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污水處理廠(chǎng)建設(shè)趨于完善 節(jié)能降耗需求將逐步釋放

分類(lèi):行業(yè)熱點(diǎn) > 污水處理    發(fā)布時(shí)間:2017年6月20日 15:19    作者:來(lái)源:水處理技術(shù) 郭昉等    文章來(lái)源:環(huán)保在線(xiàn)

  現(xiàn)如今,我國(guó)城鎮(zhèn)污水處理需求越來(lái)越大,技術(shù)要求也越來(lái)越高,節(jié)能降耗將成為未來(lái)污水處理工藝發(fā)展趨勢(shì)。隨著我國(guó)污水處理廠(chǎng)建設(shè)的完善,精細(xì)化管理和全程優(yōu)化理念值得深入實(shí)踐。
 
  我國(guó)城鎮(zhèn)污水處理發(fā)展現(xiàn)狀
 
  污水處理是保障人類(lèi)社會(huì)衛(wèi)生安全的重要措施?,F(xiàn)今污水處理主要采用活性污泥法為主的工藝,能有效去除有機(jī)物、氮磷等污染物和致病菌等。
 
  我國(guó)污水處理廠(chǎng)從2006年起數(shù)量直線(xiàn)增加,而2010年后增長(zhǎng)速度有所降低。截至2014年底,全國(guó)設(shè)市城市、縣累計(jì)建成污水處理廠(chǎng)3717座,污水處理能力1.57×108 m3/d,我國(guó)城鎮(zhèn)污水處理廠(chǎng)建設(shè)已覆蓋大部分生活范圍,未來(lái)污水處理廠(chǎng)建設(shè)數(shù)量將會(huì)放緩,但污水處理量在一定時(shí)期內(nèi)仍會(huì)有所增加。
 
  按照楊凌波等統(tǒng)計(jì)的我國(guó)污水處理平均能耗為0.29 kWh/m3,根據(jù)國(guó)家能源局發(fā)布的2014年全社會(huì)用電總量為55233億kWh,得到污水處理占全社會(huì)用電量的比例約為0.3%。
 
  污水處理廠(chǎng)能耗主要包括直接能耗和間接能耗,其中直接能耗為用于曝氣鼓風(fēng)機(jī)、提升泵、回流泵等運(yùn)行所需要的電能,間接能耗包括化學(xué)除磷以及污泥脫水等投加的化學(xué)藥品等。一般而言,在二級(jí)處理工藝電耗中,污水提升占10%——20%,生物處理占50%——70%,污泥處理處置占10%——25%,此三部分所占比例在70%以上?,F(xiàn)今我國(guó)污水處理隨著排放標(biāo)準(zhǔn)的提高,很多污水處理廠(chǎng)開(kāi)始采用深度處理工藝,包括反硝化濾池、砂濾和紫外消毒等工藝。以包括混凝過(guò)濾和紫外消毒深度處理工藝的昆明某污水處理廠(chǎng)運(yùn)行能耗為例,其前處理、二級(jí)處理、深度處理和污泥處理能耗所占比例分別為8.2%、65.7%、20.7%和5.4%,其中污水提升泵所占比例為8.0%,二級(jí)處理工藝回流泵所占比例為4.7%,曝氣能耗所占比例為56.2%。因此,污水處理廠(chǎng)節(jié)能降耗關(guān)鍵點(diǎn)在提升泵和鼓風(fēng)曝氣兩個(gè)方面。
 
  2污水處理節(jié)能降耗發(fā)展現(xiàn)狀
 
  根據(jù)以上分析,現(xiàn)有節(jié)能降耗的可能包括對(duì)現(xiàn)有工藝或者設(shè)備運(yùn)行進(jìn)行完善,降低運(yùn)行能耗。此外,節(jié)能降耗也可以從污水處理工藝優(yōu)化和其所含能源進(jìn)行回收,由此降低污水處理廠(chǎng)運(yùn)行能耗。
 
  2.1污水提升泵節(jié)能降耗研究及其應(yīng)用
 
  污水處理廠(chǎng)進(jìn)水均處于管網(wǎng)系統(tǒng)末端,其高程相對(duì)較低,所以需要用提升泵將污水提升至處理系統(tǒng)中,此過(guò)程耗能較多,是節(jié)能降耗的重要節(jié)點(diǎn)之一。目前我國(guó)污水處理廠(chǎng)泵能耗較高的原因包括電機(jī)效率低、設(shè)計(jì)能力與運(yùn)行能力不符、水量波動(dòng)大和運(yùn)行控制管理能力低等。污水提升角度的節(jié)能降耗需要從污水提升系統(tǒng)進(jìn)行全面的分析。
 
  首先,在污水處理工藝設(shè)計(jì)階段,需要全面調(diào)研現(xiàn)有管網(wǎng)系統(tǒng)和污水處理全流程設(shè)施,盡可能降低需要提升的污水隨處理設(shè)施的高程差,并考慮采用淹沒(méi)流模式。
 
  其次,需要根據(jù)污水提升量及其變化特征,選擇合適的泵及其組合方式。根據(jù)管道系統(tǒng)尤其是污水流量的變化特性曲線(xiàn)選擇合適的泵,滿(mǎn)足泵運(yùn)行的高效運(yùn)行效率區(qū)間并在高水位條件下運(yùn)行。根據(jù)污水處理量、揚(yáng)程、水頭損失和泵功率等,選擇合適高效的泵組合,包括設(shè)置帶變頻調(diào)速器等的變頻泵與固定功率泵之間的配比與調(diào)控,降低水泵運(yùn)行軸功率,同時(shí)避免泵的頻繁開(kāi)啟而降低其使用壽命。
 
  再者,注重泵和電機(jī)之間的匹配度,強(qiáng)化電機(jī)的高效運(yùn)行。另外,注重管道設(shè)計(jì),保障系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊與運(yùn)行流暢,減少?gòu)澒芎凸艿篱L(zhǎng)度,降低管道輸運(yùn)系統(tǒng)的阻力和能耗。最后,需要注重工藝運(yùn)行管理與設(shè)備維護(hù),降低運(yùn)行系統(tǒng)的滴漏、結(jié)垢與機(jī)械磨損等,保障設(shè)備和系統(tǒng)在高效條件下運(yùn)轉(zhuǎn)。
 
  我國(guó)各污水處理廠(chǎng)設(shè)計(jì)和運(yùn)行中,對(duì)提升泵的改進(jìn)主要是采用變頻控制技術(shù)。許光濘等采用部分變頻泵作為調(diào)速泵的控制,可以使水泵平均轉(zhuǎn)速比工頻轉(zhuǎn)速降低20%以上,綜合節(jié)能效率可達(dá)20%——40%,對(duì)中小型污水處理廠(chǎng),一年左右就可收回投資成本。
 
  沈曉鈴等采用超聲波液位計(jì)監(jiān)測(cè)進(jìn)水水位并結(jié)合出水管流量計(jì)反饋控制潛水泵變頻運(yùn)行,實(shí)現(xiàn)節(jié)能10%左右。原建光等采用變頻調(diào)速技術(shù),以調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速方法代替調(diào)節(jié)閥門(mén)或擋板,降低水位大幅變化和實(shí)現(xiàn)高水位運(yùn)行,節(jié)電率為15%。
 
  謝添等研究對(duì)提升泵房,采用3臺(tái)潛水泵,其中一臺(tái)為變頻泵,并設(shè)置1臺(tái)超聲波液位計(jì)控制實(shí)際水位,得到變頻控制節(jié)能效率為39%——56%。對(duì)于變頻器的選擇與否,劉禮祥等認(rèn)為當(dāng)處理水量變化較大且后續(xù)處理抗沖擊負(fù)荷能力較弱時(shí),需要設(shè)置變頻泵,反之則不一定設(shè)置變頻器,因?yàn)樽冾l器本身耗能比例為3%——5%。
 
  郭思遠(yuǎn)等采用基于泵站編組輪換算法和動(dòng)態(tài)液位控制算法的進(jìn)水提升泵智能控制方法,實(shí)現(xiàn)泵站運(yùn)行節(jié)能9.6%,全廠(chǎng)節(jié)能2.5%左右。此外,李鵬峰等研究得到通過(guò)利用前端管網(wǎng)的蓄水能力減少水泵運(yùn)行臺(tái)數(shù),達(dá)到節(jié)能效率20%。
 
  2.2污水生物處理曝氣節(jié)能降耗技術(shù)及其應(yīng)用
 
  污水中污染物去除主要通過(guò)微生物生化代謝過(guò)程實(shí)現(xiàn)。我國(guó)污水處理生化工藝主要包括A2O工藝、氧化溝工藝和SBR工藝。微生物去除污染物的生化代謝過(guò)程需要存在電子受體,此過(guò)程主要通過(guò)曝氣供氧提供。因此,有效曝氣是實(shí)現(xiàn)污染物去除和污水有效處理的重要保障手段。此外,在污染物去除的過(guò)程中如A2O反硝化脫氮需要混合液回流提供硝態(tài)氮作為電子受體,而在化學(xué)除磷過(guò)程中需要投加化學(xué)藥劑強(qiáng)化化學(xué)沉淀等也會(huì)產(chǎn)生一定的能耗。曝氣控制是污水生物處理過(guò)程中節(jié)能降耗的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn),途徑包括曝氣裝置、曝氣管布置、曝氣供給模式等方式的優(yōu)化。
 
  曝氣風(fēng)機(jī)主要包括羅茨風(fēng)機(jī)和TURPO風(fēng)機(jī),前者主要通過(guò)變頻控制風(fēng)量一般為中小型污水處理廠(chǎng)所采用,而后者主要通過(guò)風(fēng)機(jī)導(dǎo)葉開(kāi)度和開(kāi)啟臺(tái)數(shù)進(jìn)行曝氣控制。對(duì)于曝氣方式,現(xiàn)今A2O和SBR工藝一般采用微孔曝氣,而氧化溝一般采用轉(zhuǎn)刷曝氣或倒傘式曝氣等。微孔曝氣主要通過(guò)產(chǎn)生直徑為1.5——3.0 mm的微氣泡強(qiáng)化傳氧效率,降低曝氣能耗。由于微孔曝氣能夠強(qiáng)化傳氧效率,所以現(xiàn)今很多氧化溝工藝的升級(jí)改造也開(kāi)始采用底部微孔曝氣。
 

 
  魏建文等對(duì)氧化溝工藝進(jìn)行改造,由豎軸表面曝氣改造為可變微孔曝氣器和潛水推流器推流相結(jié)合的系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)單位污水處理能耗降低23%——45%。曝氣方式一般包括單邊曝氣和全面曝氣。以往認(rèn)為單邊曝氣能夠減小風(fēng)量,但實(shí)踐證明全面曝氣能夠?qū)崿F(xiàn)均勻小漩渦,形成局部混合,強(qiáng)化小氣泡的傳遞,具有更好地傳氧效率。魏全源和李辰認(rèn)為當(dāng)均采用微孔全面曝氣時(shí),采用微孔盤(pán)式曝氣頭比穿孔管節(jié)能20%以上。
 
  除曝氣裝置與曝氣方式外,曝氣量的供給方式是節(jié)能降耗的關(guān)鍵研究對(duì)象。曝氣量過(guò)小,將影響污水處理出水水質(zhì);曝氣量過(guò)大,則造成能量浪費(fèi)和影響活性污泥絮體結(jié)構(gòu)和沉降性。曝氣節(jié)能核心是在保證生化處理過(guò)程有效去除污染物、保障出水水質(zhì)的前提下,按需提供所需電子受體溶解氧,達(dá)到所需與供給之間的平衡,避免曝氣能耗的浪費(fèi)。
 
  從降低能耗角度來(lái)看,主要包括控制好氧區(qū)恒定溶解氧防止過(guò)度曝氣、按污水處理流程需氧量逐漸降低設(shè)置梯度降低曝氣量(如35%、30%和25%)、根據(jù)出水氨氮濃度設(shè)置曝氣量等。傳統(tǒng)活性污泥生化處理工藝中曝氣主要是去除COD和進(jìn)行硝化反應(yīng),所以供氧量的計(jì)算也主要是考慮此兩個(gè)生化過(guò)程。黃浩華等研究得到可以通過(guò)控制好氧區(qū)DO質(zhì)量濃度在2——3 mg/L避免過(guò)度曝氣,或者通過(guò)工藝調(diào)節(jié)減少好氧區(qū)長(zhǎng)度而降低能耗17.1%,后者同時(shí)能夠提高TN去除效率。
 
  劉禮祥等通過(guò)精確曝氣控制生化段,采用DO信號(hào)接入控制柜并由編程轉(zhuǎn)化為風(fēng)壓值,進(jìn)而采用風(fēng)壓控制曝氣量,實(shí)現(xiàn)節(jié)能27.95%;此外,對(duì)于氧化溝工藝采用轉(zhuǎn)刷時(shí)序控制也能降低處理單位能耗。張榮兵等采用優(yōu)化曝氣流量控制系統(tǒng)于A(yíng)2O工藝,有效控制好氧區(qū)DO質(zhì)量濃度,其噸水處理能耗由改造前的0.149 3 kWh降低到改造后的0.132 6 kWh,節(jié)能11.2%,而且出水水質(zhì)能夠很好地達(dá)到一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)。李建勇等采用曝氣流量控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)DO的控制,采用控制技術(shù)后處理能耗由0.38 kWh/m3降低到0.25 kWh/m3。謝繼榮等針對(duì)常規(guī)曝氣控制系統(tǒng)存在進(jìn)水波動(dòng)條件下DO濃度波動(dòng)范圍也較大的特征,提出了基于溶解氧和需氣量串級(jí)控制的曝氣優(yōu)化控制方法,能夠進(jìn)一步降低工藝運(yùn)行能耗8.8%。
 
  針對(duì)現(xiàn)有DO控制系統(tǒng)對(duì)低DO控制效果較差的特點(diǎn),楊新宇等開(kāi)發(fā)出新型DO控制系統(tǒng),能夠很好地控制工藝中低DO濃度,應(yīng)用于工藝后處理能耗由0.12 kWh/m3降低到0.096 kWh/m3。對(duì)于鼓風(fēng)機(jī)控制,其中一個(gè)關(guān)鍵因素是避免曝氣鼓風(fēng)機(jī)喘振問(wèn)題。馬金峰等指出控制鼓風(fēng)機(jī)出口壓力是解決喘振現(xiàn)象從而實(shí)現(xiàn)DO自動(dòng)控制的必要條件,并且采用低DO和出水氨氮濃度控制能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)的高效自動(dòng)控制和節(jié)能降耗。此外,還可以通過(guò)ORP和pH控制污水處理過(guò)程,實(shí)現(xiàn)精確曝氣目的,但此方法波動(dòng)較大并沒(méi)有得到很好的實(shí)際應(yīng)用。
 
  我國(guó)污水處理工藝普遍存在曝氣量設(shè)計(jì)遠(yuǎn)大于實(shí)際需求量的現(xiàn)狀,也即好氧段可以大大縮短以降低好氧能耗。鮑林林等對(duì)氧化溝工藝好氧段進(jìn)行改造,主要是改造好氧段前段為缺氧區(qū),控制出水DO質(zhì)量濃度為1——1.5 mg/L,不但提高了出水水質(zhì),而且處理能耗降低為0.241 kWh/m3,比改造前降低20%以上。此外,通過(guò)工藝內(nèi)設(shè)備優(yōu)化運(yùn)行也能有效降低能耗。
 
  原建光等采用低氧(0.5——0.8 mg/L)條件下運(yùn)行污水處理工藝,也達(dá)到很好的污水出水水質(zhì),并實(shí)現(xiàn)節(jié)能的目標(biāo)。楊敏等對(duì)污水處理工藝進(jìn)行分析,通過(guò)降低生物池?cái)嚢韫β拭芏葘?shí)現(xiàn)攪拌單元節(jié)能效率50%。除工藝優(yōu)化運(yùn)行之外,可以考慮電力使用高峰低谷時(shí)間段,結(jié)合污水處理廠(chǎng)廠(chǎng)網(wǎng)綜合調(diào)控與協(xié)同優(yōu)化污水處理工藝的運(yùn)行,降低耗電費(fèi)用。
 
  2.3優(yōu)化或革新的污水處理節(jié)能降耗新技術(shù)研究
 
  隨著對(duì)污水處理工藝功能菌的深入研究,逐漸提出能夠從工藝角度實(shí)現(xiàn)節(jié)能的新型污水處理工藝。主要包括基于短程硝化的污水脫氮工藝、反硝化除磷工藝以及厭氧氨氧化工藝等。短程硝化工藝因?yàn)閮H僅硝化氨氮到亞硝酸鹽而非硝酸鹽,所以可以節(jié)約能耗25%,同時(shí),反硝化亞硝酸鹽而非硝酸鹽時(shí)也能降低脫氮對(duì)碳源的需求量,強(qiáng)化污水脫氮效率。
 
  對(duì)于厭氧氨氧化工藝,主要應(yīng)用于高氨氮廢水,因?yàn)閮H需50%左右的氨氮氧化為亞硝酸鹽,所以其需氧量更低,能夠?qū)崿F(xiàn)高效節(jié)能。近期也開(kāi)始考慮厭氧氨氧化應(yīng)用于污水處理工藝主體流程的可行性,并開(kāi)展了系列探索性研究。反硝化除磷工藝主要以硝態(tài)氮為電子受體,實(shí)現(xiàn)同步脫氮除磷,所以也能在很大程度上節(jié)約曝氣能耗。與傳統(tǒng)強(qiáng)化生物除磷相比,反硝化除磷技術(shù)提高碳源利用率50%、節(jié)省曝氣30%、減少污泥產(chǎn)量50%。
 
  污水本身含有的有機(jī)物就是能量載體,所以除污水處理節(jié)能之外,可以考慮污水能源化的實(shí)現(xiàn)。主要途徑包括污水厭氧處理,新型工藝包括膜厭氧處理工藝等。此外,能源回收的重點(diǎn)是強(qiáng)化污水中碳源有機(jī)物轉(zhuǎn)化為生物體,然后通過(guò)厭氧發(fā)酵實(shí)現(xiàn)污水碳源的能源化。此領(lǐng)域研究需要針對(duì)我國(guó)污泥或污水特征,進(jìn)一步開(kāi)發(fā)高效的反應(yīng)器與處理技術(shù)工藝等。
 
  3結(jié)語(yǔ)及展望
 
  隨著我國(guó)污水處理廠(chǎng)建設(shè)的完善,未來(lái)對(duì)污水處理廠(chǎng)運(yùn)行節(jié)能降耗需求會(huì)越來(lái)越強(qiáng)烈,尤其是基于精細(xì)化管理和污水處理全程優(yōu)化的理念值得深入實(shí)踐。重點(diǎn)內(nèi)容包括:
 
  1)建立基于污水處理系統(tǒng)節(jié)能降耗的精細(xì)化綜合設(shè)計(jì)、運(yùn)行與管理模式。
 
  2)開(kāi)發(fā)新型節(jié)能降耗的污水處理工藝。深入研究污水中污染物去除機(jī)制及其功能菌的馴化,開(kāi)發(fā)新型污水處理工藝,深入推進(jìn)關(guān)于污水處理能源化與資源化的實(shí)踐,也是節(jié)能降耗的技術(shù)途徑之一。
 
  3)基于污水處理工藝過(guò)程的模擬與精確控制技術(shù)研究與應(yīng)用。針對(duì)不同工藝,建立相應(yīng)的關(guān)鍵能耗特征指標(biāo),并開(kāi)展相應(yīng)的評(píng)價(jià)與優(yōu)化運(yùn)行,也是未來(lái)需要深入研究的對(duì)象。
 
  4)基于節(jié)能降耗效能的綜合評(píng)價(jià)方法與體系的建立與應(yīng)用。需要建立基于污水處理全流程的類(lèi)似生命周期評(píng)價(jià)的理念,全面評(píng)價(jià)節(jié)能降耗的影響,全面評(píng)價(jià)能耗降低的途徑。此外,也需要從可持續(xù)發(fā)展角度,全面分析能耗的影響,引入包括環(huán)境、經(jīng)濟(jì)和技術(shù)等方面指標(biāo)的評(píng)價(jià)體系。
 

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