小型城鎮(zhèn)污水廠節(jié)能降耗措施與實(shí)踐

張紅春，唐國(guó)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(guó)家對(duì)污水排放標(biāo)準(zhǔn)要求提高，許多地方大力推進(jìn)污水處理廠提標(biāo)改造[1-2]。2019年住房和城鄉(xiāng)建設(shè)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(dòng)方案（2019—2021年）》[3]，在此大政策環(huán)境背景下，江蘇省頒布實(shí)施了《太湖地區(qū)城鎮(zhèn)污水處理廠及重點(diǎn)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(jí)A排放標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)上進(jìn)一步提高排放標(biāo)準(zhǔn)[4-6]。污水處理廠出水執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)的提升，將直接提高污水處理能耗。

對(duì)于建造時(shí)間較長(zhǎng)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(yùn)行，且需實(shí)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(biāo)準(zhǔn)和節(jié)能降耗要求提高的情況下，通過設(shè)施精簡(jiǎn)、設(shè)備更新再到控制優(yōu)化，依次開展節(jié)能降耗工作，實(shí)現(xiàn)污水處理廠節(jié)能降耗。

1 效能綜合評(píng)估

1.1 效能綜合評(píng)估方案

1.1.1 評(píng)估目標(biāo)

污水處理廠運(yùn)行效能評(píng)估的目標(biāo)是明確污水處理廠運(yùn)行過程中存在的核心問題，提出污水處理廠優(yōu)化運(yùn)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(chǔ)數(shù)據(jù)和判斷依據(jù)。

1.1.2 評(píng)估原則與思路

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

圖1 評(píng)估線路圖

1.1.3 評(píng)估內(nèi)容

根據(jù)污水處理廠歷史運(yùn)行資料和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研信息，對(duì)污水處理廠的進(jìn)水水質(zhì)特征、處理效能、運(yùn)行能耗進(jìn)行系統(tǒng)評(píng)估，明確污水處理廠運(yùn)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(shè)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(jìn)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(biāo)準(zhǔn)滿足《2018蘇州特別排放限值》。

表1 2019年污水處理廠進(jìn)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(píng)估

根據(jù)昆山某污水處理廠的2019年的歷史運(yùn)行資料和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研信息，對(duì)該污水處理廠進(jìn)水特征、處理效能、運(yùn)行能耗進(jìn)行系統(tǒng)評(píng)估。

1.2.2.1 進(jìn)水特征

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

表2 污水處理廠進(jìn)水特征數(shù)值表

由表2可知：

BOD5/CODCr比值的波動(dòng)范圍為0.29~0.99，平均值為0.58，表明該廠的進(jìn)水可生化性整體較好，但存在進(jìn)水可生化性較低的風(fēng)險(xiǎn)。

BOD5/TN比值的波動(dòng)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(dòng)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(dòng)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(jìn)水SS中無機(jī)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(dāng)前運(yùn)行工況下，出水CODCr、BOD5、SS、NH3-N、TN、TP濃度均100%滿足設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)要求（GB 18918—2002中的一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)），且出水濃度均較穩(wěn)定，達(dá)標(biāo)率均為100%（見表3）。

表3 污水處理廠處理效能數(shù)值表

（2）設(shè)施處理效能分析。

通過對(duì)污水處理廠生化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)資料匯總，實(shí)際進(jìn)水水質(zhì)與設(shè)計(jì)進(jìn)水水質(zhì)的校核，各期生化段構(gòu)筑物設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)處理量一覽表

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

圖2 對(duì)生化系統(tǒng)主要處理構(gòu)筑物仿真模擬核算圖示

（3）運(yùn)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(yùn)行能耗波動(dòng)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(duì)各工藝單元進(jìn)行能耗分析時(shí)，發(fā)現(xiàn)如圖4所示的情況，生物處理段電能耗占整個(gè)污水廠能耗的67.35%，預(yù)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(yù)處理段有節(jié)能空間。

圖4 污水處理廠能耗分布圖

在對(duì)污水廠設(shè)備進(jìn)行能耗分析發(fā)現(xiàn)，鼓風(fēng)機(jī)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(fēng)機(jī)在污水廠運(yùn)行中屬于常開設(shè)備，且占比總能耗最大，優(yōu)化鼓風(fēng)機(jī)運(yùn)行，可以很大程度上節(jié)能，表6為風(fēng)機(jī)設(shè)備運(yùn)行現(xiàn)狀統(tǒng)計(jì)表。

表6 風(fēng)機(jī)設(shè)備運(yùn)行現(xiàn)狀統(tǒng)計(jì)表

通過校核設(shè)計(jì)水質(zhì)水量與實(shí)際水質(zhì)水量與生化性系統(tǒng)供風(fēng)量能力的匹配度返現(xiàn)，廠區(qū)各期配置的鼓風(fēng)機(jī)基本處于低負(fù)荷運(yùn)行、且部分風(fēng)機(jī)水泵老舊、高能低效，直接導(dǎo)致曝氣能耗較高。此外，現(xiàn)有各期系統(tǒng)鼓風(fēng)機(jī)供風(fēng)能力滿足超負(fù)荷進(jìn)水處理要求，從設(shè)備優(yōu)化角度評(píng)估，具備優(yōu)化條件。

c.運(yùn)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(dòng)，但整體藥劑使用量屬于正常范圍內(nèi)。

表7 污水處理廠運(yùn)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(yùn)營(yíng)管理、優(yōu)化污水廠工藝控制、更換高效設(shè)備等方式。

2.1.1 提高污水廠運(yùn)營(yíng)管理

提高污水廠的運(yùn)行管理，實(shí)施科學(xué)化、制度化、精益化的管理，提高員工的主觀能動(dòng)性，保障污水處理設(shè)備穩(wěn)定高效運(yùn)行。通過管理節(jié)能措施引導(dǎo)、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(shí)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(shí)現(xiàn)。

2.1.3 更換高效設(shè)備

更換高效設(shè)備，淘汰使用年份較長(zhǎng)、電機(jī)老化或自身能耗水平較高的設(shè)備，更換低能耗、高效率設(shè)備，提升設(shè)備運(yùn)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(dǎo)向，通過對(duì)該污水廠現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研踏勘與歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)資料、設(shè)計(jì)資料的分析，優(yōu)化污水運(yùn)行控制模式、調(diào)整設(shè)備配置，制定技術(shù)改造方案。

2.2.2 節(jié)能降耗措施

針對(duì)該污水處理廠能耗現(xiàn)狀，制定節(jié)能降耗措施，分為設(shè)施精簡(jiǎn)、設(shè)備更新、控制優(yōu)化三個(gè)階段。

2.2.2.1 設(shè)施精簡(jiǎn)

根據(jù)對(duì)生化系統(tǒng)處理水量的評(píng)估和主要處理構(gòu)筑物核算，該廠處理設(shè)施具有較大的調(diào)節(jié)空間，對(duì)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(yùn)行進(jìn)水負(fù)荷至11 000~12 000 m3/d；提升五期運(yùn)行進(jìn)水負(fù)荷至13 000~14 000 m3/d。

（2）在系統(tǒng)進(jìn)水量低于24 000 m3/d時(shí)，僅啟動(dòng)四、五期系統(tǒng)運(yùn)行；當(dāng)進(jìn)水超出24 000 m3/d逐步接近滿負(fù)荷時(shí)，且進(jìn)水濃度未出現(xiàn)明顯下降時(shí)，同時(shí)啟動(dòng)三、四、五系統(tǒng)以保證處理效果。

設(shè)施精簡(jiǎn)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(shè)備更新

結(jié)合水量調(diào)配和設(shè)施關(guān)停方案，在滿足各期設(shè)施處理要求和設(shè)備之間兼容性的前提下，對(duì)現(xiàn)有鼓風(fēng)機(jī)進(jìn)行重新組合分配。

（1）將二期原2#空氣懸浮鼓風(fēng)機(jī)移動(dòng)到四期期鼓風(fēng)機(jī)房，1#空氣懸浮鼓風(fēng)機(jī)和3#羅茨鼓風(fēng)機(jī)不移動(dòng)，由兩用一備轉(zhuǎn)為一用一備，二期風(fēng)機(jī)功率由74 kW降低為37 kW。

（2）四期泵房原3臺(tái)羅茨鼓風(fēng)機(jī)關(guān)停，增加了二期2#空氣懸浮鼓風(fēng)機(jī)。為了避免發(fā)生四期風(fēng)量不足的情況，將五期泵房的1#空氣懸浮風(fēng)機(jī)引至四期，氣量不足時(shí)可開啟。四期風(fēng)機(jī)功率由150 kW降低為37 kW。

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

在對(duì)風(fēng)機(jī)優(yōu)化配置過程中，對(duì)使用年份較長(zhǎng)、電機(jī)老化或自身能耗水平較高的設(shè)備，進(jìn)行能耗節(jié)約與投資平衡分析，適當(dāng)互換部分設(shè)備，提升設(shè)備運(yùn)行效率、降低能耗。

設(shè)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(fēng)量?jī)?yōu)化控制

結(jié)合目前該污水處理廠風(fēng)機(jī)自控程度較為簡(jiǎn)單，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)調(diào)控風(fēng)量，因其智能化程度不高，要實(shí)現(xiàn)風(fēng)量精確控制，需要時(shí)間和成本上較大投入，因此對(duì)風(fēng)量?jī)?yōu)化控制分為兩個(gè)階段。

階段一：前期是通過經(jīng)驗(yàn)加理論實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)的優(yōu)化變頻，控制DO濃度，風(fēng)機(jī)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(chǔ)上，通過工藝校核，對(duì)運(yùn)行控制邏輯進(jìn)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(shí)現(xiàn)精確曝氣，根據(jù)污水廠實(shí)際進(jìn)水負(fù)荷的變化及各控制單元溶解氧運(yùn)行水平的需求，動(dòng)態(tài)計(jì)算反應(yīng)區(qū)最佳溶解氧濃度范圍，通過對(duì)鼓風(fēng)機(jī)總風(fēng)量的調(diào)節(jié)及與流量調(diào)節(jié)閥門的聯(lián)動(dòng)，及時(shí)準(zhǔn)確地分配與控制生物反應(yīng)池的氣量，以達(dá)到溶解氧穩(wěn)定控制的需求，使生物池各反應(yīng)段高效穩(wěn)定運(yùn)行，同時(shí)達(dá)到節(jié)能降耗的目的[7]，風(fēng)量?jī)?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(jìn)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(duì)風(fēng)機(jī)重新組合、低效能設(shè)備更換和優(yōu)化控制等措施，9月中旬試運(yùn)行，調(diào)節(jié)期間對(duì)每周的用電量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，如圖5所示。由圖5可知，9月中旬試運(yùn)行后每周動(dòng)力用電量呈明顯下降趨勢(shì)，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(dòng)力用電量分布柱狀圖（單位：萬KW·h）

進(jìn)一步對(duì)該污水處理廠節(jié)能調(diào)節(jié)進(jìn)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(zhǔn)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(duì)比圖（單位：kW·h·m3）

3 結(jié)論與建議

3.1 結(jié)論

針對(duì)小型城鎮(zhèn)污水處理廠出水標(biāo)準(zhǔn)提高和節(jié)能降耗之間矛盾，開展污水處理廠效能綜合評(píng)估、管理節(jié)能、控制節(jié)能、設(shè)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(yùn)行效能評(píng)估是節(jié)能降耗重要環(huán)節(jié)，通過對(duì)污水處理廠的進(jìn)水水質(zhì)特征、處理效能、運(yùn)行能耗進(jìn)行系統(tǒng)評(píng)估，明確污水處理廠運(yùn)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(duì)污水處理廠實(shí)施管理節(jié)能、控制節(jié)能、設(shè)備節(jié)能等節(jié)能降耗措施，有助于實(shí)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(duì)該廠能效評(píng)估發(fā)現(xiàn)各期生化池處理效率較低、大功率設(shè)備配置不合理等問題，針對(duì)性地采取設(shè)施精簡(jiǎn)、設(shè)備更新、控制優(yōu)化等層層遞進(jìn)的節(jié)能降耗工作，在污水穩(wěn)定達(dá)標(biāo)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(shè)施精簡(jiǎn)貢獻(xiàn)占8.2%、設(shè)備更新貢獻(xiàn)占15.9%、控制優(yōu)化貢獻(xiàn)占6.8%。

3.2 建議

污水處理廠應(yīng)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(shè)智慧型污水處理廠，助力于污水廠實(shí)現(xiàn)智能化、精細(xì)化節(jié)能降耗。