近十幾年來，我國的城鎮(zhèn)污水處理事業(yè)得到了快速發(fā)展，城鎮(zhèn)污水排放量不斷增加，處理要求也日趨嚴(yán)格。根據(jù)《“十三五”全國城鎮(zhèn)污水處理及再生利用設(shè)施建設(shè)規(guī)劃》和《水污染防治計(jì)劃》的要求，“十三五”時期，我國將進(jìn)一步提升城鎮(zhèn)污水處理規(guī)模，并加強(qiáng)污水處理設(shè)施升級改造工作，尤其是敏感區(qū)域于2017年底前全面執(zhí)行一級A排放標(biāo)準(zhǔn)。
當(dāng)前，污水處理事業(yè)快速發(fā)展，其能源密集型產(chǎn)業(yè)特征卻造成高能耗的污水處理設(shè)施運(yùn)行成本不斷提高，且能耗隨著處理標(biāo)準(zhǔn)的提升而增加。我國城鎮(zhèn)污水處理廠的電耗在全國總能耗中也占據(jù)較大的比例，根據(jù)國家能源局和住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部“全國城鎮(zhèn)污水處理管理信息系統(tǒng)”發(fā)布的數(shù)據(jù)，截至2018年底，我國城鎮(zhèn)污水處理廠有5360座，處理規(guī)模達(dá)到2.01億m3/d；2018年，全國城鎮(zhèn)污水處理廠共消耗電能192億kW·h，約為同年全社會總用電量68449億kW·h的0.28%，呈現(xiàn)逐年上升的趨勢。圖1是2007-2018年我國城鎮(zhèn)污水處理廠總電耗和噸水電耗的變化情況，由圖可見，隨著我國城鎮(zhèn)污水處理事業(yè)的快速發(fā)展，我國城鎮(zhèn)污水處理用電量和噸水電耗快速上升。如何使污水處理廠在滿足處理要求的同時，通過提高設(shè)計(jì)和運(yùn)行水平實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗，節(jié)省運(yùn)行成本，已經(jīng)成為人們重點(diǎn)關(guān)注的問題。
一、污水處理廠能耗特征研究
1.1 污水處理廠基本信息
為研究我國典型城鎮(zhèn)污水處理廠的能耗水平及主要電耗分布情況，筆者對我國不同地區(qū)的具有代表性的污水處理廠開展實(shí)地調(diào)研。其間挑選7座連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行兩年以上(運(yùn)行不間斷)、負(fù)荷率不低于80%的污水廠，并進(jìn)行分區(qū)用電量監(jiān)測，污水廠基本情況如表1所示。
1.2 污水廠處理單元能耗特征分析
所選7座污水廠均執(zhí)行《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB18918—2002)一級A出水標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)工藝流程，可以劃分為一級處理、二級處理、深度處理、污泥處理、再生水5個功能分區(qū)，分別安裝電量統(tǒng)計(jì)裝置，進(jìn)行為期1年的電耗記錄。
污水廠噸水電耗和各功能分區(qū)電耗占比如圖2所示。由圖可知，所選污水廠2017年的噸水電耗平均值保持在0.2～0.45kW·h/m3。從五座處理工藝為A2O的污水廠數(shù)據(jù)來看，噸水電耗與處理規(guī)模相關(guān)性明顯，處理規(guī)模5萬m3/d的E廠噸水電耗為0.43kW·h/m3，大于10萬m3/d的污水廠噸水電耗低于0.3kW·h/m3，處理規(guī)模越大，電耗相對越低。各污水廠二級處理段的能耗最大，占總電耗的50%～65%，其次為一級處理和深度處理段，平均占比分別為19%和16%，部分廠再生水用電占比超過5%。
筆者選擇具有代表性的A廠全流程主要設(shè)備的用電情況進(jìn)行為期1年的計(jì)量統(tǒng)計(jì)，系統(tǒng)分析各設(shè)備的耗電量。一級處理段主要耗電設(shè)備為進(jìn)水提升泵，二級處理主要為風(fēng)機(jī)、推進(jìn)器和回流泵，深度處理段為二次提升泵，污泥處理段為污泥脫水機(jī)，再生水段為提升泵。
對A廠各單元和設(shè)備電耗的統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，二級處理單元和污水提升能耗最大，占整個污水處理廠總能耗的80%左右。一級處理電耗比例達(dá)到20%，其中進(jìn)水提升泵電耗占該單元電耗的85%；二級處理單元的能耗主要集中在鼓風(fēng)機(jī)、攪拌器和內(nèi)外回流泵上，其中，鼓風(fēng)機(jī)占該單元電耗的59%，占全廠工藝總電耗的43%。全廠最大的能耗處理單元為生物處理段、進(jìn)水泵房、二次提升泵房，節(jié)能降耗的重點(diǎn)設(shè)備為風(fēng)機(jī)和提升泵。
二、節(jié)能降耗途徑分析
2.1 設(shè)備選型及優(yōu)化
設(shè)計(jì)時為保證最大流量需求，我國大多數(shù)城鎮(zhèn)污水處理廠(尤其是建設(shè)年代較早的污水處理廠)普遍存在設(shè)備選型過大、配置單一、恒速運(yùn)行等配置不合理問題。污水廠運(yùn)行期間，由于進(jìn)水量波動較大，進(jìn)水提升泵不能始終處于高效區(qū)運(yùn)行，能效較低。同時，污水廠實(shí)際進(jìn)水水質(zhì)與設(shè)計(jì)進(jìn)水水質(zhì)往往相差較大，在進(jìn)水水質(zhì)水量波動的情況下，因風(fēng)機(jī)選型過大且型號單一，運(yùn)行調(diào)整靈活性差，造成風(fēng)機(jī)系統(tǒng)能耗浪費(fèi)，還可能導(dǎo)致好氧池DO過高，進(jìn)而使得較高DO的內(nèi)回流混合液進(jìn)入缺氧池而導(dǎo)致進(jìn)水碳源損失。由于風(fēng)機(jī)選型過大，所調(diào)研部分污水廠滿負(fù)荷運(yùn)行期間，當(dāng)導(dǎo)葉開啟度調(diào)整為30%時，其仍需要部分放空才能維持好氧池正常DO水平，其噸水電耗明顯高于其他同類型污水廠。因此，提高設(shè)備配置水平，合理進(jìn)行設(shè)備選型是污水廠降低能耗的關(guān)鍵所在。
隨著行業(yè)節(jié)能降耗意識的提高和節(jié)能技術(shù)的發(fā)展，污水處理廠在新建或改造時已經(jīng)開始注重設(shè)備的優(yōu)化配置或技術(shù)改造，如采用變頻調(diào)速技術(shù)、不同型號設(shè)備搭配選型、工頻和變頻設(shè)備組合配置、車削葉輪等，以增強(qiáng)污水廠運(yùn)行的靈活性。例如，在進(jìn)水提升泵配置設(shè)計(jì)時，一般至少配置1臺變頻泵或1臺小型泵，以應(yīng)對污水處理廠進(jìn)水水量波動變化，同時達(dá)到節(jié)省進(jìn)水提升泵運(yùn)行能耗的目的。
2.2 錯峰用電
為緩解我國城市用電高峰時段負(fù)荷過高、電網(wǎng)峰谷時段負(fù)荷差較大等電力供應(yīng)緊張的情況，國家出臺了相關(guān)政策，各省市根據(jù)不同時間段的用電負(fù)荷情況制定了不同的電價，如峰、平、谷三檔電價和尖、峰、平、谷四檔電價，收費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)依次降低。在對城鎮(zhèn)污水處理廠進(jìn)行調(diào)研時發(fā)現(xiàn)，部分污水廠在保證出水穩(wěn)定達(dá)標(biāo)的前提下，通過合理控制，在電網(wǎng)負(fù)荷較低時加大運(yùn)行負(fù)荷，用電高峰期減少設(shè)備運(yùn)行數(shù)量或調(diào)低設(shè)備運(yùn)行頻率，將電網(wǎng)用電高峰時段的部分負(fù)荷轉(zhuǎn)移到用電低谷時段，減少電網(wǎng)的峰谷負(fù)荷差。這樣可以降低污水廠運(yùn)行費(fèi)用，同時實(shí)現(xiàn)社會資源的優(yōu)化配置。下面以X污水廠為例進(jìn)行分析，其峰平谷用電量及分布情況如圖3所示。
X廠設(shè)計(jì)規(guī)模為20萬m3/d，水量變化系數(shù)設(shè)計(jì)值為1.3，運(yùn)行負(fù)荷為80%，處理工藝為氧化溝工藝，出水水質(zhì)執(zhí)行《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB18918—2002)一級A排放標(biāo)準(zhǔn)，平均噸水電耗為0.24kW·h/m3。X廠所在城市峰平谷三個時段分別為8h，從圖3可以看出，峰期用電量較為穩(wěn)定，月均為40萬kW·h左右，占總用電量的25.7%，比重最少；平期用電量均衡，占總電量的30.6%；而主要電耗集中在谷期，占總電量的43.7%。根據(jù)該廠所在城市的電費(fèi)收費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)，大工業(yè)用電電費(fèi)峰值為1.0167元/(kW·h)(6-8月為1.0788元/(kW·h))，平值為0.675元/(kW·h)，谷值為0.4203元/(kW·h)，X廠通過錯峰用電，每年可節(jié)省電費(fèi)約100萬元。
三、結(jié)論
城鎮(zhèn)污水處理廠可通過提高設(shè)備配置水平和技術(shù)改造等方式，有效避免設(shè)備選型過大、運(yùn)行效能低等設(shè)計(jì)原因造成的能源浪費(fèi)。在運(yùn)行過程中，在保障出水穩(wěn)定達(dá)標(biāo)的情況下，污水處理廠可將部分用電高峰期運(yùn)行負(fù)荷轉(zhuǎn)移至低負(fù)荷期，有效降低運(yùn)行成本。( >
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