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城鎮污水處理廠節能策略

發布時間:2020-9-12 9:10:07  中國污水處理工程網

  截至 2017 年底,全國設市城市污水處理能力達 1.57億 m3/d,全國累計處理污水量達 462.6 億 m3。2017 年全國全社會用電量為 63077 億 kW·h,污水處理電耗占比約 0.4%。同時,在污水處理環節,相對于美國污水廠平均電耗指標 0.2kW·h/m3、日本污水廠 0.26kW·h/m3,我國污水處理廠耗電量均值在 0.3kW·h/m3 左右,大幅度高于發達國家,節能空間較大。由此可見污水處理廠節能降耗的重要性與迫切性。

  1 污水處理廠能源消耗特征

  污水處理廠能源消耗類型包括電力、熱力、蒸汽、天然氣、柴油、汽油等及耗能工質,其中電耗約占污水處理綜合能耗的 60% ~ 90%。用于描述污水處理廠的能效指標,除了常用的單位綜合處理能耗、單位綜合處理電耗、單位水處理電耗、單位污泥處理電耗,亦有部分污水處理廠采用了去除單位 BOD5 能耗、去除單位 COD 能耗、每年服務的單位人口當量能耗、每年設計的單位人口當量能耗等指標來描述能源消耗情況。污水處理廠能效指標與以下因素有關:(1)污水處理規模。在其他因素相同的情況下,在設計處理能力范圍內,污水處理廠單位綜合處理能耗與處理規模成反比;(2)進出水濃度。進水濃度越高,排放標準越高,單位綜合處理能耗越大;(3)處理工藝。通常采用膜處理單元的污水處理廠,膜生物反應池 MLSS 濃度高需加大水動力和曝氣強度,且泥水分離過程需保持膜驅動壓力,單位綜合處理能耗較大;(4)運行負荷。較低的運行負荷會增加單位綜合處理能耗。

  按照廠區各功能單元劃分,污水處理廠能源消耗的統計范圍:(1)生產系統,包括格柵、預處理系統、生化反應系統及回流系統等,需要注意的是,在進行污水廠能耗對標分析、橫向比較的時候,需將生產系統能耗統計口徑進行統一,部分污水處理廠的生產系統不包括深度處理,或處理后污泥含水率較高,會顯示出較低的能耗指標;(2)輔助生產系統,包括供電系統、機修車間和庫房等;(3)附屬生產系統,包括辦公室、食堂、司機班、車間浴室、休息室、更衣室等;(4)企業內貯存、轉換、計量供應(包括外銷)損耗。在整個污水處理的過程中(不含污泥處理單元),生化處理單元運行能耗占整個污水處理廠的 55% ~ 60%,能耗占比最大;污水提升系統用電量占比約 25%。污泥脫水、消化和處理,處理車間除臭,亦是設施較完備的污水處理廠的重要用能環節。由于上述設施在我國現狀污水處理廠尚未大規模普及,因此在環保要求日益嚴格的將來,污水處理廠的能源消耗總量和強度將會有顯著的提升。以下著重分析預處理、生化處理、污泥處理三個環節的能源消耗特點。

  1.1 預處理

  污水提升與混合的泵機系統是預處理單元中的高耗能環節。泵的功率、電機、泵所采用的驅動系統、流量控制方式是泵機效率的主要影響因素。如果實際運行條件與泵的最佳效率點不能匹配,就是因泵機內部液體產生的湍流、摩擦和回流現象將導致泵機系統效率降低和水頭損失。預處理單元的主要耗能設備包括污水提升泵、沖洗泵等。具體聯系污水寶或參見http://www.gxxzysw.com更多相關技術文檔。

  1.2 生化處理

  生化處理中的曝氣是該處理單元的關鍵性耗能環節,約占總能耗的 50%。曝氣系統的能耗收到需氧菌種群、進水負荷、出水水質、處理工藝、處理規模和運行年限等因素的影響。生化處理單元主要耗能設備包括鼓風機、污泥回流泵、推進器、攪拌器等。華南某污水處理廠的曝氣電耗如表 1 所示。

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  1.3 污泥處理

  常用的污泥處理工藝包括污泥濃縮、消化、脫水、穩定化等環節,污泥處理系統能耗與進泥量、進泥泵選型和運行方式、出泥含水率等因素有關。華南某采用改良 AAO 工藝的污水處理廠,各處理環節的主要耗能設備:(1)預處理環節為污水提升泵、沖洗泵、事故排污泵、羅茨鼓風機;(2)生化處理環節為潛水推進器、好氧~缺氧回流泵、鼓風機;(3)消毒及尾水處理環節為尾水提升泵;(4)污泥處理環節為污泥干化機、進料泵、壓榨水泵、水洗泵。廣東某采用 AAO 微曝氧化溝工藝處理生活污水和工業廢水混合污水的污水處理廠,針對預處理、生化處理、污泥處理單元的設備能耗進行了分析,結果顯示,羅茨曝氣風機、污泥提升泵、污泥回流泵、格柵除污機、帶式壓濾機、反沖洗泵的運行能耗占比分別為 42%、30%、7%、5%、3%、2%。

  2 污水處理廠節能策略與措施

  2.1 對于預處理環節的節能措施

  預處理環節的能源消耗主要是來自污水的提升泵,其能源消耗占整個預處理環節的能源消耗的 95%。目前,多數污水處理廠在水泵選型的時候選擇的設備揚程較高,導致了能源消耗高。在進行水泵揚程設計時,要將污水處理系統的總水位差利用水力學進行精確的計算。另外,還有一些城鎮中的污水處理廠未對進廠水量進行調節以實現連續進水,從而導致水泵頻繁啟停,導致泵房的能源消耗非常高。在泵組選型的基礎上,根據進水特點合理調整水泵運行編組,如變頻泵與定速泵相結合,使其在安全運行的范圍內實現高水位運行,亦有利于節能。此外,定期對水泵機組進行檢修和維護,及時更換軸承和葉輪,通過減小表面粗糙度實現水泵的持續高效運行。

  2.2 對于曝氣系統采取的節能措施

  目前,多數采用活性污泥法的污水廠普遍存在溶解氧濃度波動大、曝氣過量等問題,影響污水處理效果的同時導致能源的低效利用。曝氣系統可從下幾方面來實現節能目標:(1)根據日高峰或者時高峰需要的溶解氧量合理設定曝氣系統規模,曝氣量的有效把控可以使活性污泥在溶解氧不充足的時段還能正常工作一個階段,同時不影響出水水質;(2)選擇曝氣設備時綜合考慮供氧能力和調節能力,以提高曝氣系統的實際曝氣效率;

  (3)利用變頻調速系統來進行風量調控;(4)設計的反應器結構要按照氧傳遞規律來設計。

  北方某污水處理廠結合水質水量特點通過在線檢測溶解氧濃度,將其控制在既滿足出水水質要求時的最低濃度要求,并保證進入二沉池的處理水具有一定溶解氧濃度防止厭氧反應的發生,以合理降低鼓風機風量,達到節約曝氣能耗的效果。此外,目前污水處理廠多采用微孔曝氣,裝置易產生堵塞從而增加電耗和維修保養成本,而射流曝氣器在氧轉移效率等方面有明顯優勢,單位用電量處理 BOD5、COD 的量比微孔曝氣裝置分別高 30%、110%,顯示出更高的能源利用效率。某些污水處理廠采用了數學模型、模擬仿真、人工智能等手段來控制生化處理單元的曝氣量,但目前這些手段的應用尚未大規模推廣。

  2.3 對于污泥處理環節的節能措施

  污泥處理環節中污泥脫水是關鍵的能耗單元,可通過高效絮凝劑的投加提高污泥的沉降性能,達到降低能源消耗的目的。過熱電聯產系統對厭氧消化產生的沼氣加以利用,可為污水處理廠的其他單元供應能源,實現能源收益。污泥立式高干度脫水、污泥囊式厭氧消化、污泥除砂式預處理、高效熱解爐、四軸式大容量的漿葉干化等措施都能一定程度上可以實現節能,通過這些措施把污泥轉換成了燃氣,從而實現了資源化利用。此外,通過污泥熱水解等預處理手段在減小污泥體積的同時,還可以提高污泥中易生物降解物質的占比,從而增加沼氣的產量。現階段,研究機構已經建造了核心的設備,可以使我國的市政污泥還有其他的廢棄物達到充分利用,因此此設備已經被有效推廣,為我國的能源轉化環節,還有污泥處理能力做出了很大的貢獻。充分利用厭氧消化過程中產生的沼氣,作為污泥處理所需能量來源,亦能實現節能效益。對于具備一定規模的污水處理廠,可通過搭建運行厭氧消化—熱電聯產裝置,來實現污水處理廠部分能耗的自給。

  3 對于污水處理廠進行節能工作的發展

  污水管網、污水泵站、污水處理廠共同形成城鎮龐大的污水處理體系,而這個龐大體系如何達到污水處理的高效能、安全性、滿負荷工作,從而達到各類污染物排放標準,實現設備的節能降耗,運營成本的降低,是相關運營者所面臨的極具實際意義的課題。在我國政策的大力要求下,某地區已經研制出污水管網和污水處理廠聯合工作,從而達到了高效能,安全性和滿負荷的要求,這套技術主要利用了先進的信息技術和互聯網技術,能夠實時監測,從而對能源進行有效的調控。此技術不只利用了信息技術,還利用了 GPS 和 PCL 技術,它主要利用的是儀表和攝像功能,可以對工作環節進行有效的把控,從而實現了人工智能系統,每個設備還能把數據內容進行共享,從而使監控的力度和精確度都得到了提高,這一舉措讓污水處理廠的運營更加便捷和高效。此外,此系統應用了人工智能以保障系統的安全運作,此系統的開發填補了我國污水處理行業的空白,從而實現了利用新科技實現人工智能管控,也達到了國家政策要求的節能降耗要求,使城鎮的污水處理工作能夠快速開展,還節約了能源。

  4 結束語

  北京市于 2014 年印發了《城鎮污水處理能耗消耗限額》(DB T1118-2014),是全國首個關于污水處理能耗的地方性標準。污水處理廠的一些高能耗環節能通過有效的技術降低能耗,使污水處理的更加經濟和高效。技術人員還要加大對污水處理各個環節的研究,研發出更好的技術服務于污水處理工作,保障我國經濟更快更好的向前發展。(來源:廣東省國際工程咨詢有限公司)

 

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