污水處理廠提標(biāo)改造中的節(jié)能降耗技術(shù)探討

摘要：重點(diǎn)分析污水處理廠能耗現(xiàn)狀，識(shí)別主要耗能單元，并探討曝氣系統(tǒng)優(yōu)化、高效電機(jī)應(yīng)用、智能控制系統(tǒng)以及能源回收利用等關(guān)鍵技術(shù)。某市污水處理廠的案例分析表明，綜合應(yīng)用這些技術(shù)能顯著降低能耗，提高處理效率，并帶來可觀的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益。能耗降低30%，出水水質(zhì)達(dá)到一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)，年節(jié)約運(yùn)營成本超過500萬元。另外，提出了技術(shù)評(píng)估、實(shí)施策略、人才培養(yǎng)、標(biāo)準(zhǔn)制定等建議，為污水處理行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展提供了參考。

關(guān)鍵詞：污水處理廠；節(jié)能降耗；曝氣系統(tǒng)；智能控制；能源回收

中圖分類號(hào)：X703 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1008-9500（2024）09-0-03

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Discussion on Energy-Saving Technologies in the Upgrading of Wastewater Treatment Plants

CHEN Pei1， DING Luntao1， GUO Songlin2

（1. Jiaxing Guantao Environmental Protection Technology Co.， Ltd.， Jiaxing 314500， China;

2. Chinalco （Zhengzhou） Aluminum Co.， Ltd.， Zhengzhou 450041， China）

Abstract： Focus on analyzing the current energy consumption status of sewage treatment plants， identifying the main energy consuming units， and exploring key technologies such as aeration system optimization， high-efficiency motor application， intelligent control system， and energy recovery and utilization. The case analysis of a sewage treatment plant in a certain city shows that the comprehensive application of these technologies can significantly reduce energy consumption， improve treatment efficiency， and bring considerable economic and environmental benefits. Reduce energy consumption by 30%， achieve first-class A standard for effluent quality， and save over 5 million yuan in annual operating costs. In addition， suggestions were put forward for technical evaluation， implementation strategies， talent cultivation， and standard setting， providing reference for the sustainable development of the sewage treatment industry.

Keywords： wastewater treatment plant; energy conservation; aeration system; intelligent control; energy recovery

隨著城市化進(jìn)程加快和環(huán)保要求提高，污水處理廠面臨著能耗增加的挑戰(zhàn)。節(jié)能降耗成為污水處理行業(yè)的重要研究方向。從能耗現(xiàn)狀分析入手，深入探討節(jié)能降耗關(guān)鍵技術(shù)，并通過實(shí)際案例驗(yàn)證其效果，對(duì)于提高污水處理廠運(yùn)營效率、降低成本、減少環(huán)境影響具有重要意義。

1 污水處理廠能耗現(xiàn)狀分析

污水處理廠能耗現(xiàn)狀中，電能消耗占總能耗的80%～90%，主要用于曝氣、水泵運(yùn)行及污泥處理。曝氣系統(tǒng)是最大的耗能單元，占電能消耗的50%～70%；水泵系統(tǒng)次之，占15%～25%；污泥處理設(shè)備占10%～15%；其他輔助設(shè)備占5%～10%。單位處理水量能耗通常在0.3%～0.6 kW·h/m3，深度處理可達(dá)0.8 kW·h/m3。能耗分布因處理工藝、規(guī)模和地域而異[1-2]。大型污水處理廠由于規(guī)模效應(yīng)，單位能耗相對(duì)較低。準(zhǔn)確了解能耗現(xiàn)狀是實(shí)施有效節(jié)能措施的基礎(chǔ)。

2 污水處理廠節(jié)能降耗關(guān)鍵技術(shù)

2.1 曝氣系統(tǒng)優(yōu)化技術(shù)

曝氣系統(tǒng)優(yōu)化是污水處理廠節(jié)能的重點(diǎn)。主要曝氣系統(tǒng)優(yōu)化技術(shù)包括新型膜片式微孔曝氣器、變頻調(diào)速鼓風(fēng)機(jī)、智能控制系統(tǒng)、高效布?xì)庀到y(tǒng)以及新型曝氣方式。新型膜片式微孔曝氣器能夠提高氧氣利用率；變頻調(diào)速鼓風(fēng)機(jī)可根據(jù)需氧量調(diào)節(jié)風(fēng)量，降低能耗；智能控制系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)供氧，提高效率；高效布?xì)庀到y(tǒng)可優(yōu)化氣水比和布局，降低能耗；新型曝氣方式如推流曝氣、射流曝氣等，可降低能耗。定期維護(hù)對(duì)保持高效運(yùn)行至關(guān)重要。各項(xiàng)技術(shù)的節(jié)能效果如表1所示。綜合應(yīng)用這些技術(shù)，曝氣系統(tǒng)能耗可降低30%～40%，為污水處理廠整體節(jié)能降耗做出重要貢獻(xiàn)。

2.2 高效電機(jī)及變頻技術(shù)

高效電機(jī)的效率高于普通電機(jī)。選擇合適的電機(jī)容量，避免低負(fù)荷運(yùn)行。變頻技術(shù)在大功率設(shè)備上的應(yīng)用效果顯著，回流泵能耗可降低20%～40%。軟啟動(dòng)技術(shù)能夠減少峰值電流，延長設(shè)備壽命。選擇變頻器時(shí)，需考慮諧波抑制。高效電機(jī)與變頻技術(shù)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)設(shè)備最優(yōu)運(yùn)行。污泥脫水設(shè)備應(yīng)用變頻技術(shù)，能耗可降低15%～25%。同時(shí)，定期維護(hù)電機(jī)系統(tǒng)，保持高效運(yùn)行。綜合應(yīng)用這些技術(shù)，電機(jī)系統(tǒng)能耗可降低25%～35%。

2.3 智能控制系統(tǒng)應(yīng)用技術(shù)

智能控制系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)采集、過程控制及決策支持3個(gè)方面。數(shù)據(jù)采集方面，采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)時(shí)收集運(yùn)行數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控，減少人工巡檢。過程控制方面，應(yīng)用模型預(yù)測(cè)控制和自適應(yīng)控制算法，自動(dòng)調(diào)整曝氣量和內(nèi)回流比，實(shí)現(xiàn)設(shè)備協(xié)同優(yōu)化，如污泥泵運(yùn)行的自動(dòng)調(diào)節(jié)。決策支持方面，利用大數(shù)據(jù)分析優(yōu)化運(yùn)行參數(shù)，預(yù)測(cè)設(shè)備故障，通過智能預(yù)警系統(tǒng)及時(shí)發(fā)現(xiàn)異常，并根據(jù)數(shù)字孿生模型模擬優(yōu)化運(yùn)行策略。智能控制系統(tǒng)的應(yīng)用可使污水處理廠能耗降低10%～20%，同時(shí)增強(qiáng)處理穩(wěn)定性。

2.4 能源回收利用技術(shù)

能源回收利用技術(shù)可最大化利用副產(chǎn)品。沼氣發(fā)電系統(tǒng)可將30%～40%沼氣能量轉(zhuǎn)化為電能。熱泵技術(shù)可回收污水熱能，減少40%～60%外部熱能輸入。微型水輪機(jī)可回收水能，發(fā)電效率達(dá)70%～80%。污水源熱泵可為周邊提供供熱制冷，能效比達(dá)4～6。厭氧氨氧化技術(shù)可處理高氨氮廢水，減少60%～70%曝氣能耗。微生物燃料電池技術(shù)雖然效率低（10%～15%），但是前景廣闊。綜合應(yīng)用這些技術(shù)可使大型污水處理廠實(shí)現(xiàn)能源自給自足，大幅降低外部能源輸入，提高污水處理廠的整體能源效率和可持續(xù)性。

2.5 新型節(jié)能工藝應(yīng)用技術(shù)

新型節(jié)能工藝可提高污水處理廠能效。厭氧氨氧化工藝可節(jié)省50%～60%曝氣能耗。短程硝化-反硝化工藝能耗可降低20%～30%。膜生物反應(yīng)器技術(shù)可減少反應(yīng)器體積，降低能耗。顆粒污泥技術(shù)可減少曝氣和攪拌需求。熱水解技術(shù)可增加20%～25%沼氣產(chǎn)量，減少30%～40%污泥體積。改良型氧化溝可同步硝化反硝化，減少外加碳源需求。這些工藝不僅能夠降低能耗，還提高了處理效率，是未來污水處理廠節(jié)能降耗的重要方向。

3 某市污水處理廠節(jié)能降耗技術(shù)應(yīng)用案例分析

3.1 項(xiàng)目背景

某市污水處理廠建于2000年，設(shè)計(jì)處理能力為10萬t/d，采用改良型厭氧-缺氧-好氧（Anaerobic-Anoxic-Oxic，A2O）工藝。2020年，啟動(dòng)提標(biāo)改造和節(jié)能降耗項(xiàng)目。改造前，廠區(qū)平均處理量為8.5萬t/d，出水達(dá)到一級(jí)B標(biāo)準(zhǔn)，單位處理水量能耗達(dá)0.45 kW·h/m3。

主要問題包括曝氣系統(tǒng)效率低下、大功率設(shè)備能耗高、自動(dòng)化水平不足。隨著周邊居民區(qū)擴(kuò)建，廠區(qū)噪聲和氣味問題日益突出。廠方?jīng)Q定實(shí)施全面的節(jié)能降耗技術(shù)改造，目標(biāo)是在提高出水水質(zhì)的同時(shí)，將單位能耗降低30%以上，并改善廠區(qū)環(huán)境。改造前污水處理廠的主要運(yùn)行參數(shù)如表2所示。

項(xiàng)目的實(shí)施對(duì)于探索城市污水處理廠節(jié)能降耗技術(shù)的應(yīng)用具有重要意義，也是響應(yīng)國家節(jié)能減排政策的具體措施。

3.2 技術(shù)方案選擇

項(xiàng)目組根據(jù)廠區(qū)實(shí)際情況和節(jié)能目標(biāo)，選擇了一套綜合解決方案。方案內(nèi)容為更換高效膜片式微孔曝氣器和變頻調(diào)速鼓風(fēng)機(jī)，應(yīng)用高效電機(jī)和變頻控制系統(tǒng)，引入基于物聯(lián)網(wǎng)的智能控制平臺(tái)，安裝污水源熱泵系統(tǒng)，在部分生化池引入顆粒污泥技術(shù)和生物滴濾除臭技術(shù)。方案選擇過程通過模型模擬和經(jīng)濟(jì)性分析，綜合考慮了技術(shù)可行性、節(jié)能效果及投資回收期等因素。各項(xiàng)技術(shù)的選擇都經(jīng)過了嚴(yán)格的論證，如曝氣系統(tǒng)的改造預(yù)計(jì)可降低能耗40%，智能控制系統(tǒng)的應(yīng)用可提高15%的整體運(yùn)行效率。另外，方案考慮技術(shù)的協(xié)同效應(yīng)，如顆粒污泥技術(shù)與智能控制系統(tǒng)的結(jié)合可進(jìn)一步優(yōu)化生物處理效率。

3.3 實(shí)施過程

項(xiàng)目實(shí)施分3個(gè)階段，總周期為18個(gè)月。第一階段（6個(gè)月）完成工程設(shè)計(jì)和設(shè)備采購，重點(diǎn)是曝氣系統(tǒng)、高效電機(jī)的選型訂購和智能控制系統(tǒng)開發(fā)。第二階段（9個(gè)月）進(jìn)行主體工程改造，采用分區(qū)施工確保污水處理不中斷。改造內(nèi)容包括生化池、曝氣系統(tǒng)、電機(jī)更換以及智能控制系統(tǒng)安裝。主要挑戰(zhàn)是在不影響正常運(yùn)行的情況下完成改造。第三階段（3個(gè)月）進(jìn)行系統(tǒng)聯(lián)調(diào)和優(yōu)化運(yùn)行，重點(diǎn)是智能控制系統(tǒng)參數(shù)調(diào)整和人員培訓(xùn)。整個(gè)過程注重施工安全和環(huán)境保護(hù)，采取嚴(yán)格的污染防控措施，最大限度減少對(duì)運(yùn)行和周邊環(huán)境的影響。

3.4 效果評(píng)估

改造完成后6個(gè)月進(jìn)行效果評(píng)估，污水處理廠改造前后主要運(yùn)營指標(biāo)對(duì)比結(jié)果如表3所示。

由表3可知：改造后，單位能耗降低31%，出水水質(zhì)提升至一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)；年節(jié)省電費(fèi)450萬元，運(yùn)營成本減少320萬元；環(huán)境效益方面，溫室氣體排放減少4 000 t/a，廠區(qū)噪聲降低5 dB，異味投訴減少80%；運(yùn)營效率顯著提升，設(shè)備故障率降低60%，人工巡檢頻次減少50%。智能控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控和精確調(diào)控，能源回收利用技術(shù)降低了外部能源需求。項(xiàng)目達(dá)到預(yù)期目標(biāo)，提升污水處理能力，并改善了周邊環(huán)境。

4 推廣節(jié)能降耗技術(shù)的建議

首先，污水處理行業(yè)應(yīng)采用全生命周期分析法評(píng)估節(jié)能降耗技術(shù)，建立包含節(jié)能效果、投資成本、運(yùn)維難度以及環(huán)境影響的評(píng)估指標(biāo)體系。各污水處理廠可分階段實(shí)施改造，優(yōu)先處理高能耗單元，制定詳細(xì)的實(shí)施計(jì)劃和風(fēng)險(xiǎn)應(yīng)對(duì)措施。實(shí)施過程中應(yīng)注重施工安全和環(huán)境保護(hù)，采取嚴(yán)格的污染防控措施。

其次，行業(yè)協(xié)會(huì)和教育機(jī)構(gòu)需加強(qiáng)人才培養(yǎng)，建立產(chǎn)學(xué)研合作機(jī)制，開發(fā)針對(duì)性培訓(xùn)課程?？衫锰摂M仿真技術(shù)建立模擬訓(xùn)練平臺(tái)，組織技術(shù)交流活動(dòng)促進(jìn)知識(shí)共享。建立技能評(píng)估和認(rèn)證體系，實(shí)施導(dǎo)師制和跨崗位輪訓(xùn)，培養(yǎng)復(fù)合型人才。

最后，標(biāo)準(zhǔn)化工作組應(yīng)制定節(jié)能降耗評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，建立最佳實(shí)踐案例庫。政府部門可設(shè)立技術(shù)創(chuàng)新獎(jiǎng)勵(lì)，建立行業(yè)對(duì)標(biāo)系統(tǒng)，調(diào)動(dòng)企業(yè)持續(xù)改進(jìn)的積極性。

5 結(jié)論

污水處理廠節(jié)能降耗是一項(xiàng)系統(tǒng)工程，需要綜合考慮多種因素。采用先進(jìn)的節(jié)能技術(shù)，可以在保證出水水質(zhì)的同時(shí)顯著降低能耗。推廣這些技術(shù)需要行業(yè)各方共同努力，包括制定合理的評(píng)估方法、實(shí)施有效的風(fēng)險(xiǎn)管理、加強(qiáng)人才培養(yǎng)以及完善行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

參考文獻(xiàn)

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