近十幾年來，我國的城鎮(zhèn)污水處理事業(yè)得到了快速發(fā)展，城鎮(zhèn)污水排放量不斷增加，處理要求也日趨嚴格。根據(jù)《“十三五”全國城鎮(zhèn)污水處理及再生利用設施建設規(guī)劃》和《水污染防治計劃》的要求，“十三五”時期，我國將進一步提升城鎮(zhèn)污水處理規(guī)模，并加強污水處理設施升級改造工作，尤其是敏感區(qū)域于2017年底前全面執(zhí)行一級A排放標準。
當前，污水處理事業(yè)快速發(fā)展，其能源密集型產(chǎn)業(yè)特征卻造成高能耗的污水處理設施運行成本不斷提高，且能耗隨著處理標準的提升而增加。我國城鎮(zhèn)污水處理廠的電耗在全國總能耗中也占據(jù)較大的比例，根據(jù)國家能源局和住房和城鄉(xiāng)建設部“全國城鎮(zhèn)污水處理管理信息系統(tǒng)”發(fā)布的數(shù)據(jù)，截至2018年底，我國城鎮(zhèn)污水處理廠有5360座，處理規(guī)模達到2.01億m3/d；2018年，全國城鎮(zhèn)污水處理廠共消耗電能192億kW·h，約為同年全社會總用電量68449億kW·h的0.28%，呈現(xiàn)逐年上升的趨勢。圖1是2007-2018年我國城鎮(zhèn)污水處理廠總電耗和噸水電耗的變化情況，由圖可見，隨著我國城鎮(zhèn)污水處理事業(yè)的快速發(fā)展，我國城鎮(zhèn)污水處理用電量和噸水電耗快速上升。如何使污水處理廠在滿足處理要求的同時，通過提高設計和運行水平實現(xiàn)節(jié)能降耗，節(jié)省運行成本，已經(jīng)成為人們重點關注的問題。
一、污水處理廠能耗特征研究
1.1 污水處理廠基本信息
為研究我國典型城鎮(zhèn)污水處理廠的能耗水平及主要電耗分布情況，筆者對我國不同地區(qū)的具有代表性的污水處理廠開展實地調研。其間挑選7座連續(xù)穩(wěn)定運行兩年以上(運行不間斷)、負荷率不低于80%的污水廠，并進行分區(qū)用電量監(jiān)測，污水廠基本情況如表1所示。
1.2 污水廠處理單元能耗特征分析
所選7座污水廠均執(zhí)行《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》(GB18918—2002)一級A出水標準，根據(jù)工藝流程，可以劃分為一級處理、二級處理、深度處理、污泥處理、再生水5個功能分區(qū)，分別安裝電量統(tǒng)計裝置，進行為期1年的電耗記錄。
污水廠噸水電耗和各功能分區(qū)電耗占比如圖2所示。由圖可知，所選污水廠2017年的噸水電耗平均值保持在0.2～0.45kW·h/m3。從五座處理工藝為A2O的污水廠數(shù)據(jù)來看，噸水電耗與處理規(guī)模相關性明顯，處理規(guī)模5萬m3/d的E廠噸水電耗為0.43kW·h/m3，大于10萬m3/d的污水廠噸水電耗低于0.3kW·h/m3，處理規(guī)模越大，電耗相對越低。各污水廠二級處理段的能耗最大，占總電耗的50%～65%，其次為一級處理和深度處理段，平均占比分別為19%和16%，部分廠再生水用電占比超過5%。
筆者選擇具有代表性的A廠全流程主要設備的用電情況進行為期1年的計量統(tǒng)計，系統(tǒng)分析各設備的耗電量。一級處理段主要耗電設備為進水提升泵，二級處理主要為風機、推進器和回流泵，深度處理段為二次提升泵，污泥處理段為污泥脫水機，再生水段為提升泵。
對A廠各單元和設備電耗的統(tǒng)計結果表明，二級處理單元和污水提升能耗最大，占整個污水處理廠總能耗的80%左右。一級處理電耗比例達到20%，其中進水提升泵電耗占該單元電耗的85%；二級處理單元的能耗主要集中在鼓風機、攪拌器和內(nèi)外回流泵上，其中，鼓風機占該單元電耗的59%，占全廠工藝總電耗的43%。全廠最大的能耗處理單元為生物處理段、進水泵房、二次提升泵房，節(jié)能降耗的重點設備為風機和提升泵。
二、節(jié)能降耗途徑分析
2.1 設備選型及優(yōu)化
設計時為保證最大流量需求，我國大多數(shù)城鎮(zhèn)污水處理廠(尤其是建設年代較早的污水處理廠)普遍存在設備選型過大、配置單一、恒速運行等配置不合理問題。污水廠運行期間，由于進水量波動較大，進水提升泵不能始終處于高效區(qū)運行，能效較低。同時，污水廠實際進水水質與設計進水水質往往相差較大，在進水水質水量波動的情況下，因風機選型過大且型號單一，運行調整靈活性差，造成風機系統(tǒng)能耗浪費，還可能導致好氧池DO過高，進而使得較高DO的內(nèi)回流混合液進入缺氧池而導致進水碳源損失。由于風機選型過大，所調研部分污水廠滿負荷運行期間，當導葉開啟度調整為30%時，其仍需要部分放空才能維持好氧池正常DO水平，其噸水電耗明顯高于其他同類型污水廠。因此，提高設備配置水平，合理進行設備選型是污水廠降低能耗的關鍵所在。
隨著行業(yè)節(jié)能降耗意識的提高和節(jié)能技術的發(fā)展，污水處理廠在新建或改造時已經(jīng)開始注重設備的優(yōu)化配置或技術改造，如采用變頻調速技術、不同型號設備搭配選型、工頻和變頻設備組合配置、車削葉輪等，以增強污水廠運行的靈活性。例如，在進水提升泵配置設計時，一般至少配置1臺變頻泵或1臺小型泵，以應對污水處理廠進水水量波動變化，同時達到節(jié)省進水提升泵運行能耗的目的。
2.2 錯峰用電
為緩解我國城市用電高峰時段負荷過高、電網(wǎng)峰谷時段負荷差較大等電力供應緊張的情況，國家出臺了相關政策，各省市根據(jù)不同時間段的用電負荷情況制定了不同的電價，如峰、平、谷三檔電價和尖、峰、平、谷四檔電價，收費標準依次降低。在對城鎮(zhèn)污水處理廠進行調研時發(fā)現(xiàn)，部分污水廠在保證出水穩(wěn)定達標的前提下，通過合理控制，在電網(wǎng)負荷較低時加大運行負荷，用電高峰期減少設備運行數(shù)量或調低設備運行頻率，將電網(wǎng)用電高峰時段的部分負荷轉移到用電低谷時段，減少電網(wǎng)的峰谷負荷差。這樣可以降低污水廠運行費用，同時實現(xiàn)社會資源的優(yōu)化配置。下面以X污水廠為例進行分析，其峰平谷用電量及分布情況如圖3所示。
X廠設計規(guī)模為20萬m3/d，水量變化系數(shù)設計值為1.3，運行負荷為80%，處理工藝為氧化溝工藝，出水水質執(zhí)行《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》(GB18918—2002)一級A排放標準，平均噸水電耗為0.24kW·h/m3。X廠所在城市峰平谷三個時段分別為8h，從圖3可以看出，峰期用電量較為穩(wěn)定，月均為40萬kW·h左右，占總用電量的25.7%，比重最少；平期用電量均衡，占總電量的30.6%；而主要電耗集中在谷期，占總電量的43.7%。根據(jù)該廠所在城市的電費收費標準，大工業(yè)用電電費峰值為1.0167元/(kW·h)(6-8月為1.0788元/(kW·h))，平值為0.675元/(kW·h)，谷值為0.4203元/(kW·h)，X廠通過錯峰用電，每年可節(jié)省電費約100萬元。
三、結論
城鎮(zhèn)污水處理廠可通過提高設備配置水平和技術改造等方式，有效避免設備選型過大、運行效能低等設計原因造成的能源浪費。在運行過程中，在保障出水穩(wěn)定達標的情況下，污水處理廠可將部分用電高峰期運行負荷轉移至低負荷期，有效降低運行成本。( >
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