市政污水處理廠節(jié)能粗評估方法研究
全康環(huán)保: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。
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?/p>
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主要耗電單元。其中這兩個單元在運(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)行時間――運(yùn)行時間，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。