污水處理節(jié)能降耗的途徑
近十年來，我國城市污水處理事業(yè)發(fā)展迅速，城市污水排放量不斷增加，處理要求日益嚴格。根據(jù)《全國“十三五”城市污水處理及循環(huán)利用設施建設規(guī)劃》和《水污染防治規(guī)劃》要求，十三五期間，我國將進一步提升城市污水處理規(guī)模，加強污水處理設施升級改造，特別是敏感區(qū)域，2017年底前全面實施一級A排放標準。
目前污水處理行業(yè)發(fā)展迅速，但其高耗能的行業(yè)特點導致污水處理高能耗設施運行成本不斷增加，能耗隨著處理標準的提高而增加。中國城市污水處理廠的電力消耗在全國總能耗中也占很大比重。根據(jù)國家能源局和住建部“全國城市污水處理管理信息系統(tǒng)”發(fā)布的數(shù)據(jù)，截至2018年底，全國共有城市污水處理廠5360座，處理能力2.01億m3/d；2018年，我國城鎮(zhèn)污水處理工廠用電量192億kW·h，約占當年全社會用電量的0.28%，呈逐年增長趨勢。圖1顯示了2007-2018年中國城市污水處理電廠總用電量和噸水電耗量的變化。從圖中可以看出，隨著我國城市污水處理事業(yè)的快速發(fā)展，我國城市污水處理的用電量和噸水電消耗量快速增長。如何使污水處理廠在滿足處理要求的同時，提高設計和運行水平以節(jié)能降耗，節(jié)約運行成本成為人們重點關注的問題。
一、污水處理工廠能耗特性研究
1.1 污水處理工廠基本信息
為了研究我國典型城鎮(zhèn)污水處理電廠的能耗水平和主要用電分布情況，作者對我國不同地區(qū)具有代表性的污水處理電廠進行了實地調(diào)研。其間選取了連續(xù)穩(wěn)定運行兩年以上(不間斷運行)、負荷率不低于80%的7個污水廠，對各區(qū)用電量進行監(jiān)測。污水廠的基本情況見表1。
1.2污水處理裝置能耗特性分析
所選的7座污水廠均符合《城鎮(zhèn)污染物排放標準》污水處理一級A排放標準(GB18918—2002)。根據(jù)工藝流程，可分為一級處理、二級處理、深度處理、污泥處理和中水五個功能區(qū)。分別安裝用電統(tǒng)計裝置，記錄一年的用電量。
每噸污水的水電消耗及各功能分區(qū)的電力消耗百分比見圖2。從圖中可以看出，2017年入選污水處理廠的平均噸電耗保持在0.2 ~ 0.45 kW·h/m3。根據(jù)五個采用A2O處理工藝的污水處理廠的數(shù)據(jù)，噸電耗與處理規(guī)模之間存在明顯的相關性。處理規(guī)模5萬m3/d的E廠每噸電耗為0.43 kW·h/m3，處理能力10萬m3/d以上的污水廠每噸電耗低于0.3 kW·h/m3。處理規(guī)模越大，功耗越低。各污水廠二級處理段能耗較大，占總用電量的50% ~ 65%，其次是一級處理段和深度處理段，平均分別占19%和16%，部分廠中水用電量占5%以上。
筆者選取了A廠一年全流程主要設備的代表性用電量，系統(tǒng)分析了各設備的用電量。一級處理段主要用電設備為進水提升泵，二級處理段為風機、螺旋槳和回流泵，深度處理段為二級提升泵，污泥處理段為污泥脫水機，中水段為提升泵。
A廠各裝置和設備的電耗統(tǒng)計結(jié)果表明，二級處理裝置和污水升級的能耗較高，約占整個污水處理廠總能耗的80%。一級處理電耗比例達到20%，其中進水提升泵電耗占該單元電耗的85%；二級處理單元的能耗主要集中在鼓風機、攪拌器和內(nèi)外回流泵上，其中鼓風機占單元電耗的59%，占全廠總電耗的43%。廠內(nèi)能耗較大的處理單元為生物處理工段、進水泵房和二級提升泵房，節(jié)能降耗的關鍵設備為風機和提升泵。
二，分析節(jié)能降耗的途徑
2.1設備選擇和優(yōu)化
在設計時，為了保證較大的流量需求，國內(nèi)大多數(shù)城市污水處理工廠(尤其是較早建設的污水處理工廠)普遍存在設備選型過多、配置單一、恒速運行等不合理的問題。污水廠運行過程中，由于進水波動較大，進水提升泵不能始終運行在高效區(qū)，能效較低。同時，污水廠實際進水水質(zhì)往往與設計進水水質(zhì)相差較大。在進水水質(zhì)水量波動的情況下，風機系統(tǒng)由于種類多、型號單一，造成能耗浪費，運行調(diào)節(jié)靈活性差，也可能導致好氧池DO高，然后DO高的內(nèi)回流混合物會進入缺氧池，造成進水碳源損失。由于風機選型過大，在部分被調(diào)查污水廠滿負荷運行過程中，當導流葉片開度調(diào)整至30%時，仍有部分需放空維持好氧池正常DO水平，噸電耗明顯高于其他同類型污水廠。因此，提高設備配置水平，合理選擇設備是污水處理廠降低能耗的關鍵。
隨著行業(yè)節(jié)能意識的提高和節(jié)能技術(shù)的發(fā)展，污水處理廠在新建或改造時已經(jīng)開始注重設備的優(yōu)化配置或技術(shù)改造，如采用變頻技術(shù)、匹配和選擇不同類型的設備、工頻和變頻設備的組合配置、轉(zhuǎn)動葉輪等。，以增強污水廠運行的靈活性。例如，在入口提升泵的配置設計中，一般至少配置一臺變頻泵或一臺小泵，以應對污水處理廠入口水量的波動，同時達到節(jié)省入口提升泵能耗的目的。
2.2峰值功耗
為緩解我國高峰時段負荷高、電網(wǎng)峰谷負荷差大等電力供應緊張問題，國家出臺了相關政策，各省市根據(jù)不同時段用電負荷制定了峰平谷電價和峰平谷電價等不同電價，收費標準依次降低。根據(jù)對城市污水處理廠的調(diào)查，部分污水廠在保證出水穩(wěn)定達標的前提下，在電網(wǎng)負荷較低時增加運行負荷，在用電高峰期減少設備運行次數(shù)或頻率，將用電高峰期的部分電網(wǎng)負荷轉(zhuǎn)移到用電低谷期，從而降低電網(wǎng)的峰谷負荷差。這樣可以降低污水廠的運行成本，實現(xiàn)社會資源的優(yōu)化配置。以下面污水處理廠X為例進行分析，其峰谷用電量及分布如圖3所示。
十、該廠設計規(guī)模為20萬m3/d，水量變異系數(shù)設計值為1.3，運行負荷為80%，處理工藝為氧化溝工藝，出水水質(zhì)符合《城市污水處理廠污染物排放標準》(GB18918—2002)一級A排放標準，平均電耗為0.24 kW·h/m3。X廠所在城市豐平谷的三個時段分別為8小時。從圖3可以看出，高峰期用電量相對穩(wěn)定，月均約40萬kW·h，占總用電量的25.7%，占比很??；平均用電量均衡，占總用電量的30.6%；主要用電量集中在低谷期，占總用電量的43.7%。根據(jù)工廠所在城市電費標準，大工業(yè)用電電費峰值為1.0167元/(kW·h)(6-8月為1.0788元/(kW·h)，平均值為0.675元/(kW·h)，谷值為0.4203元/(kW·h)，X廠錯峰通過。
三。結(jié)論
Urban 污水處理工廠通過提高設備配置水平和技術(shù)改造，可以有效避免因設備選型過多、運行效率低下等設計原因造成的能源浪費。在運行過程中，在出水穩(wěn)定達標的情況下，污水處理廠可以將部分高峰用電運行負荷轉(zhuǎn)移到低負荷時段，有效降低運行成本。(來源:中國市政工程華北設計研究院有限公司)
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