污水處理廠能耗分析指標(biāo)的比較與評估

污水處理廠能耗分析指標(biāo)的比較與評估

全國廢水量大，廢水能耗與污水處理廠的運(yùn)營成本密切相關(guān)。近年來，它引起了人們的關(guān)注。根據(jù)建設(shè)部統(tǒng)計數(shù)據(jù),2005年全國城市污水排放總量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792座,設(shè)計能力5725萬m3/d,其中二級以上694座,設(shè)計能力4791m3/d。以一級污水處理廠0.072kW·h/m3,二級污水處理廠0.338kW·h/m3推算,2005年全國城市污水處理廠應(yīng)消耗電能為61.56億kW·h。根據(jù)《全國城鎮(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,全國城鎮(zhèn)污水處理廠將消耗電能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、生產(chǎn)部門帶來了沉重的經(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,在滿足處理要求的同時,使建設(shè)費(fèi)用和運(yùn)行費(fèi)用最低,一直是人們關(guān)注的問題。能耗分析的研究國內(nèi)外對污水處理過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對美國污水處理單元過程進(jìn)行了直接和間接能耗調(diào)查,并預(yù)計能耗在污水處理設(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提出潛在耗氧勢的概念,不僅考慮有機(jī)碳和氨氮在污水處理過程的耗氧,還考慮氮磷排放導(dǎo)致藻類生長在環(huán)境中分解所需耗氧的二級需氧要求。這一概念考慮了污水工藝出水對生態(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的運(yùn)行過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,沒有明確的邊界界定、統(tǒng)一的能耗審計和評估的指標(biāo),各種工藝間的橫向比較難以進(jìn)行?，F(xiàn)有指標(biāo)不能反映污水處理廠不同單元的能耗特點(diǎn),不能有針對性的進(jìn)行能耗評估,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能耗分析的邊界,并根據(jù)實(shí)際運(yùn)行中污水處理廠各部分能耗的特點(diǎn),建立統(tǒng)一的能耗指標(biāo)評估污水廠的能耗水平。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)能潛力的識別以及能耗管理水平的提升。能耗統(tǒng)計在實(shí)際能耗中的應(yīng)用以A2O,氧化溝和SBR三種我國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,這三種工藝在數(shù)量和處理能力方面都占到全國80%左右),在全國范圍內(nèi)選擇了10座污水處理廠作為重點(diǎn)研究對象,進(jìn)行了針對污水處理廠實(shí)際能耗情況的調(diào)查研究。調(diào)研以污水處理廠的能耗計量狀況、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)際計量狀況為基礎(chǔ),結(jié)合相應(yīng)時間段內(nèi)用能設(shè)備的運(yùn)行時間,確定每一部分的能耗,將能耗分解到發(fā)生能好的每臺設(shè)備和裝置上。在此基礎(chǔ)上,將全廠能耗按能耗特點(diǎn)分成三個單元來整合處理,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。并針對每一部分的能耗特點(diǎn),設(shè)計能反映單元能耗水平的的評估指標(biāo)。部分污水處理廠有深度處理、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污水處理廠能耗的比例很小,所以本文沒有單獨(dú)分析這部分能耗。污水單元設(shè)計預(yù)處理單元的特點(diǎn)是為后續(xù)的處理提供預(yù)處理,在幾種常見工藝當(dāng)中沒有顯著區(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的核心單元,生化處理單元能耗在全長能耗中的比例從50%~70%,是污水處理廠的主要能耗節(jié)點(diǎn)。生化處理單元的特點(diǎn)是通過對污水進(jìn)行生化處理,也是污水處理廠的核心單元。以二級污水處理廠為例,生化處理單元根據(jù)不同工藝類型,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程提供氧氣。清華大學(xué)的朱五星等對污水處理廠的需氧量進(jìn)行過理論研究,提出了包括有機(jī)物降解所需耗氧量與硝化需氧量,同時考慮到污水廠剩余污泥的排放,反硝化過程消耗的反硝化所需要的有機(jī)碳源的污水處理廠耗氧量。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衡量曝氣系統(tǒng)的能耗是不適宜的。本文提出以國際水質(zhì)協(xié)會(IWAQ)提出的污水處理Benchmark國際基準(zhǔn)中的水質(zhì)衡量指標(biāo)體系為基準(zhǔn)。但對能耗管理和節(jié)能潛力、途徑分析來說還需要更進(jìn)一步的指標(biāo)去識別節(jié)能潛力。實(shí)際上,作為能耗重點(diǎn)單元,曝氣系統(tǒng)也是近年來節(jié)能研究的重點(diǎn)。節(jié)能途徑主要分三大類,第一類通過設(shè)備升級等方式提高氧在水中的利用率,如微孔曝氣設(shè)備通過提高氧的傳質(zhì)效率起到節(jié)能的效果;第二類是通過模擬和優(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)備的開啟臺數(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;第三類是通過變頻等技術(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)。第一類節(jié)能途徑通過提高傳質(zhì)效率降低風(fēng)量,第二類節(jié)能途徑通過識別運(yùn)行中的過量曝氣狀況降低風(fēng)量,第三類通過提高供風(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的供風(fēng)量來衡量,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.常開設(shè)備周期運(yùn)行這個子系統(tǒng)是污水處理廠的各子系統(tǒng)中通常是設(shè)備臺數(shù)最多的,大部分是污水處理廠中各個構(gòu)筑物上的常開設(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)能耗的相對穩(wěn)定,與大多數(shù)設(shè)備在污水處理廠運(yùn)行期間常開或周期運(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的規(guī)模相關(guān),故使用噸水單耗就可以很好的評估這部分能耗水平,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)包括污泥車間和相關(guān)處理過程,主要是對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,故簡單的用噸水單耗來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。在國內(nèi),羊壽生對我國典型一級、二級污水處理廠各單元進(jìn)行過能耗估算,給出了估算值,但是研究并沒有揭示各部分的能耗的影響因素,沒有根據(jù)各部分能耗的特點(diǎn)給出估算值(統(tǒng)一使用噸水單耗來表示)