污水处理厂能耗特征分析与能耗指标的建立 7页

城市污水处理与资源化技术污水处理厂能耗特征分析与能耗指标的建立①金昌权汪诚文(清华大学环境科学与工程系，北京100084)摘要：通过分析污水厂能耗特征，将污水处理厂能耗分成预处理、生化处理、污泥处理三个单元进行统计和分析，实现能耗分析单元化便于工艺间比较。并通过分析各单元能耗的影响因素和特点。设计出预处理单元的能耗利用效率、生化单元曝气系统的污染物去除比能耗、污泥处理单元的吨泥比能耗等能反映能耗水平的指标。新的指标便于进行能耗评估、比较和分析，为进一步的能耗管理和节能工作提供支持。关键词：污水处理节能能耗指标前言全国污水量巨大，而能耗涉及污水处理厂的运行成本，近年来备受关注。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¨J0．072kW·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。1国内外能耗分析研究现状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【3】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”J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¨1提出潜在耗氧势(OxygenConsumptionPotential，OCP)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。在国内，羊寿生[2】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)，没能揭示不同单元能耗的特点，不利于进行进一步的节能潜力和途径的分析研究，不便于作为能耗管理的依据。高旭，龙腾锐等人进行了污水处理工艺单元能量平衡分析研究【6】，提出用Exergy(能量中可以无损耗地转化为功的部分，即能流中的有用部分)的概念分析污水处理单元能效。但是这种方法不便对实际运行中的污水处理厂进行能耗分析和评价。①课题来源：“十一五”国家科技支撑计划重点项目(2006BACl9806)133\n第三届中国城镇水务发展国际研讨会论文集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。2方法以A20，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，包括污水处理厂的设计手册和相关资料(含设计图纸)，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，具体内容见表l。表1污水处理厂实际能耗特点调研内容项目内容概况污水处理厂的设计参数、设计手册和相关资料(含设计图纸)计量设备能耗计量设备的布置、能耗计量状况设备清单设备种类、台数、功率、配置的位置运行时间设备每天开启的时问记录水量每目的处理水量数据(部分有条件污水处理厂的水量的时变化数据)水质BOD、COD、SS、TN、NIO—N、TP等6项其他泥饼量、泥饼含水率、部分在线监测设备记录根据设计说明书、设计图纸以及相关资料，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，结合相应时问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。3预处理单元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。具体的包括：格栅间(粗格栅、中格栅、粗格栅后无轴螺旋输送机、压榨机等设备)，进水泵房(进水提升泵、细格栅、细格栅后无轴螺旋输送机等设备)，沉沙池(砂水分离器、压榨机、搅拌器、曝气沉沙池中用到的鼓风机等设备)、隔油池(部分污水处理厂有设置)等相应子单元。图1中分别表示了，三座污水处理厂1年时间内，每月预处理单元的吨水单耗数据。由图1可以看出，这三座污水处理厂的预处理单元的吨水单耗差别明显。如果仅以这种原有的指标表述，容易得出，B厂的能耗水平高，c厂的能耗水平最低的结论，并且很容易得出B厂的节能空间很大的错误结论。134\n城市污水处理与资挥化技木：．。。：；：i；；。3。1“””””6名矿”””“”25围1A．B．C=座污水r预处理单i月}均吨水单#囤得出这种错误绪沧的主要原因屉，使用了有一定“误导”性的吨水单耗作为预处理单元的能耗指标。而预处理单元95％以上的能耗，发生在提升泵房的污水提升过程中。而污承担升中，除了水量还有一个很重要的因素一提升高度(或者称为扬程)。正是因为提升高度的蚨失导致n屯水单耗指标的“误导”。根据以上分析，本文以能量利用效率的概念为出发点，以所消耗的能量为输入能，以实际提升所得到的机械势能为输出能，计算预处理单元的能培利用率，具体如式(I)。利用效率1=卫型毛：昱业(1)式中Q一日提升水量．单位：m1／d，h一提升高度(扬程)，单位m，W一日预处理单元的能耗，单位：kW·h，p，g以常数址理，水的密度p=lkg／m3，重力加速度g=98m／s2。以预处理单元的能耗利用车作为能耗衡母指标重新计算，得到图2。由圈2可以看出，这二座污水处理厂预处理单元的能耗利用率相近，在70％左右，并发有蹦1中的悬殊差别。其中以A厂为例，进行节能潜力分析。A厂全年的预处理单元能耗利用效宰为67％，而所配置的提升泵晟高效率为865％，提升泵占整个预处理单元能耗的96％。如果能通过优化控制，使得提升泵直保持最高教率的90％以上，则至少可以降低预处理单元能耗的10％；如果能·直保持最高教率的95％以上，则至少町以降低预处理单元能耗的14％，而这种优化提升泵的方式最多能达到预处理单元18％节能效果。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。9“8“#7“《6“6“5“i≥，：乏≥≥；4。^rlfl2月3月{月5月明7月8月9月10月11月12月月*田2A．B．C=座污水厂预处a单i月}均艟耗利用率囤兰．2旷●粤▲^．o旷▲o●●\n第三届中国城镇水务发展国际研讨会论文集4生化处理单元生化处理单元是污水处理厂的核心单元，由图3可以看出，生化处理单元能耗在全长能耗中的比例从50％一70％。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(在一级、强化一级处理中没有生物降解过程，但鉴于我国现阶段污水处理设施的特点以生化处理来命名，在一级、强化一级处理中进行注明即可)。零丑犍翟ABCDEF污水厂名图3A。B，C，D．E，F六厂生化单元能耗占全厂能耗比例图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(部分污水处理厂未设)、生化反应池(按工艺类型有几种类型，活性污泥法中的曝气池(还可以有缺氧池、厌氧池)、氧化沟、SBR池、生物滤池等)、二沉池(在部分工艺中没有单独设置，如SBR工艺)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。曝气系统，指鼓风机(活性污泥法工艺、SBR工艺等)或机械曝气(氧化沟等工艺)装置的能耗。其他机械系统，指生化单元中除曝气系统之外的部分，是为了污水处理的顺利进行的搅拌，污泥的分离，以及保证工艺稳定运行的回流系统，在有脱氮除磷功能的污水处理厂中还包括更为复杂的内回流系统。具体包括：初沉池污泥泵、刮泥机、回流污泥泵、刮吸泥机、搅拌器、内回流泵、剩余污泥泵。滗水器(SBR工艺)等。4．1曝气系统曝气系统的作用是向有氧降解过程提供氧气。清华大学，朱五星【71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。污水处理厂的实际需氧量可以表示为：总需氧量=炭化需氧量+硝化需氧量一污泥排放氧当量一反硝化氧当量(2)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。国内有以单位BOD、COD的去除量作为能耗衡量指标的，但是这种指标受到水质构成的局限，不适宜在全国范围内进行比较。为此，本文提出以国际水质协会(IWAQ)提出的污水处理Benchmark国际基准¨1中的水质衡量指标体系为基准。表2Benchmark国际基准水质衡量指标I水质指标分项CODBOD5SSTKNTNTPI权重系数(1wAQ推荐值)l220●136此体系通过权重系数，将不同的水质指标整合在一起，优点是可以更全面的描述水质差异，便于在姗磷雠蓍|僦姗獬燃假\n城市污木处理与酱潭化杖术不同水质的污水处理厂之间进行比较。但对能耗管理和节能潜力、途径分析米说还需要更进一步的指标去识别节能潜力。实际E，作为能耗重点单元，曜气系统也是近年来节能研究的蠹点。节能途径上要分三大类，第一类通过设备升缎等方式提高氧在水中的利用率，如微孔曝气酷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，精确控制风址(在机械曝气系统中表现为曝气设备的升启台数和运行频率的控制)，达到降低曝气量进而起到竹能的效果；第__二娄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‘直能在较高教的状态下稳定运行，进而起到节能的效果。为r体现不同的节能途径选到的节能效果，有必要细化指标。作为曝气系统中的重要参数一风齄就是合适的指标。第一类节能选径通过提高传质效率降低风量，第一类节能途径通过识别运行中的过量曝气状况降低风量，第=类通过提高供风效率降低设备能耗。所“前两种适合以去除单位行染物时的供风晕米衡量，而第一种适合以提供单忙Bl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。4．2机械系统这个子系统是}j水处理J的备子系统中通常是设备台数最多的，人部分是污水处理厂中辑个构筑物上的常开设备(在SBR等问歇运}T的工艺中，表现为周期运{r)。时4、图5分别是两种小同类型T艺(一种间歇运行，一种连续运行)污水处理J一的机械部分能耗，可以看出，这部分能耗在可戢和连续两种运行方式F都足丰H对稳定的。匪4间戢《行I艺连续2十月机械系统能耗围围5《壤t行I艺连续2十月《行机械※统靛耗围机械系统能耗的相对稳定，‘0大多数设备枉污水处理J运行期卅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荚，故使用吨水单耗就可以很好的评估这部分能耗水’r，也适合作为不同I．艺删机械系统能耗比较的指标。谢盘中还发现，这部分能耗更多的与设计相关。5污泥处理系统污泥处理系统包括污提车同和相盖处理过程，生要是对韧沉池(部分污水处理厂没有单独设置)和二况池(徉没有单独设置一沉池的工艺中会有其他构筑物起到泥水分离的效果，如SBR工艺中的牛化反应池在沉淀期起到泥水分离的效果)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、浓缩机进泥泵维缩机出泥泵、浓缩机加药泵、絮凝刹制备装置、脱水机(带式、离心等娄型)、脱水机加药泵、冲洗水泵、脱水机进泥泵、消化池进混泵、无轴螺旋输送机等设备。污泥处理系统的能耗与排泥琏、告水率以厦污泥的脱水性能密切相关，而且一J絮凝剂的效果也有关系，所以用吨水译耗不能很好的评怙这部分的能耗。由幽6町以看出，不仅不I目污水处理J之间吨水产泥率明显差别，A、B、C．厂年平均产泥率为0∞‰、I21‰、064％。。而且单J的吨水产泥率的变化也是明显的，三J的蛀高最低产泥率的比值分别为24、19、28。而产泥率L要受污水农质情况、【37踟枷瑚m劬\n第二届中国城镇水务发展国际研讨舍论文集牛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星不能反映污泥处理单元的能耗水_JF的。1月2／13月4月5B6月7月tl／19月10／111月12／1月*目6A．B．c!座i永r吨水产*宰变化目率文建议使用吨泥单耗，以产生的泥饼量为单位物质来计箅比能耗，评估污泥处理单兀的能耗。为了满足不同荇水处理厂之间的比较，引^污泥毋作为中间参数，用两个量米表现盯泥处系统的能耗情况。吨水产泥量，表征的是址理单位污水时产生的污泥量，反映的足工艺运行的状态，在稳定运行的污木处理厂中吨水产泥量桶埘稳定。单位污泥的能耗，表征的时产生单位泥饼时的能耗，反映的足污混处理系统的运行能耗情况。6结束语合理科学的能耗指标不仅可以正确反映各单兀能耗水平，还能作为能耗分析、宵能潜力j}析的依据，，}促进能耗管理1．作的展开。本文通过典型污水处理厂的调查分析研究，试图建立统的能反映真实能耗水平的能耗指标体系，为下一步的能耗管理和节能工作的开展提供借鉴。将污水处理厂分成顼处理、牛化处理和村泥处理i个单元进行能耗分析．能更好的分析各部分能耗特点．还可以进行跨工艺的能耗比较。而且，没H出的预处理单元的能耗利用救率、牛化单兀曝气系统的污染物去陈比能耗、亍亏泥处理单元的吨泥比能耗等指标町以更好的反映单)L能耗水平．为有引对性地推进污水处理厂能耗管理和节能上作提供依据。统的指标体系，不但使得能耗分析可以在不同工艺的污水处理厂之间进行，还能促进能耗管理工作的借鉴和推广，全面提升能耗管理水平。StudyOilenergyconsumptionanalysisandindicatorsforwastewatertreatmentplantsJinCh曲gquanWangChengwenDepartmentofenvironmentalscienceandengineering，TsinghuaUnivenity，Baljing100084Abstract：研analysis，thewholeenergyconsumptionofwmisdividedIothreepartswhichcontainDmIr∞t⋯t．biochemical[[eatmcnlandsludgelrealmPntlrsavailabletocompareencrgyconsumptionamong138i●LLmn\n城市污水处理与资源化技术differentWWTPswiththismethod．Byinfluencingfactorsanalysis，indicatorforeachpartisfounded．Thereareenergyefficiencyforpretreatment，energyconsumptionperpollutantl℃mova]foraerationsystemwhichbelongstobiochemicaltreatmentandenergyconsumptionpersludgeforsludgetreatment．Theseindicatorsalemoreefficientinmeasureofenergyconsumption，andwiththeseindicatorsit'savailabletofindfeasibleenergysavingapproa-ches．Keywords：Wastewatertreatment，energysaving，energyconsumptionindicator参考文献[1]郑兴灿等．城市污水处理技术决策与典型案例[M]．北京：中国建筑工业出版社．2007．3—6[2]羊寿生．城市污水厂的能源消耗[J]．给水排水，1984，(6)：15．19[3]GeorgeM．Wesner，CordonLCulp，EnergyconservationinmunicipalwastewatertreatmentMCD一32EPA430／9—77—011[4]w．F．Owen著，章北平、车武译，。污水处理能耗与能效[M]．北京：能源出版社，1989．[5]IngemarKarlsson，Environmentandenergyefficiencyofdifferentsewagetreatmentprocess[J]．wat．Sci．Tech．，1996，34(2-4)：202～21l[6]龙腾锐，高旭．污水生物处理单元能量平衡与分析方法研究与应用[J]．环境科学学报，2002，22(5)：683—688’[7]朱五星．城市污水处理厂物料能量分配及其优化策略研究[D]．北京：清华大学，2004[8]CoppJ．B．，SpanjersH．，VanrolhghemP．九．Respiremetryincontroloftheactivatedsludgeprocess：Benehmarkingcontrolstrategies．IWATaskGrouponRespirometryinControloftheActivatedSludgeProce鹪．U．K，IWApublishing，2002139