慮進(jìn)、出水水質(zhì)變化加以調(diào)節(jié),極易造成能耗浪費(fèi)。值得注意的是,這種曝氣系統(tǒng)管理模式為我國(guó)大部分污水處理廠所采用。根據(jù)污水處理廠的工程實(shí)例,結(jié)合曝氣系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)及進(jìn)、出水水質(zhì)情況,提出以下兩種曝氣系統(tǒng)節(jié)能方案:(1)根據(jù)污水處理廠的進(jìn)水水質(zhì)和水量,對(duì)曝氣系統(tǒng)進(jìn)行季節(jié)性控制,實(shí)現(xiàn)曝氣系統(tǒng)的優(yōu)化節(jié)能控制(方案一);(2)根據(jù)污水處理廠生物池沿程氨氮濃度變化,實(shí)現(xiàn)曝氣系統(tǒng)的節(jié)能降耗(方案二)。2.2.1不同季節(jié)動(dòng)態(tài)運(yùn)行條件對(duì)系統(tǒng)節(jié)能的影響該污水處理廠一、二期進(jìn)水及出水水質(zhì)見表2。根據(jù)2009年一、二期進(jìn)水水質(zhì)情況,對(duì)生物池曝氣系統(tǒng)需氧量進(jìn)行核算,并將其作為曝氣系統(tǒng)節(jié)能途徑的研究基礎(chǔ)。一年中不同月份的水溫等條件不同,則好氧段污泥活性有所差異,一般是溫度越低則硝化速率越差。采用方案一進(jìn)行節(jié)能分析,結(jié)果見表3。按不同月份的水溫條件,將污水處理廠的運(yùn)行分為兩個(gè)區(qū)間:第一區(qū)間為氣溫<20℃的11月—4月;第二區(qū)間為氣溫>20℃的5月—10月。統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明,第一區(qū)間的11月份生物池單位需氧量的耗電量最小,在基本運(yùn)行條件相當(dāng)?shù)那闆r下,第一區(qū)間的其他月份單位需氧量的耗電量明顯偏高,說明其他月份可能存在曝氣過量現(xiàn)象,導(dǎo)致單位需氧量的耗電量升高。為此以11月的單位需氧量耗電量為基準(zhǔn),優(yōu)化第一區(qū)間其他月份的運(yùn)行。同理第二區(qū)間以10月的單位需氧量耗電量為基準(zhǔn),對(duì)其他月份的運(yùn)行進(jìn)行優(yōu)化。由表3可知,優(yōu)化后的曝氣系統(tǒng)節(jié)能空間較大。其中以2月份的節(jié)能空間最大,為59.86%。經(jīng)計(jì)算可得,曝氣系統(tǒng)的年均節(jié)能空間為32.96%。2.2.2填料區(qū)出口樣品的氨氮濃度a按生物池的水流方向,在不同功能區(qū)的進(jìn)口和出口設(shè)置取樣點(diǎn),對(duì)生物池沿程氨氮濃度和溶解氧濃度進(jìn)行監(jiān)測(cè)(見圖3)。結(jié)果表明,從取樣點(diǎn)7處開始,氨氮濃度開始下降,并在取樣點(diǎn)8處(填料區(qū)的進(jìn)口)開始急劇下降,到填料區(qū)出口取樣點(diǎn)10處時(shí),氨氮已經(jīng)下降到5mg/L以下,之后的取樣點(diǎn)11和取樣點(diǎn)12處均為好氧段,但氨氮濃度未有明顯下降?？梢?取樣點(diǎn)10處的氨氮濃度已經(jīng)達(dá)到一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)。分析表明,圖3中的陰影部分為可以節(jié)省的生物池池容,同時(shí)也可節(jié)省相應(yīng)的曝氣能耗和混合動(dòng)力能耗。經(jīng)計(jì)算,這兩個(gè)區(qū)域所占的空間占生物段容積的17.5%,占好氧段容積的48%,則節(jié)省的曝氣能耗至少為15%。2.3其他功能區(qū)的設(shè)計(jì)結(jié)果該污水廠過渡段在夏季時(shí),通常按缺氧區(qū)模式運(yùn)行。由于生物池過渡段2的攪拌密度為5.1Wm3,明顯低于除填料段以外其他功能區(qū)的攪拌密度(填料段需強(qiáng)曝氣以增強(qiáng)攪拌效果,因此不做比較)。因此,可以根據(jù)過渡段2的攪拌密度優(yōu)化其他功能區(qū),優(yōu)化結(jié)果如表4所示。根據(jù)該污水廠的實(shí)際攪拌密度,對(duì)生物池混合動(dòng)力設(shè)備進(jìn)行節(jié)能優(yōu)化,節(jié)能空間可以達(dá)到40%。3節(jié)能潛力的分析建立污水處理廠工藝全流程能耗餅圖是進(jìn)行污水處理廠能耗分析的基礎(chǔ),通過能耗餅圖,可以對(duì)污水處理廠的主要能耗點(diǎn)進(jìn)行有效識(shí)別,確定節(jié)能降耗的研究重點(diǎn)。通過對(duì)采用A2/O工藝的某污水處理廠主要能耗點(diǎn)進(jìn)水泵房、曝氣系統(tǒng)和混合動(dòng)力系統(tǒng)的能耗分析,確定了如下主要的節(jié)能途徑:(1)進(jìn)水泵房。利用前端管網(wǎng)的蓄水能力,節(jié)省一臺(tái)進(jìn)水泵的能耗,同時(shí)提高進(jìn)水井的水位,降低水泵的吸水揚(yáng)程,達(dá)到節(jié)能的目的,年平均節(jié)能空間為20%。(2)曝氣系統(tǒng)。首先根據(jù)污水處理廠進(jìn)水水質(zhì)和水量變化,對(duì)曝氣系統(tǒng)能耗進(jìn)行季節(jié)性控制,達(dá)到節(jié)省曝氣能耗的目的,通過計(jì)算,年節(jié)能比例為32.96%;其次根據(jù)污水處理廠一年中12個(gè)月份的生物池沿程氨氮濃度變化,對(duì)曝氣池的池容利用率進(jìn)行核算,經(jīng)計(jì)算節(jié)能空間可達(dá)到15%以上;綜合考慮兩種節(jié)能途徑,曝氣系統(tǒng)的節(jié)能空間可達(dá)到40%以上;同時(shí)可以節(jié)省生物段池容為17.5%。(3)混合動(dòng)力系統(tǒng)。根據(jù)不同功能區(qū)的實(shí)際攪拌密度,結(jié)合工藝的處理效果,對(duì)各功能區(qū)的攪拌密度進(jìn)行