再生水廠節能設計案例分析

摘要：節約資源是我國的基本國策，隨著我國城市建設的發展，減碳降耗越來越受重視。再生水廠作為重要的市政基礎設施，如何節能降耗，已經成為重要的現實問題。本文以天津市某再生水廠工程設計過程中采取的節能措施為案例，探討如何在設計階段實現再生水廠的節能，可為同類再生水廠提供經驗參考，為構建資源節約型社會提供基礎技術支撐。

關鍵詞：再生水廠；節能設計；雙膜法

引言

污水再生利用是指污水經無害化處理后達到特定水質標準，作為再生水替代常規水資源，用于工業生產、市政雜用、居民生活、生態補水、農業灌溉、回灌地下水等，或者從污水中提取其他資源和能源，對優化供水結構、增加水資源供給、緩解供需矛盾和減少水污染、保障水生態安全具有重要意義。

《“十四五”全國城市基礎設施建設規劃》提出，構建城市健康水循環，強化污水再生利用。加快推動城市生活污水資源化利用，鼓勵將再生水優先用于生態補水、工業生產、市政雜用等方面，強化再生水的多元利用、梯級利用和安全利用，促進再生水成為缺水城市的“第二水源”，使缺水城市再生水利用率達到20%左右，京津冀地區再生水利用率≥35%。

污水處理行業是高耗能行業，根據國家能源局、住房和城鄉建設部“全國城鎮污水處理管理信息系統”發布的數據，2018年全國城鎮污水處理廠共消耗電能192億kWh，約為同年全社會總用電量的0.28%，呈逐年上升趨勢。再生水處理作為污水處理的延伸也應貫徹綠色理念，減少能源和資源的消耗，對再生水運營企業也會產生經濟效益[1][2]。能耗是再生水廠運行的重要考核指標，在再生水廠設計階段，就應考慮到節能降耗措施，對保證實際運行的節能效果至關重要。

天津市某再生水廠，產水規模5萬m3/d，利用污水處理廠出水為水源，污水廠出水水質達到天津市《城鎮污水處理廠污染物排放標準》（DB 12/599-2015）中規定的A標準。再生水回用方向包括熱電廠循環冷卻系統補充水、城市雜用水（含沖廁、車輛沖洗、城市綠化、道路清掃）、觀賞性景觀環境用水（水景類）。但不同的回用方向對水質的要求不同，如工業循環冷卻水的補充水回用對水中溶解性總固體要求較高，城市雜用對于濁度和色度要求較高，景觀用水對于濁度和余氯要求較高，本工程考慮同時滿足以上3種回用方向的水質要求。水質需滿足《城市污水再生利用 工業用水水質》（GB/T 19923-2005）、《城市污水再生利用 城市雜用水水質》（GB/T 18920-2020）、《城市污水再生利用 景觀環境用水水質》（GB/T 18921-2019）水質標準。

1再生水廠工藝簡介

由于天津市屬于沿海城市，污水中總含鹽量（TDS）及氯離子（Cl-1）濃度較高，TDS一般為1400～1600mg/L、氯離子一般350～500mg/L，作為循環冷卻水的補充水回用要求TDS≤1000mg/L，氯離子≤250mg/L。污水廠處理工藝不具備去除TDS及氯離子的功能，因此再生水廠采用了可去除水中離子的“雙膜法”工藝，即超濾+反滲透工藝。超濾為反滲透的預處理，主要作用是降低濁度，去除大分子污染物，降低SDI，為后續反滲透膜提供良好的工作環境，此工藝主要能耗集中在反滲透工段。由于反滲透工藝需要通過高壓泵產生反向壓力差，通過反滲透膜分離水中的離子，因此在此過程中會消耗大量的電能。

2再生水廠的節能設計

2.1 總體布局的節能

再生水廠原水的輸送會消耗大量電能，因而從總體布局方面考慮，再生水廠選址應靠近污水處理廠出水位置，避免長距離輸送原水。同時，考慮盡量靠近用戶，減小輸送水管道的長度，并合理分析用戶的需水壓力，降低送水泵的揚程，減少能耗。

本工程選址緊鄰污水處理廠，原水來自于污水廠出水，污水廠規模45萬m3/d，污水廠工藝采用“粗格柵+提升泵房+細格柵曝氣沉砂池+速沉池+A2/O生化池+二沉池+反硝化濾池+高效沉淀池+V型濾池+臭氧接觸池+紫外消毒”工藝，出水水質達到準Ⅳ類水標準。

本工程再生水廠用地緊鄰污水處理廠深度處理區的V型濾池與臭氧接觸池，為適應不同原水水質變化，再生水廠來水選擇V型濾池出水與臭氧接觸池出水2路水源。正常原水色度低時，再生水廠原水來自污水廠V型濾池出水，當原水色度高時，選擇臭氧接觸池后出水。再生水廠進水位置距V型濾池出水及臭氧接觸池出水位置約100m，原水通過管道重力輸送至再生水廠進水位置，最大限度地節約了原水輸送的能量消耗。

2.2 工藝系統的節能

根據污水廠出水水質標準及本工程確定的再生水回用方向，本工程主要設計進出水水質如表1所示。

從表1可以看出，本工程進水為污水廠處理后的尾水，污水廠出水水質已經達到了準Ⅳ類水標準，大部分指標已經滿足再生回用要求，主要考慮去除氯離子及水中其他離子、投加消毒劑。本工程采用雙膜法處理工藝，在保證出廠水質的前提下，為達到節約能耗、降低運行費用的目的，僅對部分原水進行處理，采用“污水廠出水+超濾產水+反滲透產水”混合的方式減少經過反滲透的處理水量。在設計工況下，采用“10000m3/d污水廠出水+12000m3/d超濾產水+28000m3/d反滲透產水”混合方式，合計產水規模50000m3/d。運行時，可根據季節性原水水質特點，控制3種水的摻混比例。

反滲透濃水的處理處置方式對于再生水廠來說至關重要，以本工程為例，如圖1所示，設計工況下，反滲透濃水排放量達到12000m3/d，如果單獨處理將大大提高再生水廠的建設投資及處理成本，同時處理則會大幅增加廠區能耗。本工程由于緊鄰污水處理廠，并且污水處理廠規模較大，因此可將反滲透濃水排放進入污水處理廠前池，與污水一起進行處理。經過核算，濃水進入污水廠，不會對污水廠的正常運行產生影響，按照此方式處理濃水，大大節約了再生水廠的運行能耗。

2.3 設備選型的節能

在水廠設備選型設計中，按照節能優先、技術和工藝先進并符合國家行業政策規定的原則選用設備。本工程的主要耗能設備為水泵、膜組件。

2.3.1水泵節能

再生水廠水泵主要包括膜池進水提升泵、超濾產水泵、反滲透高壓泵、送水泵。相關研究表明，采用變頻技術可以使水泵平均轉速比工頻轉速最多降低25%，綜合節能效果達到20%～40%。除此之外，還需要對水泵進行精細的日常維護，保證高效率運行。因此，本工程廠區內的主要水泵均采用了變頻控制。

廠區內膜池進水提升泵由于泵池液位存在變化，選取變頻型水泵，使泵池液位盡量保持穩定，通過液位計控制水泵。超濾產水泵為負壓抽吸水泵，通過設計使超濾產水池經由堰出水，保證產水泵的工作壓力相對穩定，同時產水泵也需配套變頻控制。反滲透高壓泵是全廠耗能最大的水泵，單臺功率185kW，通過變頻控制，可根據產水量反饋，調節水泵頻率，在進水水質較好時，可大大減少反滲透系統的能耗。

綜合而言，再生水供水泵站設計應按照給水泵站類型考慮，除滿足最高日最高時流量的要求外，還應按照節能要求進行設計，考慮不同工況的能耗。水泵型號及其組合的合理配置，應使各種工況中運行的水泵處于水泵特性的高效段，即設計規模下的平、谷、峰典型設計流量工況；配置永久或臨時小泵滿足投產初期低流量工況。另外，還應通過實測或參考相似區域選取24h逐時需水量曲線，模擬泵站在典型工況下的運行狀態，用以分析泵站的綜合能效。

2.3.2膜產品節能

工程常用的超濾膜系統有壓力式超濾和浸沒式超濾2種形式，本工程超濾膜系統采用了浸沒式超濾膜，設計膜通量30L/m2·h，相對于壓力式超濾系統，浸沒式超濾進水通道是開放的，具有濃差極化現象不明顯、耐污堵、產水壓力低、反洗周期長的特點，可有效節約運行能耗，同等條件下，每噸水電耗減少0.09kWh。

本工程反滲透系統共6組，單套產水195m2/h，為了提高產水率，采用一級兩段反滲透，濃水再經過一次反滲透膜，提高了系統能效，系統收率達到70%以上，反滲透膜選用了東麗公司生產的TM720D-400抗污染高效反滲透膜，具有較高的脫鹽率和化學耐久性，延長了反洗周期，減少反洗頻次，使用壽命較傳統反滲透膜延長，同時由于穩定的高通量，可節約反滲透系統的能耗。相關研究表明，在不影響反滲透系統處理效果的前提下，選取低壓高通量的反滲透膜，能夠節約20%～25%的電耗，節能降碳效果十分顯著[3]。

2.4 輔助節能

廠區建筑的供熱及制冷也是水廠運行過程中的重要耗能環節，從節能的角度出發，無人值守的車間冬季以防凍為主，采暖溫度設計為5℃。辦公房間室內采暖設計溫度取18℃，室內空調設計溫度26℃。本工程為了節約能源，沒有采用傳統熱源，污水廠的污水溫度一年四季相對穩定，冬季溫度比環境空氣溫度高，夏季溫度比環境空氣溫度低，是很好的冷熱源，因此采用了污水源熱泵系統提供廠區的供熱及制冷。

污水源熱泵具有環保、高效、節能、污染少、維護簡單的特點，有利于綠色發展和可持續發展。本工程污水源熱泵從污水處理廠出水泵房取水，冬季集中供熱，夏季集中供冷。水源熱泵間采暖供回水溫度50/45℃，制冷供回水溫度7/12℃，綜合辦公樓設舒適型空調，采用風機盤管加新風系統，每人最小新風量為30m3/h?？傋冸娬局锌刂剖以O專用空調末端，值班室、門衛室、休息室等設置舒適性空調。其他建筑單體采用立式明裝風機盤管系統，同時滿足采暖、制冷的要求。

2.5 建筑節能

綜合管理用房、值班室等水廠內輔助辦公建筑，按照《天津市公共建筑節能設計標準》（DB 29-153-2014）《工業建筑節能設計統一標準》（GB 51245-2017）進行設計。通過優化建筑整體布局、采用高性能外窗和墻體以及提升建筑的整體氣密性等性能化設計幫助建筑降低運行能耗。本工程建筑維護結構部位傳熱系數，屋面0.33W/（m2·K），外墻0.42 W/（m2·K），非透光外門1.1 W/（m2·K），外門窗1.7 W/（m2·K），均低于國家及地方相關標準要求。廠區建筑衛生間沖洗用水采用廠區中水，節約自來水資源。

2.6 電氣節能

再生水廠變電器選用節能型干式變壓器，廠內配電線路均采用低阻抗的銅導體以降低線路損耗。變電站采用自動無功率補償裝置，以減少無功損耗，提高功率因數，同時合理設置變壓器位置，使其處于全廠的用電負荷中心。再生水廠照明均采用節能環保的新型照明設備，并充分利用太陽能，在滿足生產構筑物對照明的功能性要求及各構筑物內部的照度水平、視覺環境和照明效果的前提下，最大限度地降低照明系統的電能消耗。

2.7 控制節能

再生水廠的節能效果最終還是要通過具體的運行管理來實現。隨著再生水廠建設標準越來越高，對再生水廠的運行管理也提出了更高的要求。目前，國內部分高標準建設的再生水廠在自動控制等硬件配置上已不亞于國外先進國家的水廠，再生水廠的控制系統也正在從智能化向智慧化快遞轉變，因此要求再生水廠的運行管理方法和管理手段也要同步提升，只有實現從粗放管理到精細化管理的轉變，才能保證再生水廠節能目標的最終實現。本工程全廠采用技術先進的微機測控管理系統，分散檢測和控制，集中顯示和管理，可實現無人值守，并可以根據原水水質的變化及其他設定變量，使系統在最經濟狀態下運行。

3其他節能設計思考

近年來分布式光伏發電系統應用越來越多，本工程由于歷史原因，沒有采用分布式光伏發電系統。根據目前的分布式光伏發電設計思路，本工程清水池頂部可利用面積3000m2，布置1200塊260Wp多晶硅光伏組件，安裝功率為312kWp。將光伏組件串聯形成組串后接入3臺100kW逆變器，由逆變器將光伏直流電轉變為380V交流電供廠區使用，壽命期25a累計發電量可達630萬kWh，分布式光伏產生電能可供再生水廠用電設備使用，可大幅節約廠內用電能耗。

結語

在我國市政基礎設施建設高質量發展及全社會減碳降耗的總體背景下，城市再生水廠的建設也要遵循節約能源的方針政策，在前期設計階段需多方面、多角度考慮節能措施，為我國建設節能型社會提供堅強的技術支撐。天津市某再生水廠通過多方面的節能設計，實現了很好的節能效果，產水單位能耗處于較低水平，該項目設計工況下的噸水電耗0.52kWh，處理能耗較低，處于國內同類水平再生水廠先進水平。本工程的探索實踐，可為同類型的再生水廠節能設計提供經驗參考。因此，在“雙碳”背景下，建議建立再生水廠節約能源評價體系，加強運行中的維護管理水平，科學考核能源節約效果，落實能耗雙控目標，為實現生態文明、綠色發展提供技術保障。

參考文獻

[1]周婷，朱義超.城市污水處理廠節能降耗途徑研究[J].資源節約與環保，2015（02）：35-36.

[2]高偉明.城鎮污水處理廠能耗分析及節能降耗對策[J].低碳世界，2017（03）：22-23．

[3]秦剛華，馮向東，李強，等.反滲透系統節能減碳潛力研究[J].能源工程，2021（03）：25-30.

作者簡介

劉曉天（1985—），男，漢族，吉林德惠人，" 碩士研究生，高級工程師，研究方向為市政給水排水及環境工程。