污水处理厂能耗分析指标的比较与评估

污水处理厂能耗分析指标的比较与评估

全国废水量大，废水能耗与污水处理厂的运营成本密切相关。近年来，它引起了人们的关注。根据建设部统计数据,2005年全国城市污水排放总量360亿m3,城市污水处理量186亿m3,污水处理率51.7%。城市污水集中处理厂792座,设计能力5725万m3/d,其中二级以上694座,设计能力4791m3/d。以一级污水处理厂0.072kW·h/m3,二级污水处理厂0.338kW·h/m3推算,2005年全国城市污水处理厂应消耗电能为61.56亿kW·h。根据《全国城镇污水处理及再生利用设施建设规划》,到2010年底,年污水处理量达到297亿m3。据此推算,到2010年,全国城镇污水处理厂将消耗电能100亿kW·h。而运行费用高,能量消耗大,处理污染物的巨大费用已经给相关的市政部门、生产部门带来了沉重的经济负担。如何使污染处理设施在最佳状态下运行,在满足处理要求的同时,使建设费用和运行费用最低,一直是人们关注的问题。能耗分析的研究国内外对污水处理过程中的能量消耗以及优化运行的研究很有限,大大滞后于与水质特性相关的机理和应用研究。Wesner对美国污水处理单元过程进行了直接和间接能耗调查,并预计能耗在污水处理设施运行费用中所占的比例将越来越大。W.F.Owen以直接能耗和间接能耗的概念,阐述和比较了各种污水处理与污泥处理工艺。Karlsson提出潜在耗氧势的概念,不仅考虑有机碳和氨氮在污水处理过程的耗氧,还考虑氮磷排放导致藻类生长在环境中分解所需耗氧的二级需氧要求。这一概念考虑了污水工艺出水对生态造成的影响从而拓宽了能耗分析的概念,但是,这种方式不便作为污水厂的运行过程中能耗的衡量手段和能耗管理的依据。综合以上研究现状不难发现,在能耗分析研究中,没有明确的边界界定、统一的能耗审计和评估的指标,各种工艺间的横向比较难以进行。现有指标不能反映污水处理厂不同单元的能耗特点,不能有针对性的进行能耗评估,不便于作为能耗管理和节能潜力分析的依据。因此,有必要根据能耗管理的需要界定污水处理厂能耗分析的边界,并根据实际运行中污水处理厂各部分能耗的特点,建立统一的能耗指标评估污水厂的能耗水平。新的指标应能反映各部分的能耗水平,便于进行工艺间的横向比较、深入的能耗分析、节能潜力的识别以及能耗管理水平的提升。能耗统计在实际能耗中的应用以A2O,氧化沟和SBR三种我国采用的典型污水处理工艺为重点(根据建设部统计,这三种工艺在数量和处理能力方面都占到全国80%左右),在全国范围内选择了10座污水处理厂作为重点研究对象,进行了针对污水处理厂实际能耗情况的调查研究。调研以污水处理厂的能耗计量状况、实际能耗情况、水量水质信息为关注点,收集资料和数据,用能计量数据记录,每日的水量记录,进出水水质记录以及与能耗物耗相关的其他记录(污泥相关数据)等。根据相关资料,确定用能计量设备的结构和能耗的发生点,根据实际计量状况为基础,结合相应时间段内用能设备的运行时间,确定每一部分的能耗,将能耗分解到发生能好的每台设备和装置上。在此基础上,将全厂能耗按能耗特点分成三个单元来整合处理,即预处理单元、生化处理单元和污泥处理单元,并分析影响各单元能耗的因素和特征。并针对每一部分的能耗特点,设计能反映单元能耗水平的的评估指标。部分污水处理厂有深度处理、中水处理、除臭、污泥消化等设施和单元,但这些都不是典型污水处理厂的组成单元,所以在本文中不予分析。此外办公用电占到整个污水处理厂能耗的比例很小,所以本文没有单独分析这部分能耗。污水单元设计预处理单元的特点是为后续的处理提供预处理,在几种常见工艺当中没有显著区别,均有提升污水、去除水中杂质(各种栅渣、沙、油等)便于后续处理的稳定运行等功能。该单元具体的包括:格栅间,进水泵房,沉沙池、隔油池等相应子单元。预处理单元能耗利用率作为指标,不仅便于进行节能分析,还有利于进行节能管理和节能工作的开展。生化单元及相关单元的构成生化处理单元是污水处理厂的核心单元,生化处理单元能耗在全长能耗中的比例从50%~70%,是污水处理厂的主要能耗节点。生化处理单元的特点是通过对污水进行生化处理,也是污水处理厂的核心单元。以二级污水处理厂为例,生化处理单元根据不同工艺类型,子单元的构成上有所区别。主要由初沉池、生化反应池、二沉池等相关单元。虽然生化单元构成复杂,不同工艺还有不同的特点,但是都可以分成两部分,即曝气系统和其他机械系统。1.认识到节能潜力的指标曝气系统的作用是向有氧降解过程提供氧气。清华大学的朱五星等对污水处理厂的需氧量进行过理论研究,提出了包括有机物降解所需耗氧量与硝化需氧量,同时考虑到污水厂剩余污泥的排放,反硝化过程消耗的反硝化所需要的有机碳源的污水处理厂耗氧量。需氧量与水质指标以及运行方式有紧密的联系,因此,仅考虑水量影响的吨水单耗来衡量曝气系统的能耗是不适宜的。本文提出以国际水质协会(IWAQ)提出的污水处理Benchmark国际基准中的水质衡量指标体系为基准。但对能耗管理和节能潜力、途径分析来说还需要更进一步的指标去识别节能潜力。实际上,作为能耗重点单元,曝气系统也是近年来节能研究的重点。节能途径主要分三大类,第一类通过设备升级等方式提高氧在水中的利用率,如微孔曝气设备通过提高氧的传质效率起到节能的效果;第二类是通过模拟和优化运行的方式,精确控制风量(在机械曝气系统中表现为曝气设备的开启台数和运行频率的控制),达到降低曝气量进而起到节能的效果;第三类是通过变频等技术手段提高鼓风机、机械曝气机的运行效率,使得曝气设备一直能在较高效的状态下稳定运行,进而起到节能的效果。为了体现不同的节能途径达到的节能效果,有必要细化指标。作为曝气系统中的重要参数-风量就是合适的指标。第一类节能途径通过提高传质效率降低风量,第二类节能途径通过识别运行中的过量曝气状况降低风量,第三类通过提高供风效率降低设备能耗。所以前两种适合以去除单位污染物时的供风量来衡量,而第三种适合以提供单位风量所消耗的能耗为指标,而这两者的乘机就是曝气系统的总能耗指标。2.常开设备周期运行这个子系统是污水处理厂的各子系统中通常是设备台数最多的,大部分是污水处理厂中各个构筑物上的常开设备(在SBR等间歇运行的工艺中,表现为周期运行)。机械系统能耗的相对稳定,与大多数设备在污水处理厂运行期间常开或周期运行方式相关。所以机械系统能耗主要与污水处理厂的规模相关,故使用吨水单耗就可以很好的评估这部分能耗水平,也适合作为不同工艺间机械系统能耗比较的指标。能耗及能耗分析污泥处理系统包括污泥车间和相关处理过程,主要是对初沉池和二沉池所分离的污泥进行浓缩脱水等处理。具体的,包括污泥浓缩机、浓缩机进泥泵、浓缩机出泥泵、浓缩机加药泵、絮凝剂制备装置、脱水机、脱水机加药泵、冲洗水泵、脱水机进泥泵、消化池进泥泵、无轴螺旋输送机等设备。污泥处理系统的能耗与排泥量、含水率以及污泥的脱水性能密切相关,而且与絮凝剂的效果也有关系,所以用吨水单耗不能很好的评估这部分的能耗。而产泥率主要受污水水质情况、生化处理单元工艺运行的影响,故简单的用吨水单耗来衡量污泥处理单元能耗是不能反映污泥处理单元的能耗水平的。在国内,羊寿生对我国典型一级、二级污水处理厂各单元进行过能耗估算,给出了估算值,但是研究并没有揭示各部分的能耗的影响因素,没有根据各部分能耗的特点给出估算值(统一使用吨水单耗来表示)