污水處理廠(chǎng)能耗評估與優(yōu)化現狀

　　污水處理是能耗密集型技術(shù)，為了能對污水處理過(guò)程進(jìn)行合理的能耗評估和降低污水處理能耗，各國研究學(xué)者在此方面都做了大量的研究工作。文章從污水處理廠(chǎng)能耗現狀入手，對能耗評估指標、能耗基準線(xiàn)的劃定方法、能源效率提高辦法、能源監管等幾個(gè)方面進(jìn)行了綜述。通過(guò)分析發(fā)現，污水處理廠(chǎng)的能源效率通過(guò)評估和管理是可以大幅度提升的，將來(lái)還有很多值得研究的空間。

　　污水處理廠(chǎng)承擔水環(huán)境改善的重要任務(wù)，但也是能耗密集型企業(yè)。其能耗范圍較廣，污水處理廠(chǎng)電耗一般占總能耗的70%~90%，因此污水處理廠(chǎng)的能耗一般多指電耗。據統計，我國2014年污水處理廠(chǎng)電耗占全國總電耗的0.26%，算上工業(yè)廢水處理和污泥處理，所占比例將超過(guò)2%。如何合理評估污水處理能耗和降低能源消耗是目前污水處理領(lǐng)域關(guān)注的熱點(diǎn)。

　　1污水處理電耗評估指標

　　目前以處理水量和污染物的去除量為電耗評估指標。

　　1以處理水量為電耗評估指標

　　我國基本是以處理水量為電耗評估指標的，且污水處理收費也是按水量為單位進(jìn)行收費。據報道，我國目前城市污水處理電耗平均水平為0.29~0.40kW·h/m3。以處理水量為電耗評估指標有比較大的缺陷，這一評估指標使用的前提是污水處理廠(chǎng)的進(jìn)水水量、水質(zhì)(COD、氨氮、SS、總氮和總磷等)波動(dòng)比較小，各污水處理廠(chǎng)進(jìn)水水質(zhì)水量情況比較接近，差別不大。另外，我國污水管網(wǎng)采用雨污分流，但實(shí)際上有時(shí)雨水、污水也會(huì )混合一起進(jìn)入污水處理廠(chǎng)，導致進(jìn)水污染物被一定程度稀釋?zhuān)�計算出的電耗偏低�?/P>

　　2以污染物的去除量為電耗評估指標

　　污染物的去除量為電耗評估指標又可細分為：以年服務(wù)人口當量為電耗評估指標、以COD去除量為電耗評估指標、以總懸浮固體去除量為電耗評估指標、以總氮去除量為電耗評估指標。

　　德國、澳大利亞等國家采用的是以年服務(wù)人口當量為電耗評估指標。每1人口當量可以按COD或者BOD進(jìn)行折算，一般是每天1人口當量60gBOD或者120gCOD。北美地方的污水廠(chǎng)一般每天1人口當量80gBOD或160gCOD，或每天1人口當量產(chǎn)生400L污水來(lái)進(jìn)行折算。

　　幾種常用電耗評價(jià)指標的適用性對比見(jiàn)表1。

　　表1幾種主要評價(jià)指標的適用性對比

　　由表1可知，以污染物的去除量為電耗評估指標更準確一些，但是依然存在不足。首先，污水中污染物評價(jià)指標比較多，包括SS、COD、BOD、TN、TP、NH3-N等。選取單一種類(lèi)的污染物去除量為電耗評價(jià)指標不全面。其次，每個(gè)污水廠(chǎng)進(jìn)出水水質(zhì)不一樣，處理標準也不一樣。隨著(zhù)對水環(huán)境質(zhì)量改善要求的提高，污水處理廠(chǎng)的處理排放標準逐漸提高，要求越來(lái)越嚴，所以需要考慮采用全面覆蓋所有污染物去除效果的一個(gè)綜合指標來(lái)進(jìn)行電耗評估。

　　3能量流分析

　　能量流分析是將進(jìn)出污水處理系統的各種污染物按照能量的方式統一計量，將污水處理廠(chǎng)的運行效果從物質(zhì)角度的多指標評價(jià)轉化成從能量角度的單一指標評價(jià)。能量流的定義如式(1)所示。

　　應用能量流評估方法需要計算污水中的能量，這里用化學(xué)潛能來(lái)代表�；瘜W(xué)潛能指的是廢水中的有機物完全氧化成CO2和H2O時(shí)釋放出的熱能。污水中常見(jiàn)的有機物與化學(xué)潛能的對應關(guān)系：每1gCOD相當于14kJ化學(xué)潛能，每1gVSS相當于22.15kJ化學(xué)潛能。

　　林濤等應用比能耗和能量流兩種評價(jià)指標分析A2/O污水處理工藝的能耗情況，發(fā)現能量流評價(jià)指標相當于多個(gè)比能耗組成的分析系統，是一個(gè)更綜合、更全面的評價(jià)方法。就整體而言，能量流評價(jià)是一個(gè)新方法，應用很少，目前還不太完善，今后需要考慮納入反硝化過(guò)程和除磷反應。

　　2能耗基準

　　由于污水處理能耗較高，對污水處理劃定能耗基準有助于幫助污水處理廠(chǎng)建立合適的能耗評價(jià)體系，進(jìn)一步降低能源消耗。確定能耗基準的方法比較多，大致可以分為歸一化方法、統計學(xué)方法、編程技術(shù)三類(lèi)。

　　1歸一化方法

　　使用歸一化方法劃定能耗基準應用特別多，主要是因為該方法比較簡(jiǎn)單，結果通俗易懂，但其依賴(lài)于大量污水處理廠(chǎng)的樣本分析。為了在不同的污水處理廠(chǎng)劃定能耗基準，需要一定的評價(jià)指標，比如以服務(wù)人口量為標準、以處理單位水量為指標或以污染物的去除量為指標等。但是單一的評價(jià)指標過(guò)于簡(jiǎn)單，并且應用的前提是假設所有的污水處理廠(chǎng)在污水處理類(lèi)型、規模、地理位置都是一個(gè)度量標準。單一的評價(jià)指標只適合于污水處理廠(chǎng)不同功能的單個(gè)處理環(huán)節。

　　L.B.Yang等在2006年對中國599個(gè)污水處理廠(chǎng)運行和能耗數據進(jìn)行統計分析，最后采用7個(gè)三水平的能耗指標建立了能耗基準線(xiàn)。將建立的這一能耗基準線(xiàn)對3個(gè)污水廠(chǎng)的能耗進(jìn)行評估，結果發(fā)現適應性比較好，能達到節省能耗、提高能源效率的目的。通過(guò)能耗基準的劃定，3個(gè)污水廠(chǎng)在曝氣方面節省能源效果顯著(zhù)。

　　C.Belloir等對英國2座具有初級處理、二級出水和深度處理的污水處理廠(chǎng)建立了能耗基準。結果發(fā)現，找到能耗最高的設施能有效提高能耗基準劃定的效率。建立能耗基準需要對污水廠(chǎng)有全面的認識，需要知道污水廠(chǎng)出水水質(zhì)參數、現場(chǎng)操作情況和污水廠(chǎng)工程布局。

　　利用單一或多個(gè)評價(jià)指標進(jìn)行歸一化能耗基準的劃定有兩個(gè)方面的缺陷。第一，對于處理規模相差很大的污水處理廠(chǎng)不存在線(xiàn)性關(guān)系，不能直接套用;第二，單一評價(jià)指標只能反映污水處理廠(chǎng)的部分功能。因此，通常歸一化方法只應用于處理規模和污水水質(zhì)比較類(lèi)似的污水處理廠(chǎng)。

　　2統計學(xué)方法

　　統計學(xué)方法以最小二乘法(OLS)為例。OLS通過(guò)大量污水處理廠(chǎng)能源消耗樣本分析，建立回歸函數或模型表示大量污水處理廠(chǎng)樣本的能源平均消耗水平。再將單一的污水處理廠(chǎng)能耗水平與回歸函數進(jìn)行比較，如果能耗值高于回歸線(xiàn)，說(shuō)明該污水處理廠(chǎng)能源使用效率低，反之則是能源使用效率高。用OLS建立回歸模型所需要的參數包括：污水廠(chǎng)平均進(jìn)水流量、進(jìn)水BOD、進(jìn)水COD、污水廠(chǎng)負荷率及營(yíng)養物的去除情況等。OLS法也有不足之處：第一，該方法同樣需要大量的樣本數據分析;第二，回歸結果對函數的表現形式比較敏感。具體聯(lián)系污水寶或參見(jiàn)http://www.sharpedgetext.com更多相關(guān)技術(shù)文檔。

　　3編程技術(shù)

　　編程技術(shù)以數據包絡(luò )分析(DEA)為例，DEA是通過(guò)建立一個(gè)包絡(luò )面來(lái)評估系統或者設備運行效率的編程技術(shù)。DEA的優(yōu)勢：是當新的決策單元添加到樣本集中，參數模型不需要隨著(zhù)函數形式的改變而采用邊界函數形式的假設，同時(shí)DEA允許涉及多種輸入同時(shí)生成多個(gè)輸出過(guò)程的分析。這使得專(zhuān)家對DEA在污水處理廠(chǎng)技術(shù)經(jīng)濟效益方面的評價(jià)應用產(chǎn)生了廣泛的興趣。但DEA與OLS一樣，其依賴(lài)確定性的能源效率分數的假設，而忽視了能源消耗是具有很大隨機成分的事實(shí)，能源消耗會(huì )受到季節和天氣等因素的影響。DEA對數據是高度適應的，因此基于單一測量對能源效率進(jìn)行估測是存在一些問(wèn)題的。

　　3提高能源利用效率的方法

　　運行過(guò)程優(yōu)化是一種投資少、又可以短時(shí)間內提高能源利用效率的方法。污水處理廠(chǎng)常見(jiàn)的運行過(guò)程優(yōu)化主要在能源消耗占比較大的環(huán)節，如污水提升泵(約10%~20%)、曝氣(約50%~70%)和污泥脫水處理(約10%~25%)等。

　　1污水提升泵

　　污水提升泵的優(yōu)化是一種非常常規的優(yōu)化措施，沒(méi)有體現太多先進(jìn)技術(shù)。主要包括對泵的操作設置、配備變頻器、采用高效率的水泵等。一般對污水提升泵的優(yōu)化能將這部分的能耗降低5%~30%。向偉芳對污水提升泵加設變頻調控，運行數據表明，用變頻調控技術(shù)能綜合節省能源消耗達到20%~40%。除此之外，也需要定期對水泵進(jìn)行保養維護，加強運行管理，同時(shí)結合自身污水處理廠(chǎng)實(shí)際運行情況來(lái)調整運行條件，幫助實(shí)現能源效率的最大化。

　　2曝氣

　　對于污水處理過(guò)程而言，曝氣環(huán)節是能源消耗最大的環(huán)節。影響曝氣效率最重要的參數是平均細胞保留時(shí)間，有報道表明氧轉移速率與平均細胞保留時(shí)間成正比，與擴散器的空氣流速成反比。

　　(1)溶氧控制

　　A.Thunberg等報道，在瑞典某污水處理廠(chǎng)安裝在線(xiàn)溶氧監測儀能節約26%的空氣流量。有文獻報道，如果采用更先進(jìn)的溶氧控制設備可以節約總能耗的15%或者更高。國內方面，楊岸明對曝氣智能控制方面展開(kāi)了詳細研究并建模分析。將研究成果應用于20m3/d城市污水處理廠(chǎng)的鼓風(fēng)曝氣優(yōu)化上，最終在保持污水處理達標的前提下，月能耗降低7%，月均單位能耗降低9.7%。

　　(2)鼓風(fēng)設備

　　A.C.Firmin等的研究表明，用渦輪鼓風(fēng)機替換傳統的鼓風(fēng)設備可以降低35%的能耗。最近又有文獻報道表明，與傳統彈性膜擴散裝置相比，采用超細氣泡擴散器可以節約能耗10%~20%。除了更換鼓風(fēng)設備，給現有鼓風(fēng)設備安裝變頻調控，可以在工藝發(fā)生變化時(shí)自動(dòng)調速，節省電能。劉鐵軍對SBR工藝污水處理廠(chǎng)的羅茨鼓風(fēng)機安裝變頻調控，每月最少節約電量6810kW·h，1a節約電費7.35萬(wàn)元。

　　3污泥脫水處理

　　國內大型污水處理廠(chǎng)的污泥脫水處理費用占總費用的15%，對此采用節能降耗優(yōu)化可以降低成本。主要改造方面包括構筑物結構改造、藥劑種類(lèi)及添加量?jì)?yōu)化、污泥脫水裝備及工藝調整等。

　　宋繁永等針對污泥脫水能耗高的情況，研究污泥預處理工藝，改善污泥機械脫水性能，其開(kāi)發(fā)的高效污泥機械脫水設備實(shí)現了污泥含水率在60%以下。

　　4能耗管理辦法

　　1能源管理指南和能源管理系統

　　美國能源局(EPA)2008年發(fā)布了水和污水利用過(guò)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。美國還有一些專(zhuān)門(mén)的組織機構在污水處理能源管理和提高能源利用率方面一直在努力，如WERF(TheWaterEnvironmentResearchFoundation)在籌劃制定一個(gè)最佳能源利用方法匯編。而我國在這方面相對比較落后，目前僅有一些小公司幫助污水處理廠(chǎng)提供能源管理和提效服務(wù)，國家層面缺乏相應的標準和指南。

　　2能源審計

　　能源審計也是能源管理的一個(gè)有效措施。常規能源審計就是在污水處理廠(chǎng)設立專(zhuān)門(mén)的能耗記錄臺賬，包括各處理單元或設備的電耗、藥耗和水耗。定期對臺賬記錄進(jìn)行整理和分析，掌握該污水處理廠(chǎng)能源消耗的總體情況，并針對初步審計結果，對污水處理各單元環(huán)節做出簡(jiǎn)單的調整。高級能源審計對污水處理廠(chǎng)相關(guān)工作人員的要求比較高，工作涉及設備現場(chǎng)試驗、盤(pán)點(diǎn)設備節能性能數據、設備和系統的能量分布、討論潛在的節能措施、同時(shí)提供詳細的過(guò)程審核資料并提出節能建議。

　　3能源監測系統

　　能源監測系統是由硬件和軟件組成的一個(gè)平臺，能將一些有效的能源管理辦法引入污水處理廠(chǎng)的實(shí)踐中，可以對污水處理廠(chǎng)的能源使用進(jìn)行監測和管理，實(shí)現降低能耗的目的。例如目前監測和采集系統(SCADA)在污水處理廠(chǎng)中得到了廣泛的應用，該系統能監測多種設備的參數和操作條件，同時(shí)能夠提供處理工藝過(guò)程中能源消耗的實(shí)時(shí)數據。SCADA系統的有效使用可以在2~4a內收回投資成本。

　　5結論與展望

　　現有能耗評估指標都有一定的局限性，能耗基準的劃定方法也雜亂不一，方法各有優(yōu)劣，沒(méi)有普適性。從國內外研究進(jìn)展看出我國在此方面還有很長(cháng)一段路要走。將來(lái)污水處理廠(chǎng)能源提效應在如下幾方面加強研究：

　　(1)形成更全面的能耗評估辦法，建立標準化能耗評估程序和管理記錄臺賬;

　　(2)開(kāi)發(fā)更全面、更適用的能耗評估指標，根據污水廠(chǎng)的規模、工藝和進(jìn)出水水質(zhì)標準等劃定統一的標準能耗基準;

　　(3)加強污水處理廠(chǎng)能源監測自控系統數據收集和大數據分析，在此基礎上總結能源消耗規律，研究高效節能降耗的方案。(來(lái)源：谷騰環(huán)保網(wǎng))