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污水处理厂能耗评估与优化现状
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  • 更新时间:2018/11/03 15:38:49

污水处理是能耗密集型技术,为了能对污水处理过程进行合理的能耗评估和降低污水处理能耗,各国研究学者在此方面都做了大量的研究工作。文章从污水处理厂能耗现状入手,对能耗评估指标、能耗基准线的划定方法、能源效率提高办法、能源监管等几个方面进行了综述。通过分析发现,污水处理厂的能源效率通过评估和管理是可以大幅度提升的,将来还有很多值得研究的空间。

污水处理厂承担水环境改善的重要任务,但也是能耗密集型企业。其能耗范围较广,污水处理厂电耗一般占总能耗的70%~90%,因此污水处理厂的能耗一般多指电耗。据统计,我国2014年污水处理厂电耗占全国总电耗的0.26%,算上工业废水处理和污泥处理,所占比例将超过2%。如何合理评估污水处理能耗和降低能源消耗是目前污水处理领域关注的热点。

1污水处理电耗评估指标

目前以处理水量和污染物的去除量为电耗评估指标。

1以处理水量为电耗评估指标

我国基本是以处理水量为电耗评估指标的,且污水处理收费也是按水量为单位进行收费。据报道,我国目前城市污水处理电耗平均水平为0.29~0.40kW·h/m3。以处理水量为电耗评估指标有比较大的缺陷,这一评估指标使用的前提是污水处理厂的进水水量、水质(COD、氨氮、SS、总氮和总磷等)波动比较小,各污水处理厂进水水质水量情况比较接近,差别不大。另外,我国污水管网采用雨污分流,但实际上有时雨水、污水也会混合一起进入污水处理厂,导致进水污染物被一定程度稀释,计算出的电耗偏低。

2以污染物的去除量为电耗评估指标

污染物的去除量为电耗评估指标又可细分为:以年服务人口当量为电耗评估指标、以COD去除量为电耗评估指标、以总悬浮固体去除量为电耗评估指标、以总氮去除量为电耗评估指标。

德国、澳大利亚等国家采用的是以年服务人口当量为电耗评估指标。每1人口当量可以按COD或者BOD进行折算,一般是每天1人口当量60gBOD或者120gCOD。北美地方的污水厂一般每天1人口当量80gBOD或160gCOD,或每天1人口当量产生400L污水来进行折算。

几种常用电耗评价指标的适用性对比见表1。

表1几种主要评价指标的适用性对比

由表1可知,以污染物的去除量为电耗评估指标更准确一些,但是依然存在不足。首先,污水中污染物评价指标比较多,包括SS、COD、BOD、TN、TP、NH3-N等。选取单一种类的污染物去除量为电耗评价指标不全面。其次,每个污水厂进出水水质不一样,处理标准也不一样。随着对水环境质量改善要求的提高,污水处理厂的处理排放标准逐渐提高,要求越来越严,所以需要考虑采用全面覆盖所有污染物去除效果的一个综合指标来进行电耗评估。

3能量流分析

能量流分析是将进出污水处理系统的各种污染物按照能量的方式统一计量,将污水处理厂的运行效果从物质角度的多指标评价转化成从能量角度的单一指标评价。能量流的定义如式(1)所示。

应用能量流评估方法需要计算污水中的能量,这里用化学潜能来代表。化学潜能指的是废水中的有机物完全氧化成CO2和H2O时释放出的热能。污水中常见的有机物与化学潜能的对应关系:每1gCOD相当于14kJ化学潜能,每1gVSS相当于22.15kJ化学潜能。

林涛等应用比能耗和能量流两种评价指标分析A2/O污水处理工艺的能耗情况,发现能量流评价指标相当于多个比能耗组成的分析系统,是一个更综合、更全面的评价方法。就整体而言,能量流评价是一个新方法,应用很少,目前还不太完善,今后需要考虑纳入反硝化过程和除磷反应。

2能耗基准

由于污水处理能耗较高,对污水处理划定能耗基准有助于帮助污水处理厂建立合适的能耗评价体系,进一步降低能源消耗。确定能耗基准的方法比较多,大致可以分为归一化方法、统计学方法、编程技术三类。

1归一化方法

使用归一化方法划定能耗基准应用特别多,主要是因为该方法比较简单,结果通俗易懂,但其依赖于大量污水处理厂的样本分析。为了在不同的污水处理厂划定能耗基准,需要一定的评价指标,比如以服务人口量为标准、以处理单位水量为指标或以污染物的去除量为指标等。但是单一的评价指标过于简单,并且应用的前提是假设所有的污水处理厂在污水处理类型、规模、地理位置都是一个度量标准。单一的评价指标只适合于污水处理厂不同功能的单个处理环节。

L.B.Yang等在2006年对中国599个污水处理厂运行和能耗数据进行统计分析,最后采用7个三水平的能耗指标建立了能耗基准线。将建立的这一能耗基准线对3个污水厂的能耗进行评估,结果发现适应性比较好,能达到节省能耗、提高能源效率的目的。通过能耗基准的划定,3个污水厂在曝气方面节省能源效果显著。

C.Belloir等对英国2座具有初级处理、二级出水和深度处理的污水处理厂建立了能耗基准。结果发现,找到能耗最高的设施能有效提高能耗基准划定的效率。建立能耗基准需要对污水厂有全面的认识,需要知道污水厂出水水质参数、现场操作情况和污水厂工程布局。

利用单一或多个评价指标进行归一化能耗基准的划定有两个方面的缺陷。第一,对于处理规模相差很大的污水处理厂不存在线性关系,不能直接套用;第二,单一评价指标只能反映污水处理厂的部分功能。因此,通常归一化方法只应用于处理规模和污水水质比较类似的污水处理厂。

2统计学方法

统计学方法以最小二乘法(OLS)为例。OLS通过大量污水处理厂能源消耗样本分析,建立回归函数或模型表示大量污水处理厂样本的能源平均消耗水平。再将单一的污水处理厂能耗水平与回归函数进行比较,如果能耗值高于回归线,说明该污水处理厂能源使用效率低,反之则是能源使用效率高。用OLS建立回归模型所需要的参数包括:污水厂平均进水流量、进水BOD、进水COD、污水厂负荷率及营养物的去除情况等。OLS法也有不足之处:第一,该方法同样需要大量的样本数据分析;第二,回归结果对函数的表现形式比较敏感。具体联系污水宝或参见http://www.dowater.com更多相关技术文档。

3编程技术

编程技术以数据包络分析(DEA)为例,DEA是通过建立一个包络面来评估系统或者设备运行效率的编程技术。DEA的优势:是当新的决策单元添加到样本集中,参数模型不需要随着函数形式的改变而采用边界函数形式的假设,同时DEA允许涉及多种输入同时生成多个输出过程的分析。这使得专家对DEA在污水处理厂技术经济效益方面的评价应用产生了广泛的兴趣。但DEA与OLS一样,其依赖确定性的能源效率分数的假设,而忽视了能源消耗是具有很大随机成分的事实,能源消耗会受到季节和天气等因素的影响。DEA对数据是高度适应的,因此基于单一测量对能源效率进行估测是存在一些问题的。

3提高能源利用效率的方法

运行过程优化是一种投资少、又可以短时间内提高能源利用效率的方法。污水处理厂常见的运行过程优化主要在能源消耗占比较大的环节,如污水提升泵(约10%~20%)、曝气(约50%~70%)和污泥脱水处理(约10%~25%)等。

1污水提升泵

污水提升泵的优化是一种非常常规的优化措施,没有体现太多先进技术。主要包括对泵的操作设置、配备变频器、采用高效率的水泵等。一般对污水提升泵的优化能将这部分的能耗降低5%~30%。向伟芳对污水提升泵加设变频调控,运行数据表明,用变频调控技术能综合节省能源消耗达到20%~40%。除此之外,也需要定期对水泵进行保养维护,加强运行管理,同时结合自身污水处理厂实际运行情况来调整运行条件,帮助实现能源效率的最大化。

2曝气

对于污水处理过程而言,曝气环节是能源消耗最大的环节。影响曝气效率最重要的参数是平均细胞保留时间,有报道表明氧转移速率与平均细胞保留时间成正比,与扩散器的空气流速成反比。

(1)溶氧控制

A.Thunberg等报道,在瑞典某污水处理厂安装在线溶氧监测仪能节约26%的空气流量。有文献报道,如果采用更先进的溶氧控制设备可以节约总能耗的15%或者更高。国内方面,杨岸明对曝气智能控制方面展开了详细研究并建模分析。将研究成果应用于20m3/d城市污水处理厂的鼓风曝气优化上,最终在保持污水处理达标的前提下,月能耗降低7%,月均单位能耗降低9.7%。

(2)鼓风设备

A.C.Firmin等的研究表明,用涡轮鼓风机替换传统的鼓风设备可以降低35%的能耗。最近又有文献报道表明,与传统弹性膜扩散装置相比,采用超细气泡扩散器可以节约能耗10%~20%。除了更换鼓风设备,给现有鼓风设备安装变频调控,可以在工艺发生变化时自动调速,节省电能。刘铁军对SBR工艺污水处理厂的罗茨鼓风机安装变频调控,每月最少节约电量6810kW·h,1a节约电费7.35万元。

3污泥脱水处理

国内大型污水处理厂的污泥脱水处理费用占总费用的15%,对此采用节能降耗优化可以降低成本。主要改造方面包括构筑物结构改造、药剂种类及添加量优化、污泥脱水装备及工艺调整等。

宋繁永等针对污泥脱水能耗高的情况,研究污泥预处理工艺,改善污泥机械脱水性能,其开发的高效污泥机械脱水设备实现了污泥含水率在60%以下。

4能耗管理办法

1能源管理指南和能源管理系统

美国能源局(EPA)2008年发布了水和污水利用过程中的能源管理指南,里面提出了一些降低能源消耗和能源成本的方法。美国还有一些专门的组织机构在污水处理能源管理和提高能源利用率方面一直在努力,如WERF(TheWaterEnvironmentResearchFoundation)在筹划制定一个最佳能源利用方法汇编。而我国在这方面相对比较落后,目前仅有一些小公司帮助污水处理厂提供能源管理和提效服务,国家层面缺乏相应的标准和指南。

2能源审计

能源审计也是能源管理的一个有效措施。常规能源审计就是在污水处理厂设立专门的能耗记录台账,包括各处理单元或设备的电耗、药耗和水耗。定期对台账记录进行整理和分析,掌握该污水处理厂能源消耗的总体情况,并针对初步审计结果,对污水处理各单元环节做出简单的调整。高级能源审计对污水处理厂相关工作人员的要求比较高,工作涉及设备现场试验、盘点设备节能性能数据、设备和系统的能量分布、讨论潜在的节能措施、同时提供详细的过程审核资料并提出节能建议。

3能源监测系统

能源监测系统是由硬件和软件组成的一个平台,能将一些有效的能源管理办法引入污水处理厂的实践中,可以对污水处理厂的能源使用进行监测和管理,实现降低能耗的目的。例如目前监测和采集系统(SCADA)在污水处理厂中得到了广泛的应用,该系统能监测多种设备的参数和操作条件,同时能够提供处理工艺过程中能源消耗的实时数据。SCADA系统的有效使用可以在2~4a内收回投资成本。

5结论与展望

现有能耗评估指标都有一定的局限性,能耗基准的划定方法也杂乱不一,方法各有优劣,没有普适性。从国内外研究进展看出我国在此方面还有很长一段路要走。将来污水处理厂能源提效应在如下几方面加强研究:

(1)形成更全面的能耗评估办法,建立标准化能耗评估程序和管理记录台账;

(2)开发更全面、更适用的能耗评估指标,根据污水厂的规模、工艺和进出水水质标准等划定统一的标准能耗基准;

(3)加强污水处理厂能源监测自控系统数据收集和大数据分析,在此基础上总结能源消耗规律,研究高效节能降耗的方案。

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