污水处理厂能耗分布与节能机会分析 4页

器管理论坛ManagementFOrum污水处理厂能耗分布与节能机会分析王崇(上海大众环境产业有限公司，上海201103)摘要：调研了国内外污水处理厂的能耗水平和各处理单元的能耗分布情况，与先进国家相比，我国污水处理的能耗仍偏高．存在节能的空间。在分析污水厂能耗分布的基础上，认为污水厂的节能机会主要存在于曝气、泵、污泥等方面，但节能是一项持续改进的系统工程．数字化的运营管理和设计阶段的优化也是重要机会。关键词：污水处理厂；节能；分析中图分类号：X505文献标志码：B文章编号：1009—7767(2013)03—0148—04AnalysisofEnergyConsumptionDistributionandopportunityofSaVingEnergyofSewageTreatmentPlant水和能源是现代社会的两大基础资源，污水处理是实现水资源循环利用的重要手段。但城市污水处理是高能耗的行业，其耗能主要包括电能、药耗和燃料等多个方面，其中电耗约占总能耗的60％～90％【㈦。据统计，2011年中国城镇污水处理厂用电量约为100亿kWh。约占全国社会总用电量的0．2％。电费是污水处理厂运行成本的主要组成部分，随着我国污水处理行业的市场化发展，减少能耗，降低成本已成为提升企业运营管理水平和提高利润的关键措施。在能源日益短缺、全球气候变化日趋明显、国内污水处理行业标准逐步提高和竞争日益激烈的背景下．研究污水处理节能机会具有显著的社会与经济意义。1污水处理厂能耗水平采用的技术不同．城市污水处理能耗的差别也很大，而技术的选用主要受污染控制要求和土地资源约束两方面限制。具有硝化作用的深度处理能耗是简单过滤处理技术的2倍，稳定塘类技术能耗较低但需要占用较多的土地。在美国，大型污水处理厂(约38万m3／d)的电耗水平一般为：一级过滤处理O．177kWh／m3，活性污泥法约0．272kWh／m3，深度处理约0．314kWh／m3，具有硝化作用的深度处理约0．412kWh／m3f31。造成能耗上升的主要原因是曝气及污泥回流。据美国电力研究协会(EPRI)统计，不同工艺、不用规模的美国污水处理厂的平均电耗见表1。148席荭投木2013No．3(MQy)VoJ．31表1美国不同规模污水处理厂的电耗水平嘲目前．我国国内污泥处理工艺和配套设施较为完善的污水厂比例仅为1／10左右，大部分污水厂污泥未能得到有效处理。据文献报导的我国部分污水处理厂的电耗见表2。与表1相比可知，在不考虑污泥消化的情况下，我国污水厂的电耗与美国相比仍偏高，这表明还存在节能降耗的空间。2污水处理厂能耗分布污水厂电能主要消耗在污水污泥的提升、生物处理的供氧和推动混合、污泥的处理处置、附属建筑用电和厂区照明灯方面。不同国家和地区，不同规模污水处理厂典型处理单元的能耗分布见表3。从表3中可以看出，2级及深度处理是污水厂能量消耗的最主要的部分，其中鼓风曝气能耗最大，一般占到整个污水厂能量消耗的50％\n左右【4l。因此，鼓风曝气是需要重点关注的节能环节之一。泵提升过程也是污水厂能量消耗的重要环节．其能耗占全厂的15％左右。污泥处理环节的节能也不容忽视。美国和日本污水管理论坛器ManagementF0rum处理厂的污泥处理环节能耗占20％～30％左右，而目前我国的污水处理厂仅为3％～5％．这在一定程度上反映了国内污泥处理工艺和设备的不完善。随着相关技术法规的健全和监管的加强，污泥处理将逐步完善。表2我国不同规模污水处理厂电耗水平处理单元有硝化的污水厂【8】活性污泥厂【q日本(5万m3，d)嘲我国(60万m3，d)悯我国(2．5万m3，d)f．13污水厂节能机会分析污水处理厂的运行管理没有“万全之策”。高的出水质量通常需要较高的能量消耗，因此，出水质量与能耗的平衡就成为污水厂节能降耗的终极目标。污水厂节能降耗工作不是一个一次性的能源利用改进项目，而是一个不断改进和发展的过程，需由包含不同职能人员的团队维持。这个团队包括了行政、工程、维护、运行、财务和管理等人员，如果是小规模的污水厂，聘请专家进行阶段性的评估更具有操作的可行性。一般进行能源管理、节能降耗的主要步骤包括：①确定能源利用基线；②找出能源消耗的关键环节；③选择最优节能方法；④量化分析节能投入与效益：⑤制定实施计划，确定优先实施的环节；⑥跟踪监测、管理、评价。基于以上分析，笔者认为，我国国内污水厂节能的主要机会存在于曝气和泵方面，此外还有污泥处理、运行操作管理及设计优化等。3．1节能曝气一般活性污泥处理中，主要采用表面曝气或者水下的空气扩散器持续不断地向好氧池鼓风供氧以维持活性微生物的数量并保持必要的混合的方式。但在实际操作中，由于设备容量过大、操作效率低以及缺乏控制，供氧通常会超过混合作用及微生物活性维持的需要，而这种过量的空气则意味着能量的浪费。曝气环节的操作主要包括风机、空气扩散、控制及2013卑第3棚(5一)第31拳啼荭投木149\n器管理论坛ManagementForum动力等4个方面。对鼓风曝气系统的节能降耗措施应围绕鼓风机和曝气装置(空气扩散装置)2方面来进行。曝气装置的选择主要应考虑氧的利用率与动力效率、不易堵塞且维护维修方便．同时还应考虑技术的经济性，使造价相对较低【10】。在曝气装置的空间布置上，应着重考虑微生物的生长代谢、污染物的降解和氧气消耗规律等，且在水流方向上遵循渐减曝气的原则。风机的选择及运行控制是比较困难的。风机容量的选择必须经过详细的计算，最好在设计手册参数的基础上充分考虑以往实际的运行经验进行系统分析，以寻找最佳的运行条件。在污水处理过程中．如是需经常调节风量的鼓风机，应选择合适的调节方式，以降低能耗。近年来，变频技术不断发展，应用变频器改变交流电机的转速方式来进行风机流量的控制。可以大幅度减少以往机械方式调控流量造成的能量损耗。实际运行中，通过溶氧D0控制曝气系统是一种很好的手段，一般将DO控制在2～3m∥I』4l即可。3．2泵效率在国内，造成水泵能量浪费的主要原因有：①设计能力与实际水量有偏差，实际水量偏小；②水量的周期性波动；③电机效率低；④运行控制不良造成水泵频繁启闭：⑤泵与管道、高程不匹配造成的效率低下等。与风机的优化控制类似．变频是实现泵节能的重要技术。可通过变频控制器，根据水量的变化及时调节流量。选用高效率的电机也是实现泵节能的重要手段．而高效电机的投资回收期一般在半年至5年之间⋯1。在集水池的设计上，如果场地允许，应设置较大容积的集水池缓冲，以减少水量波动带来的影响。水泵节能的关键是提高水泵的运行效率．这不仅仅需要在泵设备本身上下功夫，还与实际的管路和高程布置息息相关。在实际中应及时总结经验，进行系统分析，逐步寻找最佳的运行条件．综合多种手段以达到效率最大化。3．3污泥处理与能量回收污泥不应被视为污染物，而应视其为资源。污泥的大部分成分为挥发性有机物．在日本，60％污泥可以经由厌氧消化削减，每吨挥发性有机质可产生约680m3的沼气，利用磷酸型燃料电池可获得污水厂约50％的能源【21。污泥进行厌氧消化、资源化利用的另外一个好处是可以减少碳排放。目前．我国污泥处理工艺和设施还很不完善。在150啼荭鼓_术2013No．3(May)voI．31发达国家。厌氧消化已被证明是污泥处理的有效手段，技术也较成熟。国内在推进污泥处理的进程中，应着眼长远。站在能源的角度看待污泥问题。3．4数字化运营管理污水厂的节能管理存在于日常运营管理的方方面面。数字化的运营管理技术通过模拟预测，优化运营条件，能较好地实现达标排放与节能降耗的平衡。污水厂数字化运营管理的核心是基于控制理论的污水厂运行模拟技术．主要包括基于数学模型的传统控制理论和现代智能控制方法。现代的智能控制是人工智能、控制论、系统论和信息论等多种学科的高度综合与集成。主要包含模糊控制、神经网络控制、学习控制和专家控制等。近年来，传感器和自动控制设备的发展为污水厂的数字化运营提供了良好的硬件条件。由北京清华城市规划设计研究院、清华规划院环境技术研究所开发的数字排水平台、EICA污水厂智能控制系统¨2】，已经在北京、安徽及云南等地污水厂的节能降耗中取得了较为成功的应用实践。广东省环境科学研究院113】采用加拿大EnviroSim公司开发的BioWin模拟软件平台，利用一个结构化的方法开发实际污水处理厂的模型。尝试为污水处理厂寻找最适合的建设、改造和运营方案。利用该模型对佛山高明区第一污水厂(微曝氧化沟工艺)进行模拟，通过降低好氧曝气区的DO质量浓度(从1．0降低为0．9)，同时适当关闭了一部分曝气区域。大大减少了系统的鼓风量，实现了节能降耗的目的。3．5设计阶段优化设计阶段是控制污水厂能耗水平的前置关键阶段。规模的确定、工艺的选择及设备的选型必须在设计阶段做好充分的调查、计算和研究。我国各地的地理和管理水平差异巨大，因此设计中必须因地制宜，清晰定位，综合考虑技术、资金和运行，进而确定系统的临界需求。优化资金与运行操作。降低运行阶段的能耗。4结语通过分析国内外污水厂能耗水平和能耗分布，可以看出我国国内污水厂的运行能耗偏高．存在进一步改进的空间。从能耗分布来看．曝气和提升泵是能量消耗的关键环节，应该成为节能降耗关注的重点。污水厂的节能降耗是一项系统的和需持续改进的工作。在运营管理中，应充分调研污水厂的能耗水平．制定切实可行的目标，并在对以往运行记录统计\n分析的基础上，找出节能的切人点和关键点。选择最优的实践方法，在实际工作中持续改进。。⋯，参考文献：[1]朱五星，舒锦琼，城市污水处理厂能量优化策略研究[J】．给水排水，2005，31(12)：31—33．【2】MizutaK，ShimadaM．BenchmarkingenergyconsumptioninmunicipalwastewatertreatmentplantsinJapan(J]．waterSci—enceand7Ikchnology，2010，62(10)：2256—2262．【3]ElectricPowerResearchIns“tute．waterandsustainability：U．S。Electricityconsumptionforwatersupply&n．eatment—thenexthalfcentury【R]．PaloAho，CA：ElectricPowerResearchInsti．tute．2002．[4]黄浩华，张杰，文湘华，等．城市污水处理厂A2／0工艺的节能降耗途径研究【J】．环境工程学报，2009，3(1)：35—38．【5]沈晓铃，薛敏，李大成，等．无锡惠山污水厂的优化运行与节能降耗【J]．中国给水排水，2011，27(22)：45—47．【6】姚远，张丹丹，楚英豪．城市污水处理厂中的能耗及能源综合利用【J】．资源开发与市场，2叭0，26(3)：202—205．管理论坛器Mana9ementFOrum【7]常江，杨岸明，甘一萍，等．城市污水处理厂能耗分析及节能途径[J]．中国给水排水，20ll，27(4)：33—36．【8]CaoYS．Massnowandene理；ye侬ciencyofmunicipalwastewa—tertreatmentplants【M】．London，UK：IWAPublishing，2011：45—47．【9】ScienceApplicationIntemationalCorpomtion(SAIC)．Waterandwastewaterene研beslpracⅡce删debook[研Wisconsin，US：SAIC，2006：8—9．【10】谷成国，宋剑锋．城市污水处理厂鼓风曝气阶段的节能降耗研究【J]．环境保护科学，2008，34(5)：26—28，45．【11]徐晓宇，李春光．污水处理厂运行的节能降耗技术进展【J】．给水排水，2009，35(12)：47—50．【12]赵冬泉，佟庆远，王浩昌，等．城市污水处理智能控制技术介绍【J】．水工业市场，20lO(5)：12一16．[13】小希．更高效、更节能——“污水模型模拟技术”提升污水处理厂管理水平叨．环境，2012(7)：22—24．收稿日期：2013—0l—09作者简介：王祟，男，工程师，博士，主要从事污水厂投资、建设与运营管理工作。(上接第133页)[7】史佩哲，郜文英，马月辉，等．虚拟仪器在水力学实验中的应用【J]．实验技术与试验机，2006，23(1)：68—70．[8]中国市政工程西南设计研究院．给水排水设计手册：第1册【M】．北京：中国建筑工业出版社，2000：922—924．[9】北京市市政工程设计研究总院．给水排水设计手册：第5册[M】．北京：中国建筑工业出版社，2004：564．565。【Jo】李宝霞，吴日鹏．球墨铸铁管水力计算公式的修正[J】．中国建材科技，2007(5)：54—56．【11]吕文舫．曼宁公式应用在急变流的探讨【J】．给水排水，1994(4)：12一14．收稿日期：2012一12—24作者简介：朱之敏。女。在读硕士研究生，研究方向水污染控制。北京轨道交通总长达到442l【IIl将跃居全国首位从2007年至今，北京轨道交通里程从114km增长到4J42km。平均每年开通约60km新地铁。北京市基础设施投资有限公司前期规划部经理王燕凯评价：“这一速度，创造了举世罕见的奇迹。”16条轨道交通线形成网络2012年12月，4条轨道新线投入试运营，北京市轨道线网总里程增加70km。根据京投公司统计，2012年年底，北京市累计运营地铁线路达16条，运营里程为442km，车站265座。其中，换乘车站达到36座。将这一连串的数字反映在地图上，2号线和10号线一期及二期，仿佛地下的二、三环路，13号线在城市北部与2号线接力画出了另一个环路；贯穿城市东西的大动脉除了八通线和1号线外，加入了地铁6号线；5号线、4号线一东一西。贯通城南城北；8号线和9号线一南一北，将客流快速引人中心城区；昌平线、15号线、大兴线、房山线和亦庄线架起新城与市区的桥梁；机场线将首都机场客流分批引入城区线网⋯⋯“环线+棋盘+放射线”的轨道线网格局逐渐清晰。四环内步行750m就能找到地铁站与最近3年投入试运营的轨道交通相比，2012年12月将开通的新线扎堆儿中心城区，84％的线路位于四环路以内。至此，北京市轨道交通四环以内的线网密度从0．44kⅡl／l【m2提高到0．65knl／l【m2。这意味着，市民步行大约750m左右就可以找到一座地铁站。北京市机场、大型铁路客运站年底均实现地铁引入。其中北京北站附近汇聚了地铁4号线、2号线和13号线：地铁2号线依傍北京站；地铁9号线穿过北京西站：地铁4号线的车站就在北京南站里。每日lO∞万人次搭地铁出行交通部门透露，新线开通以后本市路网最高日客运量将达到1000万人次以上，北京市公共交通出行比例将提升到44％以上。其中，四成公共交通出行人群首选轨道交通。2013年第3期(5一)第31誊啼荭故木151