广西典型城市污水处理厂能耗分析

第３７卷第１期２０１７年２月桂林理工大学学报ＪｏｕｒｎａｌｏｆＧｕｉｌｉｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＶｏｌ３７Ｎｏ１Ｆｅｂ　２０１７文章编号：１６７４－９０５７（２０１７）０１－０１８６－０５　　　　　ｄｏｉ：１０３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ１６７４－９０５７２０１７０１０２８广西典型城市污水处理厂能耗分析陈　珍１，成官文１，胡　喆１，梁宁书２，覃许江２（１桂林理工大学广西矿冶与环境科学实验中心，广西桂林　５４１００４；２广西壮族自治区投资项目评审中心，南宁　５３００００）摘　要：氧化沟工艺、Ａ２／Ｏ工艺、ＳＢＲ及其变种工艺是广西乃至全国污水处理的主要工艺，对比研究３种处理工艺能耗，利于污水处理的节能降耗。经对这３种工艺的３个污水处理厂（Ａ、Ｂ、Ｃ）能耗结构分析，结果表明：３个污水处理厂各环节能耗处于较合理水平，主要耗能均发生在污水提升、曝气供氧和污泥处理３个环节；Ａ、Ｂ、Ｃ３个厂比能耗分别为０１６、０１７、０２１ｋＷｈ／ｍ３；污水处理厂能耗受进水水质、运行负荷率、规模、季节等因素的综合影响。关键词：污水处理厂；经典工艺；能耗结构；比能耗；节能降耗中图分类号：Ｘ７０３　　　　　　　　　　　　　　　文献标志码：Ａ“十一五”时期，我国第一次提出“节能减排”的概念，把降低能源消耗强度和减少主要污染物排放总量确定为国民经济和社会发展的约束性指标。“十二五”规划又明确了具体目标，到２０１５年主要产品单位能耗指标达到先进节能标准的比例大幅提高，风机、水泵等主要耗能设备能耗指标达到国内或国际先进水平，重点工业行业、农业主要污染物排放总量大幅降低［１］。城市污水处理厂应实施以智能控制为关键技术的全流程节能降耗技术［２］，广西为西部欠发达地区，城镇污水处理设施较为落后，为了响应国家关于节能减排的要求，研究广西典型污水处理厂的能耗特征及其影响因素具有重要意义。广西污水处理厂多采用氧化沟、Ａ２／Ｏ、ＳＢＲ及其变种工艺，三者占了全区污水处理厂总数的８６％，其中氧化沟工艺３８座，Ａ２／Ｏ工艺２２座，ＳＢＲ及其改良工艺３３座［３］。因此本文就广西分别采用氧化沟、Ａ２／Ｏ和改良ＳＢＲ工艺ＭＳＢＲ的３座典型污水处理厂进行了能耗分析，为广西城镇污水处理厂节能减排和技术改造提供参考。１　污水处理厂的基本情况Ａ污水处理厂位于南宁明阳工业园区，设计规模为２×１０４ｍ３／ｄ，采用氧化沟处理工艺。园区企业主要从事木薯加工、酒精制造和蔗糖生产，每天都有大量的工业废水和生活污水排放。Ｂ污水处理厂位于柳州市龙泉山北侧，设计规模为２５×１０４ｍ３／ｄ（其中一期为１０×１０４ｍ３／ｄ，二期为１５×１０４ｍ３／ｄ），采用Ａ２／Ｏ脱氮除磷工艺辅以化学除磷技术。Ｃ污水处理厂位于南宁市白沙大道，二期工程设计规模为２４×１０４ｍ３／ｄ，采用改良型ＳＢＲ（ＭＳＢＲ）处理工艺。３座污水处理厂均正常稳定运行，污水处理厂出水水质均达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》（ＧＢ１８９１８—２００２）一级Ｂ标准。２　能耗结构分析３个污水处理厂各单元的能耗统计结果如表１。按照污水处理的预处理段、生物处理段、污泥处理段划分，Ａ、Ｂ、Ｃ厂各段的能耗占比分别为：　收稿日期：２０１５－０７－１０　基金项目：广西壮族自治区发展与改革委员会基金项目；广西高等学校高水平创新团队及卓越学者计划项目（００２４０１０１３００１）　作者简介：陈　珍（１９９０—），女，硕士，研究方向：水污染控制工程，３１７３２６３５７＠ｑｑｃｏｍ。　通讯作者：成官文，博士，教授，１９８６０１７＠ｇｌｕｔｅｄｕｃｎ。　引文格式：陈珍，成官文，胡喆，等．广西典型城市污水处理厂能耗分析［Ｊ］．桂林理工大学学报，２０１７，３７（１）：１８６－１９０．２０７２％、６９５５％、９７１％；２９８９％、６５７０％、４４１％；３７８７％、５８９９％、３１５％。数据表明，尽管各污水处理厂的规模、工艺类型不同，但就污水处理厂各单元能耗占总能耗比例而言，具有明显的相似性，各厂的主要能耗均发生在污水提升、曝气供氧和污泥处理环节。２１　供氧曝气环节从表１可以看出，Ａ、Ｂ、Ｃ厂（二期工程）的曝气设备能耗占比分别为３８０５％、４９６５％、４３８８％，为污水处理厂第一能耗环节。Ａ厂氧化沟的曝气与水下推进能耗共占总能耗的６２１５％。曝气设备能耗比例为３８０５％，低于全国一般氧化沟污水处理厂［４］。一般情况下，氧化沟多采用机械曝气，在供氧量相同情况下，鼓风曝气比机械曝气省电（动力效率比鼓风曝气低３０％～４０％）［５］。Ａ厂以工业园区工业废水为主，主要接纳园区内木薯加工、酒精制造等企业的污水处理站生化处理后的出水，进水污染物浓度普遍较低，且可生化性较差，污水处理需氧量总体偏低，故污水处理厂采用间歇曝气的运行方式（一般运行３ｈ停３ｈ），曝气耗能相对较小。但氧化沟沟道循环需要消耗较大能量，水下推进能耗占比２４１％，所占比例较大。Ｂ厂曝气设备的能耗占比为４９６５％，较一般Ａ２／Ｏ污水处理厂略低［６］。Ｂ厂共设６台鼓风机，运行２台，４台备用。通常认为，曝气池中溶解氧维持在２～３ｍｇ／Ｌ时可以取得良好的ＣＯＤ的去除和硝化效果［７］。现场监测显示，好氧池前段水下１ｍ处溶解氧为０５１ｍｇ／Ｌ，好氧池中段水下１ｍ处溶解氧浓度为１５６ｍｇ／Ｌ，好氧池末段水下１ｍ处溶解氧浓度为０６１ｍｇ／Ｌ。Ｂ厂曝气池溶解氧浓度偏低，因而曝气设备能耗比例降低。Ｃ厂二期工程曝气能耗比例为４３８８％，较全国一般污水处理厂低［８］。供氧采用４台磁悬浮鼓风机（２用２备），为高速电机＋变频器＋磁悬浮轴承一体化结构。由于采用变频器调速调节风量，因而相对节能［９］。２２　污水提升环节从表１可以看出，Ａ、Ｂ、Ｃ厂（二期工程）污水提升（泵房）能耗占比分别为１５５１％、２９１７％、３３９４％。Ｂ厂、Ｃ厂二期工程提升泵能耗比例高于全国一般污水处理厂［７］，Ａ厂污水来自园区工业废水和生活污水，其中部分生活污水自流进入，不需提升，因而提升能耗低于全国一般氧化沟污水处理工艺。Ｂ厂、Ｃ厂规模较大，构筑物之间距离较远，沿程水损增加，加之城市污水处理厂高程设计较为粗放，预留了一定水损空间，致使其能耗增大。２３　污泥处理环节表１显示，Ａ、Ｂ、Ｃ厂（二期工程）污泥处理能耗比例分别为９７１％、４４１％、３１５％。Ａ厂采用了能耗较低的带式浓缩压榨一体机。表１　污水处理厂主要处理单元能耗统计Ｔａｂｌｅ１　Ｅｎｅｒｇｙｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎｓｔａｔｉｓｔｉｃｓｏｆｍａｉｎｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇｕｎｉｔｓｆｏｒｓｅｗａｇｅｔｒｅａｔｍｅｎｔｐｌａｎｔｓ工艺单元Ａ厂（氧化沟）能耗／（ｋＷｈ·ｄ－１）百分比／％Ｂ厂（Ａ２／Ｏ）能耗／（ｋＷｈ·ｄ－１）百分比／％Ｃ厂二期（ＭＳＢＲ）能耗／（ｋＷｈ·ｄ－１）百分比／％粗格栅５８８２０７７４０１９泵房４４０１５１５５１１１２８０２９１７１４８５０３３９４细格栅８９２８３１４１５８４０４１２０４０４７沉砂池－４４４０１１１５１２３４６小计（预处理）５８８２３２０７２１１５５６８０２９８９１６５６６３７８７生化池（曝气）１８３６（１０８０）６４６９（３８０５）２３０３０４（１９２００）５９５６（４９６５）２１８３１４４（１９２００）４９８９（４３８８）二沉池１７７６０６３７５６１９６－回流泵房８５２９９１２４８３２３２４９６５７０消毒池３５２８１２４－－－－剩余污泥泵－３７２０９６１４８８３４０小计（生物处理段）１９３８７６６９５５２５４０６４０６５７０２３２６３４４５８９９脱水、浓缩机房２７６９７１１７０６４４４１１３７６４３１５小计（污泥处理段）２７６９７１１７０６４４４１１３７６４３１５７８１第１期　　　　　　　　　　　　陈　珍等：广西典型城市污水处理厂能耗分析据研究，卧式离心机能耗约是浓缩压榨一体机的４～６倍，板框压滤机能耗约是浓缩压榨一体机的２～３倍［１０］，带式浓缩压榨一体机能耗明显低于其他污泥脱水方式。Ａ厂污泥脱水能耗为４７２ｋＷｈ／ｄ，占该厂污泥处理能耗的１７１％，污泥处理耗能主要为污泥螺旋输送，能耗为１３６ｋＷｈ／ｄ，占该厂污泥处理能耗的４９２８％。由于Ａ厂污泥浓缩脱水机和输送机同时运行，浓缩脱水机开启则输送机运行，但浓缩脱水机从启动到产出泥饼需要一定的时间，这种脱水机和输送机同时运行的污泥处理系统存在很大的能耗浪费［１１］，污泥脱水系统能耗偏高可能与此有关。Ｂ厂剩余污泥采用两步脱水处理，生产流程为：剩余污泥－集泥池－转鼓浓缩－均质池－离心脱水－泥饼处置。一般提前若干小时排放剩余污泥至集泥池，延长了污泥浓缩时间，因而转鼓式机械浓缩机进泥浓度高，达到了减小进泥量的目的，使浓缩机的效率大大增加。此外，该厂在２０１２年３月对集泥池进行了改造，将进泥口做成穿孔花墙，在水下０７ｍ安装６０°倾角斜板，增加池底坡度，并引入离心脱水的清液（含一定量有机高分子絮凝剂），以增强剩余污泥沉淀浓缩性能，缩短了设备运行时间，从而降低了能耗［１２］。Ｃ厂二期工程污泥处理能耗占比较全国一般二级污水处理厂污泥处理低。其污泥处理主要耗能是脱水机进泥泵环节，能耗占比为３８３６％，其次是冲洗水泵，能耗占比为２６１６％，浓缩脱水能耗占比为１１５１％。ＭＳＢＲ工艺剩余污泥含固率高，通过良好的排泥控制可使剩余污泥含水率保持９７％左右［１３］，不需要设置机械浓缩或重力浓缩，直接进入脱水，节约了电能。３　比能耗分析为进一步了解各厂实际能耗水平，对Ａ、Ｂ厂２０１３年全年每月比能耗进行了统计，结果见表２。Ｃ厂由于特殊原因无法获得每月数据，其二期工程年平均比能耗为０２１ｋＷｈ／ｍ３。从表２看出，Ａ厂和Ｂ厂２０１３年平均比能耗相近，分别为０１６、０１７ｋＷｈ／ｍ３。Ａ厂２０１３年平均单位能耗低于华南地区平均能耗（０１９４ｋＷｈ／ｍ３）［１４］，也低于我国二级处理工艺中氧化沟平均能耗（０３０２ｋＷｈ／ｍ３）［１４］。Ｂ厂２０１３年平均单位电耗低于华南地区平均能耗，也低于全国Ａ２／Ｏ污水处理厂能耗。Ｃ厂二期工程２０１３年平均单位电耗高于华南地区平均能耗。３厂设计规模和处理量利用率如表３所示。Ｂ厂和Ｃ厂设计规模相仿，Ｃ厂比能耗较Ｂ厂大，可能原因之一是Ｃ厂实际负荷率比Ｂ厂低。通常情况下，随着处理负荷的增加电耗呈下降趋势，即污水处理厂的电耗具有一定的规模效益［１５］。表２　Ａ厂、Ｂ厂２０１３年各月比能耗Ｔａｂｌｅ２　ＭｏｎｔｈｌｙｓｐｅｃｉｆｉｃｅｎｅｒｇｙｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎｏｆＡａｎｄＢｉｎ２０１３ｋＷｈ·ｍ－３月份Ａ厂Ｂ厂１０２３０１７２００８０１８３０１４０１９４０２７０１６５０１６０１６６０１７０１５７０１９０１６８００９０１６９０１２０１６１００１５０１７１１０１２０１８１２０２１０１８平均０１６０１７表３　２０１３年各厂处理量利用率Ｔａｂｌｅ３　Ｃａｐａｃｉｔｙｕｔｉｌｉｚａｔｉｏｎｏｆｅｖｅｒｙｐｌａｎｔｉｎ２０１３污水处理厂设计规模／（万ｍ３·ｄ－１）实际处理量／（万ｍ３·ｄ－１）实际负荷率／％Ａ２１０３５００６Ｂ２５２４２０９６８Ｃ（二期工程）２４２０５６８６６５Ａ厂设计规模较小，部分污水自流进入污水处理构筑物，进水污染物浓度较低，且Ａ厂的实际负荷率明显低于Ｂ厂和Ｃ厂，因而Ａ厂的比能耗与Ｂ厂接近（图１），比Ｃ厂低，说明进水污染物浓度、进水扬程等对污水处理厂比能耗带来了较大影响。Ｂ、Ｃ厂规模比Ａ厂大，其构筑物较Ａ厂间距大，在污水处理厂的沿程水损高，加之Ｂ、Ｃ厂进水中主要污染物浓度较Ａ厂要高，有机物降解、氨氮硝化供氧所需能耗明显要高，这成为Ｂ、Ｃ厂比能耗高于Ａ厂的原因之一。Ａ厂污水以园区工业废水为主，进水水量、水质受工业生产影响，木薯加工、酒精制造和蔗糖生产等季节