AAO工藝節(jié)能降耗研究

張志豪 郭曉勇 張君來(lái) 陳博祥 張煜

摘要：Anaerobic-Anoxic-Oxic （AAO）工藝是我國(guó)城市污水處理工藝中最為常見(jiàn)的一種，如何實(shí)現(xiàn)這些污水處理工藝的節(jié)能降耗對(duì)實(shí)現(xiàn)我國(guó)環(huán)保行業(yè)的節(jié)能減排目標(biāo)意義明顯。本文通過(guò)分析荊門(mén)竹皮河項(xiàng)目部污水治理工程中采用AAO工藝的單元在運(yùn)行過(guò)程中能耗的基礎(chǔ)上，從提高蓄水量、采用變頻節(jié)能設(shè)備、自動(dòng)控制技術(shù)的應(yīng)用三個(gè)方面，提出AAO工藝的節(jié)能運(yùn)行措施以及AAO污水處理工藝節(jié)能降耗的建議。

Abstract： Anaerobic-Anoxic-Oxic （AAO） process is the most common urban sewage treatment process in China. How to achieve energy saving and consumption reduction of these sewage treatment processes is of great significance to realize the energy conservation and emission reduction targets of China's environmental protection industry. Based on the analysis of the energy consumption of the unit using AAO technology in the wastewater treatment project of Jingmen Bamboo River Project， this paper proposes energy-saving operation measures of AAO process and recommendations for energy saving and consumption reduction in AAO wastewater treatment process from three aspects： improving water storage capacity， using variable frequency energy-saving equipment and automatic control technology.

關(guān)鍵詞：AAO;節(jié)能降耗;污水處理

Key words： AAO;energy saving;sewage treatment

中圖分類號(hào)：X703 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：1006-4311（2019）12-0129-03

0 ?引言

為了改善水體環(huán)境，實(shí)現(xiàn)城鎮(zhèn)污廢水的綜合治理。近年來(lái)，我國(guó)通過(guò)總量控制和綜合治理的手段，提出了多項(xiàng)治理方案并予以實(shí)施，我國(guó)污染情況因此得到緩解，水體質(zhì)量明顯提高。在這種大環(huán)境下，葛洲壩集團(tuán)第一工程有限公司應(yīng)荊門(mén)市政府要求，對(duì)荊門(mén)市進(jìn)行污水治理工程施工，興建七座污水處理廠。由于AAO工藝具有脫氮除磷能力、水力停留時(shí)間短、工藝整體行能耗低、對(duì)水質(zhì)適應(yīng)性強(qiáng)、基建和運(yùn)行費(fèi)用較低、維護(hù)管理操作方便、運(yùn)行簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，綜合對(duì)比其他主流工藝，如AO、AAO、氧化溝、CASS、SBR等，荊門(mén)竹皮河項(xiàng)目部污水處理廠多采用AAO工藝。故，本文以AAO工藝為研究對(duì)象，結(jié)合建設(shè)過(guò)程及運(yùn)行過(guò)程，提出節(jié)能降耗建議。

1 ?我國(guó)污水處理廠能耗現(xiàn)狀

目前，雖然我國(guó)已建污水處理廠可以有效去除生活污水中的多種有害物質(zhì)，在水污染控制、水環(huán)境治理上邁出了重要的一步。但是，我國(guó)已建污水處理廠能耗較高的行業(yè)特點(diǎn)不容忽視。通常情況下，污水處理工藝能耗是指污水處理過(guò)程中，在污水污泥的提升、生物處理單元曝氣、混合推進(jìn)、污泥濃縮脫水、污泥回流等環(huán)節(jié)直接消耗的電能。據(jù)統(tǒng)計(jì)，污水生物處理和污泥處理單元能耗約占污水處理廠直接能耗的60%-90%。

2 ?AAO污水處理系統(tǒng)節(jié)能運(yùn)行研究與實(shí)踐

2.1 AAO工藝能耗分析

根據(jù)相關(guān)研究可知，要想實(shí)現(xiàn)AAO污水處理工藝的節(jié)能及高效運(yùn)行，需要對(duì)以下三個(gè)耗能單元進(jìn)行優(yōu)化：污水泵站、污水生物處理和污泥處理。通過(guò)查閱相關(guān)資料發(fā)現(xiàn)，當(dāng)前我國(guó)大部分AAO污水處理廠設(shè)計(jì)在污水泵、曝氣、回流等運(yùn)行環(huán)節(jié)采用定值設(shè)置。本項(xiàng)目為PPP項(xiàng)目，根據(jù)本項(xiàng)目實(shí)施經(jīng)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，多數(shù)污水處理廠在廠區(qū)建設(shè)完畢但官網(wǎng)未建設(shè)完畢之前便投入試運(yùn)行。試運(yùn)行過(guò)程中，隨著后續(xù)污水管網(wǎng)的施工逐漸完成，進(jìn)水水量時(shí)刻發(fā)生變化。在污水管網(wǎng)全部建設(shè)完畢后又發(fā)現(xiàn)，無(wú)論水量還是水質(zhì)均在時(shí)刻變化，恒定的污水泵功率、曝氣與回流運(yùn)行控制與其不相匹配，從而造成能量浪費(fèi)或出水水質(zhì)難以達(dá)標(biāo)。由此可知，我們需要研究出一種運(yùn)行控制技術(shù)，來(lái)應(yīng)對(duì)動(dòng)態(tài)水量、水質(zhì)變化，從而使曝氣量、回流量與水量、水質(zhì)實(shí)時(shí)匹配。綜合分析荊門(mén)竹皮河各污水處理廠運(yùn)行特征，并與國(guó)內(nèi)類似污水處理廠進(jìn)行對(duì)比，可以發(fā)現(xiàn)不同污水處理廠從節(jié)能的機(jī)制上可以概括為三大類，一是優(yōu)化設(shè)備及其運(yùn)行管理以達(dá)到節(jié)能目的;二是深入研究污水處理過(guò)程的反應(yīng)機(jī)理，開(kāi)發(fā)節(jié)能工藝;三是污水處理系統(tǒng)優(yōu)化及開(kāi)源節(jié)能運(yùn)行。本文將通過(guò)第一個(gè)論點(diǎn)對(duì)AAO污水處理系統(tǒng)的節(jié)能運(yùn)行闡述。

2.2 設(shè)備選型對(duì)AAO工藝節(jié)能降耗的影響

通過(guò)對(duì)荊門(mén)竹皮河7個(gè)污水處理廠進(jìn)行對(duì)比、研究發(fā)現(xiàn)，各污水處理廠污水提升泵選型設(shè)計(jì)時(shí)，主要考慮因素為最大揚(yáng)程、最大流量等最不利因素的情況。由此選擇出來(lái)水泵的設(shè)計(jì)參數(shù)導(dǎo)致不少水泵揚(yáng)程偏高，運(yùn)行時(shí)偏離設(shè)計(jì)揚(yáng)程，常常運(yùn)行在低揚(yáng)程、大流量、低效區(qū)。這種水泵不僅浪費(fèi)電能，而且極易導(dǎo)致電機(jī)過(guò)熱。為了使水泵始終運(yùn)行在高效區(qū)，達(dá)到節(jié)能目，以下幾種方法切實(shí)可行：使用變頻器控制的水泵、根據(jù)流量及集水池水位變化控制泵機(jī)的轉(zhuǎn)速。另外，經(jīng)研究，子陵污水處理廠設(shè)計(jì)時(shí)存在蓄水水位較低，無(wú)法淹沒(méi)水泵的情況。經(jīng)過(guò)研究計(jì)算，并與參建各方協(xié)商，最終達(dá)成一致：提高泵前水位。該舉措降低了泵送污水過(guò)程的能耗，大幅減少泵的開(kāi)合次數(shù)。通過(guò)計(jì)算，通過(guò)利用前端管網(wǎng)的蓄水能力，可使得污水在泵送過(guò)程中的能耗降低20%。

3 ?自動(dòng)控制技術(shù)對(duì)AAO工藝節(jié)能降耗的影響

為了保證良好的出水水質(zhì)，實(shí)現(xiàn)達(dá)標(biāo)排放，降低能耗，獲得良好的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益，各污水處理廠AAO生化物化一體化池加入自動(dòng)控制。后續(xù)研究結(jié)果表明，加入自動(dòng)控制技術(shù)后具有以下三方面優(yōu)點(diǎn)。第一，根據(jù)生物池內(nèi)的溶解氧含量來(lái)控制相關(guān)設(shè)備的開(kāi)啟臺(tái)數(shù)，通過(guò)調(diào)節(jié)送風(fēng)量等參數(shù)，更加智能的對(duì)AAO生化物化一體化池的充氧進(jìn)行控制管理;第二，將曝氣池中的溶解氧濃度列入自動(dòng)控制系統(tǒng)，通過(guò)增加PLC控制系統(tǒng)等方式，可節(jié)省氣量10%;第三，保障生物除磷、脫氮的效果：可通過(guò)厭氧段以及缺氧段的氧化還原電位值和污泥濃度來(lái)達(dá)到對(duì)污泥回流量的控制，從而確保污泥反硝化和磷的釋放效果達(dá)到預(yù)期。

為了實(shí)現(xiàn)整個(gè)過(guò)濾及反沖洗過(guò)程的自動(dòng)控制，除了需要對(duì)水泵、鼓風(fēng)機(jī)、閥門(mén)等設(shè)備進(jìn)行監(jiān)測(cè)，還需要設(shè)置適當(dāng)?shù)脑诰€檢測(cè)儀表，從而達(dá)到對(duì)相關(guān)工藝參數(shù)的控制目的。攪拌器、電動(dòng)空氣調(diào)節(jié)蝶閥、水下推進(jìn)器、循環(huán)水泵、鼓風(fēng)機(jī)房曝氣鼓風(fēng)機(jī)都是常用的自控接口。通過(guò)采用先進(jìn)的通訊技術(shù)及自動(dòng)控制技術(shù)、采用合理的檢測(cè)儀表以及采集合適的監(jiān)控信息，達(dá)到使AAO生物池經(jīng)濟(jì)、高效地運(yùn)行的目的。通過(guò)加入PLC自動(dòng)控制系統(tǒng)，不但可以保證出水水質(zhì)達(dá)標(biāo)，而且可以減少勞動(dòng)強(qiáng)度、避免人工控制的隨意性，從而達(dá)到節(jié)能降耗的目的。

4 ?除臭設(shè)備的選型

根據(jù)荊門(mén)7座污水處理廠中團(tuán)林污水處理廠施工藍(lán)圖及項(xiàng)目公司提供的相關(guān)數(shù)據(jù)可知，團(tuán)林污水處理廠除臭氣量為12000m3/h。目前，污水處理廠常用的除臭技術(shù)主要有生物法、離子法、吸附法、化學(xué)法和掩蔽法等。根據(jù)相關(guān)參數(shù)，結(jié)合類似項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合團(tuán)林污水處理廠現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，設(shè)定收集后氣體平均濃度設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表1。

根據(jù)葛洲壩水務(wù)（荊門(mén)）有限公司及政府相關(guān)部門(mén)的要求，團(tuán)林污水處理廠治理后排放氣體達(dá)到《中華人民共和國(guó)惡臭污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB14554-93）二級(jí)廠界標(biāo)準(zhǔn)，污水泵站內(nèi)臭氣消除，周圍環(huán)境明顯改善。

①新鮮空氣過(guò)濾段。

離子除臭箱體在進(jìn)口處安裝過(guò)濾材料，過(guò)濾材料采用過(guò)濾效率高、壓力損失低、外型尺寸較小并可拆洗和重復(fù)利用的優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品。過(guò)濾材料的壓力損失小于5mmH2O，可以減少整個(gè)系統(tǒng)的能耗及噪聲。

②氧離子發(fā)生段。

氧離子發(fā)生段由BENTAX離子管及控制模塊等組成。離子發(fā)生裝置產(chǎn)生高濃度的離子，與經(jīng)過(guò)空氣過(guò)濾器清除空氣中的微小灰塵顆粒后的潔凈空氣混合，轉(zhuǎn)變成離子風(fēng)，輸送到除臭箱中。

離子發(fā)生器（包含離子管）：本項(xiàng)目所用離子發(fā)生器對(duì)人體及空氣均無(wú)不良影響，且具有良好調(diào)控性能，并保證設(shè)備先進(jìn)、優(yōu)質(zhì)、耐用。設(shè)備和材料不僅適應(yīng)間歇運(yùn)行模式，而且適用于長(zhǎng)期每天24小時(shí)連續(xù)運(yùn)行模式。在系統(tǒng)正常運(yùn)行的情況下，不必設(shè)專職人員。本項(xiàng)目采用的除臭設(shè)備具有能耗低以及安裝維護(hù)簡(jiǎn)易方便等優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)為減少風(fēng)阻及安裝體積，離子發(fā)生器上的離子管安裝方式為臥式安裝。本項(xiàng)目采用的除臭設(shè)備所有易損件或材料在保證連續(xù)正常運(yùn)轉(zhuǎn)的使用前提條件下，使用壽命不低于20000小時(shí)，主體設(shè)備的使用壽命可達(dá)到至少15年。為了保證除臭效果及離子發(fā)生器的使用壽命，離子發(fā)生器單獨(dú)安裝，保證不與臭氣直接接觸。

③除臭箱段。

離子除臭箱體采用AISI304不銹鋼制作，可以保證箱體足夠的強(qiáng)度和剛度。離子除臭箱體進(jìn)出風(fēng)口留有法蘭接口，以便與風(fēng)管連接。

離子除臭設(shè)備箱體可以安裝于室外或室外，設(shè)備整體采用具有環(huán)保、防火、防水、防腐蝕、防銹等功能的材料制作，并保證厚度滿足強(qiáng)度要求。

4.2 收集系統(tǒng)及風(fēng)機(jī)

按照主管風(fēng)速8～10m/s，次主管風(fēng)速6～8m/s，支管風(fēng)速4～6m/s的原則，根據(jù)各設(shè)備的臭氣量，選擇合適管徑的抽氣支管插入各設(shè)備;在密封罩蓋收集支管上設(shè)置風(fēng)量調(diào)節(jié)閥，用于調(diào)節(jié)各設(shè)備的收集風(fēng)量;各路支管匯入收集主管，連接至除臭裝置。由于臭氣具有腐蝕性，收集風(fēng)管全部選用玻璃鋼風(fēng)管，其優(yōu)點(diǎn)如下：耐腐蝕性能好，輕質(zhì)高強(qiáng)，電性能好，熱性能良好，可設(shè)計(jì)性好，工藝性優(yōu)良。

離子外排處理箱體中，風(fēng)機(jī)安裝在離子除臭設(shè)備的后端位置。本項(xiàng)目所用風(fēng)機(jī)選型為不銹鋼離心低噪聲風(fēng)機(jī)，裝有隔振墊的基礎(chǔ)框架及進(jìn)出口補(bǔ)償器，適應(yīng)腐蝕性空氣條件下的長(zhǎng)24小時(shí)連續(xù)運(yùn)行。性能可滿足如下條件：在20℃、濕度為65%的條件下，總絕對(duì)效率大于等于60%;設(shè)備軸與殼體貫通處，密封性良好，不存在漏氣等情況;本項(xiàng)目設(shè)置了防振墊，隔振效率不小于80%;在最大抽氣量的條件下，風(fēng)壓具有高于系統(tǒng)壓力損失10%的余量;在快速運(yùn)轉(zhuǎn)條件下，本項(xiàng)目氣體流量具有可調(diào)特性，調(diào)節(jié)范圍為100%～45%;包括電動(dòng)機(jī)在內(nèi)，本設(shè)備噪音低于80dB（A），葉輪的動(dòng)平衡精度大于等于G2.5級(jí)，且滿足24小時(shí)連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn);本項(xiàng)目采用的除臭設(shè)備防護(hù)等級(jí)為IP55，電源為380V/3Ph/50Hz，絕緣等級(jí)為F級(jí)，B級(jí)溫升。

4.3 控制系統(tǒng)

本項(xiàng)目除臭設(shè)備控制裝置包括PLC、斷路器、繼電器、變頻器等，保證系統(tǒng)全自動(dòng)運(yùn)行。

控制主機(jī)具有手動(dòng)/自動(dòng)模式，可控制除臭設(shè)備和風(fēng)機(jī)。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)除臭空間特定臭氣分子的變化情況，使用控制裝置來(lái)調(diào)節(jié)離子發(fā)生裝置的離子產(chǎn)生濃度，通過(guò)送風(fēng)量以及狀態(tài)顯示、遠(yuǎn)方自控系統(tǒng)開(kāi)停控制等方式，來(lái)確保輸送運(yùn)行狀態(tài)、故障狀態(tài)信號(hào)傳達(dá)到中央自控系統(tǒng)，從而進(jìn)行自動(dòng)控制。控制裝置箱體外殼為不銹鋼材質(zhì)，柜體留有吊眼，頂端、底端有接入口。除臭設(shè)備的控制柜留有與污水泵站自動(dòng)化控制系統(tǒng)的接口，可發(fā)送與接受自動(dòng)控制系統(tǒng)的信號(hào)。所有開(kāi)關(guān)和裝置燈均進(jìn)行防水和防腐處理，設(shè)備安裝示意圖如圖3。

5 ?節(jié)能降耗的展望

污水處理廠的節(jié)能降耗是實(shí)現(xiàn)污水處理可持續(xù)發(fā)展的重要途徑之一，雖然目前污水處理技術(shù)依舊面臨大量現(xiàn)實(shí)的技術(shù)和理論挑戰(zhàn)，但是我們有信心在污水處理廠升級(jí)改造過(guò)程中，通過(guò)理論與實(shí)際相結(jié)合，在原有的污水處理技術(shù)上進(jìn)行逐步改進(jìn)。節(jié)能降耗綠色環(huán)保的要求的提出，督促著我們要充分利用合研究原有構(gòu)筑物及污水處理工藝，通過(guò)合理選擇設(shè)備參數(shù)，進(jìn)行自動(dòng)控制系統(tǒng)優(yōu)化、提高科學(xué)化管理水平等方式，實(shí)現(xiàn)污水處理系統(tǒng)的實(shí)時(shí)、靈活、高效運(yùn)行。

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