小型城鎮(zhèn)污水廠節(jié)能降耗措施與實踐

張紅春，唐國華，張嘉惠，李 培，王凱麗，張仁珍

（昆山市污水處理有限公司，江蘇 蘇州 215301）

0 引言

近年來，隨著國家對污水排放標準要求提高，許多地方大力推進污水處理廠提標改造[1-2]。2019年住房和城鄉(xiāng)建設部等三部委聯(lián)合印發(fā)了《城鎮(zhèn)污水處理提質(zhì)增效三年行動方案（2019—2021年）》[3]，在此大政策環(huán)境背景下，江蘇省頒布實施了《太湖地區(qū)城鎮(zhèn)污水處理廠及重點工業(yè)行業(yè)主要水污染物排放限值》（DB 32/1072—2018），明確要求江蘇省太湖地區(qū)城鎮(zhèn)污水處理廠在一級A排放標準基礎上進一步提高排放標準[4-6]。污水處理廠出水執(zhí)行標準的提升，將直接提高污水處理能耗。

對于建造時間較長的小型污水處理廠，在面臨多次提質(zhì)增效及技術(shù)改造后，仍要保證污水廠正常運行，且需實現(xiàn)投入少、節(jié)能效果好等問題。

現(xiàn)以昆山某污水處理廠效能提升改造工程為例，在污水處理廠排放標準和節(jié)能降耗要求提高的情況下，通過設施精簡、設備更新再到控制優(yōu)化，依次開展節(jié)能降耗工作，實現(xiàn)污水處理廠節(jié)能降耗。

1 效能綜合評估

1.1 效能綜合評估方案

1.1.1 評估目標

污水處理廠運行效能評估的目標是明確污水處理廠運行過程中存在的核心問題，提出污水處理廠優(yōu)化運行和節(jié)能降耗的潛力和方向，為污水處理廠整體效能的提升提供基礎數(shù)據(jù)和判斷依據(jù)。

1.1.2 評估原則與思路

污水處理廠運行效能評估的原則是范圍明確、數(shù)據(jù)有效、評價客觀、結(jié)論可靠，評估思路如圖1所示。

圖1 評估線路圖

1.1.3 評估內(nèi)容

根據(jù)污水處理廠歷史運行資料和現(xiàn)場調(diào)研信息，對污水處理廠的進水水質(zhì)特征、處理效能、運行能耗進行系統(tǒng)評估，明確污水處理廠運行過程中存在的核心問題，提出污水處理廠節(jié)能降耗的潛力和方向。

1.2 示例污水廠案例

1.2.1 污水處理廠概況

該污水處理廠總體規(guī)模3萬m3/d，一期現(xiàn)有工程規(guī)模為2 000 m3/d，二期、三期現(xiàn)有工程規(guī)模均為4 000 m3/d；四期、五期工程建設規(guī)模均為1萬m3/d，處理工藝采用“A2/O工藝+微絮凝工藝”，日平均處理水量為1.34萬m3/d，進出水水質(zhì)情況如表1所列。經(jīng)過處理后尾水排放至朝南港，出水水質(zhì)標準滿足《2018蘇州特別排放限值》。

表1 2019年污水處理廠進出水水質(zhì)平均值一覽表 單位：mg/L

1.2.2 污水廠現(xiàn)狀分析評估

根據(jù)昆山某污水處理廠的2019年的歷史運行資料和現(xiàn)場調(diào)研信息，對該污水處理廠進水特征、處理效能、運行能耗進行系統(tǒng)評估。

1.2.2.1 進水特征

通過對該污水處理廠過往數(shù)據(jù)統(tǒng)計，得出進水特征數(shù)值如表2所列。

表2 污水處理廠進水特征數(shù)值表

由表2可知：

BOD5/CODCr比值的波動范圍為0.29~0.99，平均值為0.58，表明該廠的進水可生化性整體較好，但存在進水可生化性較低的風險。

BOD5/TN比值的波動范圍為1.13~17.49，平均值為5.05，表明該廠生物脫氮碳源水平總體較高。

BOD5/TP比值的波動范圍為14.54~107.78，平均值為44.93，表明該廠的生物除磷碳源水平不高。

SS/CODCr與SS/BOD5比值的波動范圍較大，變化范圍分別為0.35~0.73和0.39~1.73，平均值分別為0.52和0.90，表明該廠進水SS中無機組分的比例較高。

1.2.2.2 處理效能分析

（1）工藝處理效能分析。

2019年該污水處理廠在當前運行工況下，出水CODCr、BOD5、SS、NH3-N、TN、TP濃度均100%滿足設計標準要求（GB 18918—2002中的一級A標準），且出水濃度均較穩(wěn)定，達標率均為100%（見表3）。

表3 污水處理廠處理效能數(shù)值表

（2）設施處理效能分析。

通過對污水處理廠生化系統(tǒng)的設計資料匯總，實際進水水質(zhì)與設計進水水質(zhì)的校核，各期生化段構(gòu)筑物設計處理能力和最大處理能力詳見表4所列。

表4 該污水處理廠各期生化系統(tǒng)設計處理量一覽表

根據(jù)對生化系統(tǒng)處理水量的評估和主要處理構(gòu)筑物進行仿真模擬核算（見圖2），一至五期最大總處理能力可達到4.1萬m3/d，該廠處理設施具有較大的調(diào)節(jié)空間。

圖2 對生化系統(tǒng)主要處理構(gòu)筑物仿真模擬核算圖示

（3）運行能耗分析。

a.整體能耗分析。

該污水處理廠2019年的月均水處理用電量如表5所列。2019年第二季度的月均水處理用電量明顯偏高，第二季度比第四季度多耗電13.38%。

表5 污水處理廠月均水處理用電量表

該污水處理廠2019年的日均電單耗如圖3所示，可以看出運行能耗波動較大且具有一定的規(guī)律性。該廠日均水處理電單耗的變化范圍為0.365~1.616 kW/（h·m3），平均值為0.672 kW/（h·m3）；7—11月的日均水處理電單耗處于低谷狀態(tài)，12—4月處于峰值狀態(tài)。

圖3 2019年污水廠用電單耗分布圖

b.能耗組成分析。

在對各工藝單元進行能耗分析時，發(fā)現(xiàn)如圖4所示的情況，生物處理段電能耗占整個污水廠能耗的67.35%，預處理段能耗約占27.17%，污泥處理段及其他約占全廠能耗的5.48%。說明該污水廠在生物處理段和預處理段有節(jié)能空間。

圖4 污水處理廠能耗分布圖

在對污水廠設備進行能耗分析發(fā)現(xiàn)，鼓風機的能耗占比最大為59.93%，其次是回流泵為19.91%左右。眾所周知，鼓風機在污水廠運行中屬于常開設備，且占比總能耗最大，優(yōu)化鼓風機運行，可以很大程度上節(jié)能，表6為風機設備運行現(xiàn)狀統(tǒng)計表。

表6 風機設備運行現(xiàn)狀統(tǒng)計表

通過校核設計水質(zhì)水量與實際水質(zhì)水量與生化性系統(tǒng)供風量能力的匹配度返現(xiàn)，廠區(qū)各期配置的鼓風機基本處于低負荷運行、且部分風機水泵老舊、高能低效，直接導致曝氣能耗較高。此外，現(xiàn)有各期系統(tǒng)鼓風機供風能力滿足超負荷進水處理要求，從設備優(yōu)化角度評估，具備優(yōu)化條件。

c.運行藥耗分析。

該污水處理廠藥劑使用主要包括碳源、PAC、PAM和次氯酸鈉。2019年該污水處理廠藥劑投加數(shù)值見表7所列。該廠藥耗投加量存波動，但整體藥劑使用量屬于正常范圍內(nèi)。

表7 污水處理廠運行藥耗數(shù)值表 單位：kg

2 節(jié)能降耗措施

2.1 節(jié)能降耗策略

污水處理廠在提升污水、生物處理供氧及污泥處理等工藝過程中存在大量的能源消耗問題。常見的節(jié)能降耗措施包括提高污水廠運營管理、優(yōu)化污水廠工藝控制、更換高效設備等方式。

2.1.1 提高污水廠運營管理

提高污水廠的運行管理，實施科學化、制度化、精益化的管理，提高員工的主觀能動性，保障污水處理設備穩(wěn)定高效運行。通過管理節(jié)能措施引導、約束員工更加合理高效參與工作之中，為節(jié)能降耗提供執(zhí)行保障。

2.1.2 優(yōu)化污水廠工藝控制

優(yōu)化污水廠工藝控制是實現(xiàn)污水廠節(jié)能降耗重要措施，主要通過優(yōu)化曝氣控制系統(tǒng)、優(yōu)化加藥控制系統(tǒng)、優(yōu)化回流控制系統(tǒng)等方式實現(xiàn)。

2.1.3 更換高效設備

更換高效設備，淘汰使用年份較長、電機老化或自身能耗水平較高的設備，更換低能耗、高效率設備，提升設備運行效率、降低能耗。

2.2 示例廠節(jié)能降耗內(nèi)容

2.2.1 節(jié)能降耗思路

該污水廠節(jié)能降耗思路是以“節(jié)能降耗”為導向，通過對該污水廠現(xiàn)場調(diào)研踏勘與歷史運行數(shù)據(jù)資料、設計資料的分析，優(yōu)化污水運行控制模式、調(diào)整設備配置，制定技術(shù)改造方案。

2.2.2 節(jié)能降耗措施

針對該污水處理廠能耗現(xiàn)狀，制定節(jié)能降耗措施，分為設施精簡、設備更新、控制優(yōu)化三個階段。

2.2.2.1 設施精簡

根據(jù)對生化系統(tǒng)處理水量的評估和主要處理構(gòu)筑物核算，該廠處理設施具有較大的調(diào)節(jié)空間，對各期的水量調(diào)配做出如下調(diào)整：

（1）關(guān)閉一期系統(tǒng)，二期保持原樣，提升三期系統(tǒng)處理能力至5 000 m3/d；提升四期運行進水負荷至11 000~12 000 m3/d；提升五期運行進水負荷至13 000~14 000 m3/d。

（2）在系統(tǒng)進水量低于24 000 m3/d時，僅啟動四、五期系統(tǒng)運行；當進水超出24 000 m3/d逐步接近滿負荷時，且進水濃度未出現(xiàn)明顯下降時，同時啟動三、四、五系統(tǒng)以保證處理效果。

設施精簡可以每天節(jié)省約2 800 kW·h，可節(jié)省能耗至少約8.2%。

2.2.2.2 設備更新

結(jié)合水量調(diào)配和設施關(guān)停方案，在滿足各期設施處理要求和設備之間兼容性的前提下，對現(xiàn)有鼓風機進行重新組合分配。

（1）將二期原2#空氣懸浮鼓風機移動到四期期鼓風機房，1#空氣懸浮鼓風機和3#羅茨鼓風機不移動，由兩用一備轉(zhuǎn)為一用一備，二期風機功率由74 kW降低為37 kW。

（2）四期泵房原3臺羅茨鼓風機關(guān)停，增加了二期2#空氣懸浮鼓風機。為了避免發(fā)生四期風量不足的情況，將五期泵房的1#空氣懸浮風機引至四期，氣量不足時可開啟。四期風機功率由150 kW降低為37 kW。

（3）五期泵房原2#空氣懸浮鼓風機關(guān)停，由兩用一備轉(zhuǎn)為一用一備，五期風機功率由150 kW降低為75 kW。

在對風機優(yōu)化配置過程中，對使用年份較長、電機老化或自身能耗水平較高的設備，進行能耗節(jié)約與投資平衡分析，適當互換部分設備，提升設備運行效率、降低能耗。

設備更新可以每天節(jié)省約5 400 kW·h，可節(jié)省能耗至少約15.9%。

2.2.2.3 風量優(yōu)化控制

結(jié)合目前該污水處理廠風機自控程度較為簡單，根據(jù)經(jīng)驗調(diào)控風量，因其智能化程度不高，要實現(xiàn)風量精確控制，需要時間和成本上較大投入，因此對風量優(yōu)化控制分為兩個階段。

階段一：前期是通過經(jīng)驗加理論實現(xiàn)風機的優(yōu)化變頻，控制DO濃度，風機優(yōu)化配置后，在該污水處理廠現(xiàn)有曝氣自控系統(tǒng)的基礎上，通過工藝校核，對運行控制邏輯進行優(yōu)化調(diào)整，如增加三~五期的DO濃度不超過3.00 mg/L，最佳維持調(diào)控范圍為1~2 mg/L等控制條件；

階段二：實現(xiàn)精確曝氣，根據(jù)污水廠實際進水負荷的變化及各控制單元溶解氧運行水平的需求，動態(tài)計算反應區(qū)最佳溶解氧濃度范圍，通過對鼓風機總風量的調(diào)節(jié)及與流量調(diào)節(jié)閥門的聯(lián)動，及時準確地分配與控制生物反應池的氣量，以達到溶解氧穩(wěn)定控制的需求，使生物池各反應段高效穩(wěn)定運行，同時達到節(jié)能降耗的目的[7]，風量優(yōu)化控制可以每天節(jié)省約2 300 kW·h，可節(jié)省能耗至少約6.8%。

2.3 節(jié)能降耗結(jié)果

該污水處理廠于8月30日至10月10日期間進行節(jié)能調(diào)節(jié)，其中：9月上旬（8月30日至9月12日）完成對風機重新組合、低效能設備更換和優(yōu)化控制等措施，9月中旬試運行，調(diào)節(jié)期間對每周的用電量進行統(tǒng)計，如圖5所示。由圖5可知，9月中旬試運行后每周動力用電量呈明顯下降趨勢，節(jié)能調(diào)節(jié)前平均每周用電量為73 047 kW·h，節(jié)能調(diào)節(jié)后平均每周用電量為58 051 kW·h，降低了14 996 kW·h。

圖5 8月30日-10月10日污水處理廠每周總動力用電量分布柱狀圖（單位：萬KW·h）

進一步對該污水處理廠節(jié)能調(diào)節(jié)進行分析，如圖6所示。

由圖6可知，該污水處理廠節(jié)能調(diào)節(jié)期間用電單耗較調(diào)試前整體下降，期間用電單耗值范圍為0.341~0.418 kW·h/m3，平均值為0.382 kW·h/m3，相比用電單耗基準值0.566 kW·h/m3（該污水廠2018—2020年用電單耗平均值）下降了0.184 kW·h/m3，降低了32.5%。

圖6 8月30日-10月10日污水處理廠節(jié)能調(diào)節(jié)前后用電單耗對比圖（單位：kW·h·m3）

3 結(jié)論與建議

3.1 結(jié)論

針對小型城鎮(zhèn)污水處理廠出水標準提高和節(jié)能降耗之間矛盾，開展污水處理廠效能綜合評估、管理節(jié)能、控制節(jié)能、設備節(jié)能等節(jié)能降耗途徑的綜合節(jié)能方案研究，得出如下結(jié)論：

（1）污水處理廠運行效能評估是節(jié)能降耗重要環(huán)節(jié)，通過對污水處理廠的進水水質(zhì)特征、處理效能、運行能耗進行系統(tǒng)評估，明確污水處理廠運行過程中存在的核心問題，提出污水處理廠節(jié)能降耗的潛力和方向。

（2）從節(jié)能降耗和效能提升角度出發(fā)，通過對污水處理廠實施管理節(jié)能、控制節(jié)能、設備節(jié)能等節(jié)能降耗措施，有助于實現(xiàn)污水廠節(jié)能降耗。

（3）以昆山某污水處理廠為例，通過對該廠能效評估發(fā)現(xiàn)各期生化池處理效率較低、大功率設備配置不合理等問題，針對性地采取設施精簡、設備更新、控制優(yōu)化等層層遞進的節(jié)能降耗工作，在污水穩(wěn)定達標排放的情況下用電單耗降低了32.5%，每天節(jié)省11 000度電左右。其中：設施精簡貢獻占8.2%、設備更新貢獻占15.9%、控制優(yōu)化貢獻占6.8%。

3.2 建議

污水處理廠應充分利用信息化、數(shù)字化、智能化發(fā)展的理念和技術(shù)成果，建設智慧型污水處理廠，助力于污水廠實現(xiàn)智能化、精細化節(jié)能降耗。