北方某深度處理水廠能耗分析與節(jié)能改造

張 靜,張曉嵐,申今生,溫 穎,王 敏,李玉仙

(北京市自來(lái)水集團(tuán)有限責(zé)任公司技術(shù)研究院,北京市供水水質(zhì)工程技術(shù)研究中心,北京 100012)

實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰”和“碳中和”將是一場(chǎng)新的技術(shù)革命和產(chǎn)業(yè)變革,各行各業(yè)都在積極構(gòu)建本行業(yè)“碳中和”技術(shù)路徑與方案。據(jù)我國(guó)碳排放數(shù)據(jù)庫(kù)公告,在全國(guó)所涉及化石能源的行業(yè)中,電力行業(yè)的排放量最大,占總排放量的44%,而電能是水廠日常生產(chǎn)中的主要能源,因此,節(jié)能提效是水廠達(dá)到“雙碳”目標(biāo)最直接和最有效的方案[1-2]。

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,社會(huì)對(duì)自來(lái)水供應(yīng)量需求日益提升。2018年—2021年,北方某市自來(lái)水年供水量從1.220×1010m3增長(zhǎng)至1.326×1010m3,水廠從29 座增加至42 座,供水能力從4.50×106m3/d增加至5.81×106m3/d。供水量的提升意味著水處理能耗的大幅提升[3]。然而,目前給水排水行業(yè)主要依靠能耗提升出水水質(zhì)和處理水量,對(duì)整個(gè)水在社會(huì)循環(huán)中的碳排放量與碳中和率的關(guān)注還需提升[4]。相比于污水處理廠,由于水廠原水水質(zhì)較好,直接碳排顯著低于間接碳排,即水處理過(guò)程中直接產(chǎn)生的溫室氣體排放量顯著低于電能消耗和藥劑的生產(chǎn)及運(yùn)輸產(chǎn)生的碳排放。因此,水廠在滿足供水水質(zhì)水量的前提下,節(jié)能降耗是碳減排的重要路徑。

《關(guān)于加強(qiáng)城鎮(zhèn)供水企業(yè)挖潛降耗管理的指導(dǎo)意見》也提出了要優(yōu)化水廠工藝組合,科學(xué)調(diào)配水泵機(jī)組,以降低生產(chǎn)能耗[5]。近年來(lái),對(duì)于水廠節(jié)能降耗的研究主要集中在配水水泵的優(yōu)化調(diào)度[6]、紫外消毒設(shè)備[7]和超濾膜工藝[8]的能耗分析等方面,對(duì)于進(jìn)水提升泵和整個(gè)凈水工藝的分析尚且不足。因此,本研究對(duì)北方某水廠水處理工藝和進(jìn)水提升能耗進(jìn)行分析,并提出相應(yīng)的節(jié)能降耗措施。

1 研究方法

1.1 水廠情況

水廠A為北方水廠,處理規(guī)模為5.0×105m3/d。水廠A工藝流程如圖1所示。原水經(jīng)過(guò)格柵間,在進(jìn)水提升泵房前進(jìn)行預(yù)氯化,隨后經(jīng)提升泵提升后進(jìn)入預(yù)臭氧化接觸池,然后經(jīng)過(guò)機(jī)械加速澄清池,再經(jīng)過(guò)后臭氧氧化、炭砂濾池過(guò)濾后,由紫外和次氯酸鈉順序消毒并進(jìn)入清水池,最后經(jīng)配水泵房向管網(wǎng)輸配。工藝中的排泥水、炭砂濾池反洗水以及初濾水在污泥平衡池、濃縮池混凝濃縮,經(jīng)板框壓濾脫水制成泥餅外運(yùn),構(gòu)成泥線部分。水廠A能耗組成主要包括3個(gè)部分,即進(jìn)水提升泵房能耗、水處理工藝能耗和配水泵房能耗。其中,水處理工藝主要設(shè)備及參數(shù)如表1所示。

表1 水處理工藝主要設(shè)備及參數(shù)

圖1 水廠A工藝流程

水廠A記錄的能耗數(shù)據(jù)包括水處理每日耗電量、進(jìn)水提升泵房和配水泵房的每日耗電量、進(jìn)水提升泵房定頻泵和變頻泵工作頻率。進(jìn)水提升泵房有兩組提升泵交替運(yùn)行,每組提升泵包括1臺(tái)定頻泵和1臺(tái)變頻泵,以滿足水量變化和檢修的需求,其中,2#定頻泵和4#變頻泵為一組,5#定頻泵和3#變頻泵為一組。需要指出的是,凈水工藝每日耗電量為整體工藝的電耗,由于各工藝單元沒有單獨(dú)的電表,各工藝單元運(yùn)行能耗根據(jù)各單元所涉及機(jī)械設(shè)備的裝機(jī)容量及實(shí)際使用情況計(jì)算得到,其中預(yù)臭氧和后臭氧投加方式不同,預(yù)臭氧通過(guò)水射器投加、后臭氧通過(guò)曝氣盤投加。因此,根據(jù)水廠A預(yù)臭氧、后臭氧的年平均臭氧投量和所涉及的設(shè)備分別計(jì)算出預(yù)臭氧、后臭氧工藝單元的能耗。

1.2 水處理能耗計(jì)算方法

水處理能耗、配水能耗、進(jìn)水提升能耗、水處理總電耗的計(jì)算分別如式(1)～式(4)。

(1)

(2)

(3)

Etotal=Ewt+Elp+Edp

(4)

其中:Pwt——水處理電量,kW·h;

Plp1——進(jìn)水提升定頻泵電量,kW·h;

Plp2——進(jìn)水提升變頻泵電量,kW·h;

Pdp——配水電量,kW·h;

Etotal——噸水處理總電耗,kW·h/m3;

Ewt——水處理能耗,kW·h/m3;

Elp——進(jìn)水提升能耗,kW·h/m3;

Edp——配水能耗,kW·h/m3;

Q——日供水量,m3/d。

2 結(jié)果與討論

2.1 水廠各工藝段運(yùn)行能耗情況

圖2為水廠A各工藝機(jī)械設(shè)備運(yùn)行能耗比例分布。按照現(xiàn)行運(yùn)行情況,配水泵房、水處理工藝和進(jìn)水提升泵房運(yùn)行能耗占總耗電量的49.14%、35.95%和14.91%,配水泵房和進(jìn)水提升泵房的電耗占水廠運(yùn)行能耗的64.05%,目前已有學(xué)者針對(duì)配水泵房節(jié)能降耗進(jìn)行了大量研究,但關(guān)于進(jìn)水提升泵房節(jié)能降耗的研究還較少。李都望等[9]對(duì)4所常規(guī)工藝水廠的能耗進(jìn)行調(diào)研,發(fā)現(xiàn)4所水廠除了取水和配水電耗外,加藥加氯間和其他部分電耗占總電耗的12.4%～19.3%,而水廠A水處理能耗占總能耗約36%,顯著高于常規(guī)工藝水廠的水處理能耗。此外,根據(jù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì),2016年北京市14座水廠制產(chǎn)水工藝年度電耗占全年總能耗的11.3%[10],表明近年來(lái)隨著深度處理工藝的引入和發(fā)展,水處理能耗占比越來(lái)越高,同時(shí),不同地區(qū)水廠之間此指標(biāo)差異也較大[11]。因此,水處理工藝節(jié)能降耗研究日益迫切。

圖2 水廠A(a)進(jìn)水提升泵房、水處理工藝和配水泵房; (b)各工藝單元運(yùn)行能耗比例; (c)能耗與供水量相關(guān)性

在水廠A的水處理能耗分析中,以2019年1月—11月的工藝條件為例,預(yù)臭氧、后臭氧電耗主要包括臭氧發(fā)生器、空壓機(jī)、真空泵和尾氣破壞器等設(shè)備的電耗。在預(yù)臭氧和后臭氧平均臭氧投加量分別為0.26 mg/L和0.21 mg/L條件下計(jì)算電耗,紫外消毒根據(jù)紫外線強(qiáng)度和運(yùn)行時(shí)間計(jì)算,炭砂濾池電耗主要包括反洗過(guò)程涉及的反沖洗泵、鼓風(fēng)機(jī)和真空泵等電耗,污泥處理電耗包括刮泥機(jī)、污泥泵、離心脫水機(jī)、沖洗水泵等設(shè)備的電耗。各工藝段運(yùn)行能耗占比從大到小的順序?yàn)?預(yù)臭氧(31.78%)、后臭氧(25.67%)、紫外消毒(17.99%)、炭砂濾池(9.51%)、污泥處理(8.84%),表明預(yù)、后臭氧和紫外消毒的能耗較高。研究[12]表明,適當(dāng)提高臭氧發(fā)生濃度可降低氧耗,降低臭氧發(fā)生濃度可降低電耗,因此,可通過(guò)優(yōu)化工藝參數(shù)實(shí)現(xiàn)凈水能耗的降低。水廠A紫外運(yùn)行只有兩種情況:一是關(guān)閉紫外;二是運(yùn)行紫外,紫外線強(qiáng)度為40 mJ/cm2,且紫外消毒對(duì)管網(wǎng)水質(zhì)安全具有保障作用,紫外消毒的作用不可單從出廠水水質(zhì)變化來(lái)評(píng)價(jià)[13]。因此,本研究著重針對(duì)進(jìn)水提升泵房和凈水工藝中臭氧化工藝進(jìn)行能耗分析并提出節(jié)能降耗的建議。

通過(guò)數(shù)據(jù)分析可知,配水能耗與日供水量相關(guān)性最高,相關(guān)系數(shù)為-0.894 3。如圖2(c)所示,隨著供水量升高,配水能耗逐漸上升;但工藝單耗隨供水量變化趨勢(shì)恰好相反。當(dāng)供水量小于3.8×105m3/d時(shí),噸水處理電耗隨供水量升高逐漸降低;當(dāng)供水量大于3.8×105m3/d時(shí),噸水處理電耗隨供水量升高保持在相對(duì)平穩(wěn)的狀態(tài)。隨著供水量升高,配水能耗升高而噸水處理電耗降低,因此,噸水電耗隨供水量升高變化不顯著。但在相似的供水量下,工藝單耗波動(dòng)幅度最高可達(dá)21.8%,表明對(duì)工藝單耗進(jìn)行分析研究是十分必要的。

2.2 提升泵節(jié)能降耗方案分析

提升泵能耗大小與日供水量、提升高度和變頻泵的頻率有關(guān)。其中,提升高度是指水從集水池提升進(jìn)入工藝流程的指定高度,由于水廠來(lái)水量由調(diào)度控制,且水廠集水池容量有限,水廠無(wú)法控制來(lái)水量,且無(wú)法精準(zhǔn)控制集水池液位。因此,本部分將從日供水量和變頻泵頻率兩方面進(jìn)行分析。

對(duì)水廠進(jìn)水提升能耗數(shù)據(jù)分析可知,兩組泵的定頻泵均為滿負(fù)荷運(yùn)行,如圖3(a)所示,隨著供水量逐日提升,耗電量無(wú)明顯變化,2#定頻泵和5#定頻泵耗電量與供水量相關(guān)系數(shù)分別為0.134 8和0.119 6,耗電量不隨水量變化而變化,但在相似的供水量條件下,2#定頻泵的耗電量始終低于5#定頻泵的耗電量。而變頻泵運(yùn)行頻率與供水量增加而逐漸升高,從而變頻泵的耗電量隨供水量增加逐漸增加。經(jīng)過(guò)統(tǒng)計(jì)分析得知,當(dāng)供水量小于4.7×105m3/d時(shí),兩泵的日供水量經(jīng)t檢驗(yàn)分析,P值為0.090 7,大于0.05,表明兩泵的日供水量無(wú)顯著差異,但兩泵的耗電量差異顯著(P值為0.038 5),導(dǎo)致兩泵的變頻泵能耗差異顯著(P值為0.042 8)。3#泵的變頻泵能耗為0.022 7 kW·h/m3,顯著高于4#泵的0.022 0 kW·h/m3,4#泵較3#泵變頻泵能耗約低3%。進(jìn)一步分析可知,3#泵的平均頻率為40.6 Hz,高于4#泵的平均頻率(39.8 Hz),差異顯著(P值為0.016 5),即當(dāng)供水量小于4.7×105m3/d時(shí),3#變頻泵頻率顯著高于4#頻率,導(dǎo)致3#泵的變頻泵能耗較高。當(dāng)供水量大于4.7×105m3/d時(shí),3#泵和4#泵平均頻率均為45.0 Hz,從而導(dǎo)致兩泵變頻泵耗電量和變頻泵能耗無(wú)顯著差異,P值分別為0.052 7和0.244 5。但4#泵供水量顯著高于3#泵供水量(P值為1.3×10-5),且5#定頻泵耗電量高于2#定頻泵耗電量,導(dǎo)致3#變頻泵和5#定頻泵泵組的進(jìn)水提升能耗顯著高于4#變頻泵和2#定頻泵泵組(P值為0.002 2),3#和5#泵組、2#和4#泵組的進(jìn)水提升能耗分別為0.061 6 kW·h/m3和0.061 0 kW·h/m3,后一泵組較前一泵組約低1%。

圖3 耗電量和供水量/頻率關(guān)系

由圖3(b)可知,在相近的供水量條件下,3#變頻泵的頻率明顯高于4#變頻泵頻率,與統(tǒng)計(jì)學(xué)分析結(jié)果相一致。因此,水廠A應(yīng)在滿足供水量的前提下,盡量降低變頻泵頻率以降低提升電耗。

2.3 臭氧工藝節(jié)能運(yùn)行方案分析

由于水廠A缺少單個(gè)工藝段耗電量數(shù)據(jù),本研究將整個(gè)凈水工藝看作一個(gè)整體進(jìn)行分析。在2015年—2019年數(shù)據(jù)中選出了月供水量為5.09×106～1.445 ×107m3的21個(gè)月數(shù)據(jù),臭氧總投加量(預(yù)臭氧和后臭氧之和)是0～0.6 mg/L,紫外線強(qiáng)度為0或40 mJ/cm2。在此數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上,進(jìn)行多元回歸擬合[14],得到回歸方程如式(5)。

y=-0.010 4x1+0.019 0x2-0.004 3x1x2+

6.54×10-6x1x3+0.000 7x2x3+0.000 4x12+

0.042 2x22-3.8×10-6x32+0.169 0

(5)

其中:y——水處理能耗,kW·h/m3;

x1——月供水量,106m3;

x2——臭氧總投加量,mg/L;

x3——紫外線強(qiáng)度,mJ/cm2。

此回歸方程的相關(guān)系數(shù)R2=0.914 0,表明擬合程度較高;標(biāo)準(zhǔn)誤差為0.004 2,較小的標(biāo)準(zhǔn)誤差也表明供水量、臭氧總投量、紫外強(qiáng)度與水處理能耗的回歸方程擬合度好。該方程的P值為4.26×10-5,小于0.05,表明該回歸方程回歸效果顯著。

由于紫外消毒只有兩種狀態(tài):一種是不運(yùn)行,一種是以40 mJ/cm2的強(qiáng)度運(yùn)行。為簡(jiǎn)化分析條件,取紫外強(qiáng)度為40 mJ/cm2,得到圖4(a)。水處理能耗隨著臭氧總投加量的增加而增加;當(dāng)臭氧總投加量一定時(shí),水處理能耗隨著月供水量的增加顯著降低。當(dāng)月供水量大于1.37 ×107m3、臭氧總投加量低于0.6 mg/L時(shí),均能使水處理能耗低于0.1 kW·h/m3。

圖4 (a)水處理能耗與月供水量和臭氧總投加量的關(guān)系;(b) 水處理能耗與預(yù)臭氧和后臭氧投加量的關(guān)系

為了進(jìn)一步分析如何將臭氧總投加量分配到預(yù)臭氧和后臭氧工藝中,在2015年—2019年數(shù)據(jù)中選出了供水量相近的21個(gè)月數(shù)據(jù),月供水量為1.308×107～1.445 ×107m3,預(yù)臭氧質(zhì)量濃度是0.05～0.65 mg/L,后臭氧質(zhì)量濃度是0.03～0.3 mg/L。在此數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上進(jìn)行回歸方程擬合,為了重點(diǎn)突出預(yù)臭氧和后臭氧與水處理能耗的關(guān)系,取月供水量為1.368 ×107m3,對(duì)回歸方程簡(jiǎn)化后得到式(6)。

y=-0.003 75x4+0.106 6x5-0.691 4x4x5+

0.171 8x42+0.200 3x52+0.093 0

(6)

其中:x4——預(yù)臭氧投加量,mg/L;

x5——后臭氧投加量,mg/L。

將式(6)可視化后得到圖4(b)。當(dāng)預(yù)臭氧投加量在0～0.3 mg/L時(shí),水處理能耗無(wú)顯著變化,預(yù)臭氧在此范圍內(nèi),水處理能耗隨后臭氧投加量增加而增加;但當(dāng)后臭氧投加量為0,預(yù)臭氧投加量從0.3 mg/L增至0.6 mg/L時(shí),水處理能耗迅速上升。由此可知,僅從節(jié)能降耗角度考慮,當(dāng)臭氧總投加量≤0.3 mg/L時(shí),建議預(yù)臭氧投加量選用0.3 mg/L、后臭氧投加量為0;當(dāng)臭氧總投加量在0.3～0.6 mg/L時(shí),建議預(yù)臭氧投加量為0.3 mg/L,剩余為后臭氧投加量。

但值得注意的是,水廠運(yùn)行的首要任務(wù)是保證水質(zhì)安全,因此,還需結(jié)合預(yù)、后臭氧對(duì)水質(zhì)的影響,確定節(jié)能方案的可行性。圖5統(tǒng)計(jì)了4類臭氧運(yùn)行工況條件對(duì)水中CODMn的平均去除率?？梢钥闯?“單獨(dú)預(yù)臭氧”和“預(yù)+后臭氧”工況條件對(duì)CODMn的平均去除率分別為51.8%和51.2%,且“單獨(dú)后臭氧”和“無(wú)臭氧”條件下,CODMn的去除率分別為43.9%和42.1%?？芍邦A(yù)+后臭氧”工藝中,對(duì)水質(zhì)起積極作用的主要是預(yù)臭氧,后臭氧對(duì)CODMn的去除效果影響不大;單獨(dú)“后臭氧”與“無(wú)臭氧”投加相比,后臭氧的作用也不明顯。這與劉佩青等[12]的研究結(jié)果一致,即CODMn去除率在不同臭氧投加量的情況下均能保持穩(wěn)定。因此,綜合能耗和水質(zhì)分析,建議水廠A降低后臭氧投加量,預(yù)臭氧投加量為0～0.3 mg/L,可依水質(zhì)需求適當(dāng)放寬至0.6 mg/L,且月供水量盡量不低于1.370×107m3。根據(jù)模型計(jì)算,當(dāng)月供水量為1.368×107m3、紫外強(qiáng)度為40 mJ/cm2、臭氧總投加量為0.4 mg/L條件下,若全部為預(yù)臭氧投加,則水處理能耗為0.119 0 kW·h/m3;若預(yù)臭氧投加量為0.3 mg/L、后臭氧投加量為0.1 mg/L,則水處理能耗為0.099 3 kW·h/m3。

圖5 后臭氧投加方式對(duì)水質(zhì)的影響

3 結(jié)論

通過(guò)對(duì)水廠A能耗構(gòu)成分析發(fā)現(xiàn),該廠水處理能耗占總供水能耗的35.95%,顯著高于常規(guī)工藝水廠的水處理能耗,且隨著深度處理工藝的引入和發(fā)展,水處理能耗也逐年升高。進(jìn)水提升泵房能耗占總耗電量的14.91%,為了降低進(jìn)水提升泵房能耗,建議水廠A保持較高的供水量,且在滿足供水量和供水壓力條件下保持變頻泵低頻穩(wěn)定運(yùn)行。凈水工藝中運(yùn)行能耗占比從大到小的順序?yàn)?預(yù)臭氧(31.78%)、后臭氧(25.67%)、紫外消毒(17.99%)、炭砂濾池(9.51%)、污泥處理(8.84%)。對(duì)兩個(gè)泵組能耗和變頻泵頻率的統(tǒng)計(jì)學(xué)分析發(fā)現(xiàn),在滿足供水量的前提下,降低變頻泵頻率可降低提升電耗。綜合預(yù)臭氧和后臭氧的能耗及對(duì)水質(zhì)影響的分析,建議水廠A月供水量盡量不低于1.370×107m3,降低后臭氧投加量,預(yù)臭氧投加量為0～0.3 mg/L,可依水質(zhì)需求適當(dāng)放寬至0.6 mg/L。在“雙碳”目標(biāo)下,水廠的首要目標(biāo)仍然是保障供水安全,但仍需尋找水質(zhì)與能耗關(guān)系的平衡點(diǎn),即在水質(zhì)水量滿足要求的基礎(chǔ)上,保持低能耗運(yùn)行。