市政污水處理廠節(jié)能粗評估方法研究
導(dǎo)讀
構(gòu)建節(jié)能粗評估方法，在眾多運(yùn)行的污水處理廠中找到節(jié)能空間較大的，集中力量和資源減低其電費(fèi)成本，通過逐漸降低有節(jié)能空間的污水處理廠電費(fèi)。構(gòu)建的節(jié)能粗評估方法主要針對進(jìn)水提升單元和生物處理單元，從運(yùn)行調(diào)控和設(shè)備配置兩方面進(jìn)行計(jì)算，考慮了運(yùn)行水位、污泥濃度、設(shè)備效率等影響因素，通過計(jì)算優(yōu)化條件下的功率與實(shí)際功率之間的差值，找到節(jié)能空間較大的污水處理廠。為驗(yàn)證該方法有效，從100多座污水處理廠中篩選出4座采用該方法進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果顯示B廠的節(jié)能空間最大，對B廠進(jìn)行詳細(xì)分析后，通過調(diào)整水泵運(yùn)行水位、優(yōu)化排泥等方法將該廠的電耗降低了15%，證明了構(gòu)建的節(jié)能粗評估方法的有效性。
0前言
隨著城鎮(zhèn)水務(wù)市場化發(fā)展，集中運(yùn)行多座污水處理廠的集團(tuán)型水務(wù)公司數(shù)量不斷增加，管理難度逐年增大。為使各個(gè)水廠的運(yùn)營維持有質(zhì)量可持續(xù)發(fā)展，需保證成本支出科學(xué)合理，其中電費(fèi)成本在市政污水處理廠的生產(chǎn)成本中占比較大，需要重點(diǎn)解決。因此急需構(gòu)建城市污水處理廠節(jié)能粗評估方法，以便在眾多污水處理廠中找到節(jié)能空間相對較大的污水處理廠，集中力量和資源降低其電耗，通過逐漸改善有空間的污水處理廠電耗，從而降低公司整體的電費(fèi)成本支出，提高整體運(yùn)行管理水平。但由于影響城市污水處理廠電耗的因素很多，例如處理規(guī)模、產(chǎn)能負(fù)荷率、進(jìn)水水質(zhì)、出水標(biāo)準(zhǔn)、處理工藝、設(shè)備配置等，單從污水處理廠的電耗指標(biāo)數(shù)值無法判斷是否有節(jié)能空間，因此需要在眾多因素中找到可優(yōu)化的關(guān)鍵因素，確定可行的分析方法，從而構(gòu)建體系化且有效的市政污水處理廠節(jié)能粗評估方法。
1目的、原則和評估對象
1.1 構(gòu)建目的
主要目的是建立剔除各污水處理廠不能改變的設(shè)計(jì)因素和環(huán)境因素，僅對能夠通過工作改善以獲得節(jié)能效果的重要因素進(jìn)行分析,構(gòu)建可普適應(yīng)用的節(jié)能粗評估方法和原則，以便在眾多的市政污水處理廠中篩選出節(jié)能空間較大的污水處理廠，集中資源解決問題。
1.2 構(gòu)建原則
客觀性原則: 盡量剔除不可控的影響因素，找到能通過管理提升和技術(shù)更新解決的節(jié)能空間，并且僅關(guān)注項(xiàng)目自身，不關(guān)注橫向?qū)Ρ取?/span>
重要性原則：采用抓大放小的原則，首先關(guān)注節(jié)能節(jié)費(fèi)空間較大的生產(chǎn)環(huán)節(jié)和影響因素，可隨著管理水平不斷提高再逐漸完善。
可操作性原則: 要求該體系的指標(biāo)精煉，計(jì)算簡便，能夠在各污水處理廠均能提供的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上進(jìn)行計(jì)算。
信息溝通原則:該體系的評估結(jié)果能夠反饋有價(jià)值的信息，能夠指導(dǎo)并確定下一步工作方向。
平衡性原則: 要求該體系的短期戰(zhàn)略目標(biāo)與污水處理廠的長期目標(biāo)相一致，避免追求眼前利益損害長期利益的情況出現(xiàn)。
1.3 評估對象
基本實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定達(dá)標(biāo)的污水處理廠，出水水質(zhì)達(dá)標(biāo)率達(dá)到90%以上。
城鎮(zhèn)污水處理廠，工業(yè)廢水比例小于40%。
2指標(biāo)體系
2.1 各處理單元的電耗分析
某座典型城市二級污水處理廠的電耗分布如表1所示。
表1 某典型城市二級處理污水處理廠電耗分布
各主要工藝單元的電耗占比顯示進(jìn)水提升和生物處理單元的電耗是污水處理廠電耗占比最高的兩個(gè)處理單元，因此將進(jìn)水提升和生物處理作為節(jié)能粗評估重點(diǎn)關(guān)注的兩個(gè)處理單元。
2.2 影響因素的分析
城鎮(zhèn)污水處理廠電耗的影響因素，分別為環(huán)境因素、設(shè)計(jì)因素、運(yùn)行調(diào)控因素和設(shè)備配置因素。其中進(jìn)水水質(zhì)和進(jìn)水水量等屬于環(huán)境因素，處理工藝、設(shè)計(jì)規(guī)模和排放標(biāo)準(zhǔn)等屬于設(shè)計(jì)因素，在一座穩(wěn)定運(yùn)行的污水處理廠中環(huán)境因素和設(shè)計(jì)因素是不可優(yōu)化因素，不會(huì)隨著運(yùn)行調(diào)控水平的提升和設(shè)備配置的改善而有所改變，因此節(jié)能粗評估中不考慮此類不可優(yōu)化因素。
運(yùn)行調(diào)控和設(shè)備配置為可優(yōu)化因素，可通過提高運(yùn)行調(diào)控水平或改善設(shè)備配制而降低電耗。通過各處理單元的電耗占比分析，運(yùn)行調(diào)控和設(shè)備配置鎖定進(jìn)水提升和生物處理兩個(gè)主要耗電單元。其中這兩個(gè)單元在運(yùn)行調(diào)控過程中影響電耗的主要因素為水泵的運(yùn)行水位、溶解氧控制、污泥濃度控制等，設(shè)備配置相關(guān)的影響電耗的主要因素為進(jìn)水泵、曝氣風(fēng)機(jī)和曝氣頭等設(shè)備的型號，設(shè)備參數(shù)與實(shí)際工況的符合度、設(shè)備本身的效率等。
因此根據(jù)抓大放小、不斷完善的原則，節(jié)能粗評估主要考慮進(jìn)水提升和生物處理兩個(gè)處理環(huán)節(jié)中能通過運(yùn)行調(diào)控改善和設(shè)備配置改善能夠提高的影響因素，即進(jìn)水提升單元中的運(yùn)行水位、生物處理單元中的溶解氧控制和污泥濃度控制等運(yùn)行優(yōu)化因素，以及提升泵效率、曝氣設(shè)備效率等設(shè)備配置因素。
2.3 評估指標(biāo)的確定
通過以上分析，初步構(gòu)建了節(jié)能粗評估指標(biāo)體系，具體如表2所示。
表2 粗評估指標(biāo)體系
3評估方法
3.1 工藝運(yùn)行電耗空間的評估方法
（1）進(jìn)水提升電耗空間的評估方法。在水泵沒有更換的前提下，將運(yùn)行狀態(tài)由低水位運(yùn)行改變?yōu)楦咚贿\(yùn)行會(huì)降低電耗。改變運(yùn)行水位引起的電耗變化可根據(jù)式（1）計(jì)算：
式中 P提升變化——提升功率變化，kW·h；
Q——提升水量，m³/h；
H變化——提升水位變化，m
η——水泵效率，%。
（2）生物處理電耗空間的評估方法。生物池中MLSS和MLVSS反映了污泥的有效性，MLSS過高，并且MLVSS/MLSS比值較低，說明池中有效污泥過少，惰性污泥會(huì)影響氧傳質(zhì)效率，需要增大曝氣量來維持運(yùn)行，從而增加電耗。理論污泥濃度可通過式（2）計(jì)算：
式中 Q——進(jìn)水量，m³/h;
X——反應(yīng)池混合液濃度，mg/L；
Si——進(jìn)水BOD5濃度，mg/L；
Se——出水BOD5濃度，mg/L；
θd——污泥齡，d；
Yt——污泥產(chǎn)率，kgSS/kgBOD5；
Vo——好氧池容積，m³。
將實(shí)際污泥濃度與理論污泥濃度進(jìn)行對比，若超過50%，則認(rèn)為污泥濃度控制的過高。測試并計(jì)算MLVSS/MLSS比值，若該比值小于0.5，則認(rèn)為該廠需要排泥，減小惰性污泥的占比。
惰性污泥在超過3 000 mg/L，每增加1 000 mg/L影響氧轉(zhuǎn)移效率降低20% (3)，假定影響電耗增加10%，可按照理論MLSS和MLVSS/MLSS為0.5核算理論MLVSS。由MLVSS引起的電耗變化可通過式（3）計(jì)算：
式中 P曝氣變化——曝氣功率變化，kW·h；
MLVSS變化——實(shí)際MLVSS與理論MLVSS的差值；
P曝氣——曝氣功率，kW·h。
3.2 設(shè)備配置電耗空間的評估方法
（1）進(jìn)水提升泵電耗空間的評估方法。關(guān)注運(yùn)行年限較長，提升水量和提升高度已經(jīng)下降比較明顯的水泵，根據(jù)實(shí)際運(yùn)行的水量和揚(yáng)程，選擇符合實(shí)際要求的高效水泵，并確定其效率。更換水泵前后的電耗變化可按式（4）計(jì)算：
式中 P水泵變化——水泵更換的功率變化，kW·h；
Q——提升水量，m³/h；
H——提升水位，m；
η新水泵/舊水泵——新舊水泵效率，%。
（2）風(fēng)機(jī)的電耗空間的評估方法。關(guān)注運(yùn)行年限較長，且型號比較老舊的風(fēng)機(jī)，例如多級離心、羅茨等低效風(fēng)機(jī)。根據(jù)實(shí)際運(yùn)行所需的水量和水質(zhì)，確定符合實(shí)際要求的高效風(fēng)機(jī)的型號，確定其功率。更換風(fēng)機(jī)前后的電耗變化可按式（5）計(jì)算：
式中 P風(fēng)機(jī)變化——風(fēng)機(jī)更換的功率變化，kW·h；
P新風(fēng)機(jī)/舊風(fēng)機(jī)——新舊風(fēng)機(jī)功率，kW·h；
T運(yùn)行時(shí)間——運(yùn)行時(shí)間，h。
3.3 全廠電耗空間的評估方法
全廠節(jié)能空間主要由以上4項(xiàng)因素組成，因此可根據(jù)式（6）進(jìn)行計(jì)算：
4結(jié)果示例和應(yīng)用
在100多座污水處理廠中篩選出4座污水處理廠用以上評估方法進(jìn)行計(jì)算。評估結(jié)果如圖1所示。
圖1 示例污水處理廠評估結(jié)果
4.1 評估結(jié)果
（1）根據(jù)評估結(jié)果，B廠的可優(yōu)化電耗空間最大，可在提高提升泵運(yùn)行水位、加強(qiáng)排泥、提高水泵和風(fēng)機(jī)的設(shè)備效率等方面進(jìn)行深入分析和診斷。
（2）4座污水處理廠均在曝氣優(yōu)化方面存在較大優(yōu)化空間，可進(jìn)一步在溶解氧控制和污泥濃度控制等方面開展工作。
4.2 結(jié)果應(yīng)用
（1）根據(jù)該方法確定以B廠作為重點(diǎn)水廠開展節(jié)能優(yōu)化工作。
（2）針對B廠的實(shí)際情況進(jìn)行深入分析和診斷，根據(jù)診斷結(jié)果確定以下調(diào)整方案，第一階段保證進(jìn)水提升泵在高水位下運(yùn)行、加強(qiáng)排泥并同步檢測MLVSS和MLSS，逐漸使MLSS和MLVSS＼MLSS貼近理想值，在此基礎(chǔ)之上，逐步調(diào)整曝氣量，使好氧池末端DO控制在2左右。第二階段由于水泵使用年限較長，效率已大幅下降，更換高效率水泵可取得較好的節(jié)能效果，且經(jīng)過計(jì)算后投入回收期在2年之內(nèi)，因此確定更換水泵。在以上方案的執(zhí)行下，B廠單位水量電耗下降15%，由0.4 kW·h/m³降至0.34 kW·h/m³。
5結(jié)論
（1）構(gòu)建的節(jié)能粗評估方法，可初步計(jì)算各污水處理廠的節(jié)能空間，優(yōu)先找到節(jié)能空間較大的污水處理廠進(jìn)行詳細(xì)診斷，例如文中的4座污水處理廠經(jīng)過計(jì)算后，優(yōu)先對B廠進(jìn)行詳細(xì)診斷。
（2）構(gòu)建的節(jié)能粗評估方法，能夠大致指明節(jié)能優(yōu)化的大致方向，例如文中的B廠第一階段先調(diào)整進(jìn)水提升泵運(yùn)行水位，保持高水位運(yùn)行，加大排泥減小無效電耗。第二階段更換高效率的水泵。取得了較好的節(jié)能效果。
（3）節(jié)能粗評估方法是依據(jù)客觀性原則、重要性原則、可操作性原則、信息溝通原則、平衡性原則構(gòu)建的，目前主要針對進(jìn)水提升和生物處理兩個(gè)環(huán)節(jié)，可隨著管理精度的提高，逐漸改善并補(bǔ)充內(nèi)容。
對原文有修改。原文標(biāo)題：市政污水處理廠節(jié)能粗評估方法研究；作者：劉芳、王光輝、鄭鵬凱；作者單位：北京首創(chuàng)生態(tài)環(huán)保集團(tuán)股份有限公司。刊登在《給水排水》2020年第11期。
