張澤乾, 劉智慧, 羅 凱

(山西省交通新技術(shù)發(fā)展有限公司, 太原 030012)

污水處理作為碳減排的關(guān)鍵領(lǐng)域,如何減少生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的大量碳排放是廣大學(xué)者關(guān)心的熱點(diǎn)問(wèn)題[1-3]。高速公路服務(wù)區(qū)的污水處理因其水量小且波動(dòng)大、污染物濃度高、出水水質(zhì)要求高等特點(diǎn),使得其單位水處理能耗相對(duì)較高。高能耗間接產(chǎn)生的大量碳排放和高昂運(yùn)行費(fèi)用給部分服務(wù)區(qū)的生態(tài)環(huán)境及生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)造成較大壓力,是高速服務(wù)區(qū)碳減排行動(dòng)中不可忽視的一環(huán)。由于電耗在污水處理的碳排放環(huán)節(jié)占有較大比例[4,5],因此,明確高速公路服務(wù)區(qū)污水處理站電耗特點(diǎn),提出相應(yīng)節(jié)能途徑,對(duì)于降低污水處理站運(yùn)行成本、實(shí)現(xiàn)高速服務(wù)區(qū)碳減排、保證高速服務(wù)區(qū)污水處理站長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行具有重要意義。

一體化A2O-MBR工藝(厭氧-缺氧-好氧-膜生物反應(yīng)池工藝)因其污泥停留時(shí)間可自主控制、運(yùn)行控制靈活,容易實(shí)現(xiàn)無(wú)人值守下的高標(biāo)準(zhǔn)出水等優(yōu)勢(shì),被廣泛應(yīng)用于高速公路服務(wù)區(qū)污水處理之中[6-7],但有關(guān)該工藝條件下高速服務(wù)區(qū)污水處理工程應(yīng)用的能耗情況,以及采用何種途徑進(jìn)行節(jié)能降耗方面的研究還相對(duì)較少。鑒于此,本文以山西省絳縣高速公路服務(wù)區(qū)污水處理站為研究對(duì)象,通過(guò)電能消耗指標(biāo)評(píng)價(jià)各單元及設(shè)備能耗情況,對(duì)關(guān)鍵耗能設(shè)備進(jìn)行識(shí)別并提出基于精確控制下設(shè)備節(jié)能途徑,以期對(duì)同類(lèi)高速服務(wù)區(qū)污水處理站的節(jié)能減排工作提供借鑒。

1 污水處理站概況

高速服務(wù)區(qū)污水處理站設(shè)計(jì)水量為60 m3/d,采用A2O-MBR工藝(工藝流程如圖1所示),設(shè)備采用全流程自動(dòng)化運(yùn)行及遠(yuǎn)程監(jiān)控,可最大限度實(shí)現(xiàn)無(wú)人值守。該污水處理站目前氨氮、COD(化學(xué)需氧量)平均出水水質(zhì)分別為1.2、28及0.15 mg/L,達(dá)到山西省《污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》(DB14/ 1928-2019)生活污水水污染排放限值。進(jìn)出水水質(zhì)指標(biāo)如表1所示。

表1 進(jìn)出水水質(zhì)指標(biāo)

圖1 污水處理工藝流程

2 能耗分析

2.1 能耗分析方法

采用噸水能耗指標(biāo)及單位污染物能耗指標(biāo)對(duì)污水處理站能耗情況進(jìn)行計(jì)算統(tǒng)計(jì)。

其中噸水能耗(kWh/m3)計(jì)算公式為

噸水能耗=W/Q

(1)

式中:W為單位時(shí)間耗電量,kWh;Q為單位時(shí)間處理水量,m3。

單位污染物能耗主要考察在同水平水量下,設(shè)備降解單位污染物的用能情況。由于各類(lèi)型水質(zhì)污染物濃度不同,為方便計(jì)量,將氨氮及COD均統(tǒng)一至單位污染物能耗[kWh/(kg污染物)]比較,計(jì)算公式為

單位污染物能耗=
W/(MA×4.57+MC)

(2)

式中:MA為單位時(shí)間氨氮去除質(zhì)量,kg;MC為單位時(shí)間COD去除質(zhì)量,kg。

2.2 總體能耗分析

對(duì)服務(wù)區(qū)的日電耗情況進(jìn)行為期一個(gè)月統(tǒng)計(jì),結(jié)果顯示,該服務(wù)區(qū)月總能耗為5 778 KWh,平均噸水能耗為3.21 kWh/(d·t),單位污染物能耗為2.79 kWh/(kg污染物)。

2.3 能耗分布情況

對(duì)服務(wù)區(qū)污水處理站不同單元及不同設(shè)備的能耗進(jìn)行分析,結(jié)果如圖2、圖3所示。

由圖2可知,生物處理單元是污水處理站能源消耗的重要一環(huán),其能源消耗占到污水處理站總能耗的82.56%。其次為預(yù)處理單元,占比為11.66%,最后為深度處理單元,占比為5.79%。

對(duì)各設(shè)備能耗分析表明(圖2和圖3),在生物處理單元中,風(fēng)機(jī)運(yùn)行能耗最高,占到該單元能耗的69.1%,占污水處理站總能耗的57.05%,高于同類(lèi)工藝占比[8]。其中,好氧池風(fēng)機(jī)及膜曝氣風(fēng)機(jī)分別占到總能耗的24.14%及32.91%。其余耗能設(shè)備依次為膜出水泵、攪拌器及回流泵,分別占到總能耗的13.17%、6.86%及5.49%。在總能耗位列第二的預(yù)處理單元中,調(diào)節(jié)池水泵是主要耗能設(shè)備,其能耗占到預(yù)處理單元能耗的70.59%,是污水處理站總能耗的8.23%。深度處理單元中的高耗能設(shè)備為介質(zhì)過(guò)濾泵,該設(shè)備占深度處理單元及總能耗的比例分別為59.24%及3.43%。

對(duì)各單元高能耗設(shè)備進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn),在預(yù)處理單元中,提升井提升泵主要用于對(duì)污水的提升,在運(yùn)行過(guò)程中僅由液位控制,節(jié)能空間有限。調(diào)節(jié)池水泵則需要平衡污水量與出水量之間的關(guān)系,以保證生化處理單元微生物活性及設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定性,具有較大的節(jié)能空間。在生化處理單元中,相較其他設(shè)備,能耗占比最高的風(fēng)機(jī)對(duì)于調(diào)節(jié)生化池內(nèi)溶解氧濃度、維持生化菌群活性、減少膜污染等方面具有至關(guān)重要的作用,是系統(tǒng)節(jié)能降耗的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)。此外,同提升井提升泵類(lèi)似,深度處理單元中主要耗能的介質(zhì)過(guò)濾泵在運(yùn)行過(guò)程中主要由液位控制,不具有較高的節(jié)能潛力。

綜上所述,調(diào)節(jié)池水泵、好氧池曝氣風(fēng)機(jī)及膜曝氣風(fēng)機(jī)是本污水處理站最具節(jié)能潛力的關(guān)鍵設(shè)備。

3 關(guān)鍵耗能設(shè)備節(jié)能分析及優(yōu)化措施

3.1 調(diào)節(jié)池水泵能耗分析及優(yōu)化措施

為充分滿(mǎn)足服務(wù)區(qū)節(jié)假日高峰水量的輸送及污水處理站的運(yùn)維需求,該服務(wù)區(qū)污水處理站調(diào)節(jié)池水泵采用流量為6 m3/h的三相切割潛污泵。但在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中,污水處理站峰值運(yùn)行時(shí)間僅占全年運(yùn)行時(shí)間的8.2%,大部分時(shí)間處于低負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)。由圖4可知,服務(wù)區(qū)日均污水水量為0.9 m3/h,該流量?jī)H為調(diào)節(jié)池水泵設(shè)計(jì)流量的15%,水泵運(yùn)行效率較低。

圖4 服務(wù)區(qū)典型日污水水量與水泵額定流量的關(guān)系

本污水處理站現(xiàn)采用不調(diào)節(jié)閥門(mén)及手動(dòng)調(diào)節(jié)閥門(mén)兩種模式控制調(diào)節(jié)池水泵的運(yùn)行。其中,不調(diào)節(jié)閥門(mén)模式是指在運(yùn)行過(guò)程中不對(duì)調(diào)節(jié)池水泵的出水流量進(jìn)行控制,水泵按照額定流量和揚(yáng)程運(yùn)行。在該工作模式下典型周期內(nèi)運(yùn)行情況如圖5所示。由圖5可知,當(dāng)初始液位值均為2 m時(shí),不調(diào)節(jié)閥門(mén)模式雖然能將調(diào)節(jié)池內(nèi)污水及時(shí)處理,但由于調(diào)節(jié)池水泵運(yùn)行水量遠(yuǎn)大于服務(wù)區(qū)污水水量,使得調(diào)節(jié)池水泵在一天內(nèi)有近54.1%的時(shí)間因液位過(guò)低而處于停止運(yùn)行、等待調(diào)節(jié)池液位升高的狀態(tài)。較大且無(wú)規(guī)律的水量波動(dòng)導(dǎo)致污水處理站COD出水濃度為(75±20) mg/L,無(wú)法穩(wěn)定滿(mǎn)足設(shè)計(jì)出水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。

圖5 不同控制方式下調(diào)節(jié)池液位高度變化情況

手動(dòng)調(diào)節(jié)閥門(mén)模式即通過(guò)手動(dòng)方式控制調(diào)節(jié)池水泵的出水流量,其運(yùn)行情況如圖5所示。由圖5可知,調(diào)節(jié)池24:00液位值為1.7 m,較初始液位值下降0.3 m,未有效調(diào)節(jié)水量達(dá)到6.75 m3?？梢?jiàn),與不調(diào)節(jié)閥門(mén)模式相比,手動(dòng)調(diào)節(jié)閥門(mén)可有效緩解水泵出水流量與服務(wù)區(qū)污水水量的矛盾。但由于無(wú)法根據(jù)服務(wù)區(qū)日污水水量對(duì)調(diào)節(jié)池水泵流量進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整,在長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行過(guò)程中,亦會(huì)出現(xiàn)調(diào)節(jié)池超出調(diào)節(jié)范圍、生物處理單元無(wú)水可處理或處理不及時(shí)的情況。

由上可知,這兩種模式均難以將調(diào)節(jié)池水泵水量與服務(wù)區(qū)污水水量有效匹配,這不僅無(wú)法保證后續(xù)生物處理單元的穩(wěn)定運(yùn)行,也使得調(diào)節(jié)池水泵運(yùn)行有效利用率較低。因此,將服務(wù)區(qū)污水水量與水泵最優(yōu)工作狀態(tài)相一致,是降低水泵能耗的一條可行途徑。

相關(guān)報(bào)道指出,采用變頻調(diào)速技術(shù)控制水泵可使水泵節(jié)能約40%[4]。本污水處理站在充分利用調(diào)節(jié)池調(diào)節(jié)功能的基礎(chǔ)上,根據(jù)實(shí)際情況開(kāi)發(fā)液位傳感器與變頻調(diào)速聯(lián)動(dòng)的可編程邏輯控制器(programmable logic controller,PLC)系統(tǒng)。該系統(tǒng)將液位傳感器、變頻水泵等進(jìn)行聯(lián)動(dòng)控制,并通過(guò)算法使得PLC通過(guò)調(diào)節(jié)水泵變頻器增加或減少水泵流量,使水泵與污水水量相匹配。

以天為周期進(jìn)行調(diào)節(jié)。精確控制下調(diào)節(jié)池典型周期液位變化如圖6所示,調(diào)節(jié)池24:00時(shí)液位值與00:00時(shí)液位值液位差僅為0.002 m。對(duì)調(diào)節(jié)池液位進(jìn)行21天統(tǒng)計(jì)顯示,調(diào)節(jié)池液位維持在1.85～2.34 m,出水流量維持在1.2～2.05 m3/h,可見(jiàn),相較前兩種運(yùn)行模式,精確控制模式可有效避免調(diào)節(jié)池出現(xiàn)調(diào)節(jié)失效的問(wèn)題。同時(shí),相對(duì)恒定的水量負(fù)荷保證了后續(xù)生化處理單元運(yùn)行的可靠性。水質(zhì)檢測(cè)結(jié)果顯示,COD出水濃度穩(wěn)定維持在(25±10) mg/L,滿(mǎn)足設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。

圖6 精確控制下調(diào)節(jié)池液位及出水流量變化

三種模式的運(yùn)行能耗情況如表2所示。由表2可知,采用精確控制系統(tǒng)改造后日均耗電量?jī)H為6.72 kWh/d,是未調(diào)節(jié)閥門(mén)的81.45%,比手動(dòng)調(diào)節(jié)閥門(mén)降低11.28 kWh,能耗降幅為62.6%,節(jié)能效果明顯。

表2 不同控制模式下調(diào)節(jié)池水泵平均能耗情況

3.2 好氧池風(fēng)機(jī)能耗分析及優(yōu)化措施

諸多研究表明,相對(duì)較低的溶解氧濃度可在反應(yīng)器內(nèi)實(shí)現(xiàn)硝化功能菌群與反硝化功能菌群的共生,從而有效降低風(fēng)機(jī)能耗[9-10]。實(shí)際運(yùn)行結(jié)果表明,當(dāng)溶解氧濃度達(dá)到1.5～3.0 mg/L時(shí),氨氮及COD出水濃度分別為1.8 mg/L及38 mg/L,即滿(mǎn)足設(shè)計(jì)出水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。污水處理站改造前好氧池溶解氧的控制主要通過(guò)手動(dòng)方式進(jìn)行,溶解氧變化情況如圖7所示。由圖7可知,在5月26-28日期間,池內(nèi)溶解氧濃度波動(dòng)極大,溶解氧濃度最大值與最小值差值達(dá)到8 mg/L,這可能是由于在手動(dòng)控制條件下,污水處理站運(yùn)行人員無(wú)法根據(jù)水量及水質(zhì)變化對(duì)曝氣強(qiáng)度做出及時(shí)且精確的調(diào)整所致。5月29-30日,由于運(yùn)行人員沒(méi)有對(duì)供氣量進(jìn)行干預(yù),池內(nèi)溶解氧濃度大幅升高并最終維持在10 mg/L左右,該值遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于最優(yōu)運(yùn)行值。由此可見(jiàn),過(guò)度且不均衡的曝氣是造成好氧池風(fēng)機(jī)能耗較高的主要原因。

圖7 精確控制前后溶解氧變化曲線(xiàn)

調(diào)節(jié)管路控制閥及改變風(fēng)機(jī)本身特性是優(yōu)化風(fēng)機(jī)運(yùn)行能耗的兩種方法。相較于改變風(fēng)機(jī)本身特性,調(diào)節(jié)管路閥門(mén)會(huì)使得風(fēng)壓增大,造成能量浪費(fèi)。同時(shí),調(diào)節(jié)風(fēng)量控制閥不僅勞動(dòng)強(qiáng)度大、設(shè)備工作頻繁,而且其精確性、時(shí)效性及設(shè)備穩(wěn)定性均有待提升,不滿(mǎn)足高速服務(wù)區(qū)污水處理站運(yùn)行要求。因此,通過(guò)改變風(fēng)機(jī)的性能特性?xún)?yōu)化風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài),是較為可行的節(jié)能途徑。污水處理站將現(xiàn)有系統(tǒng)加裝溶解氧傳感器、變頻風(fēng)機(jī)、變頻控制器及控制系統(tǒng),并通過(guò)圖8邏輯運(yùn)行。

圖8 好氧池風(fēng)機(jī)精確控制系統(tǒng)邏輯示意圖

由圖8可知,該系統(tǒng)以設(shè)定溶解氧值作為調(diào)控終值,以生化池內(nèi)溶解氧儀所測(cè)得的數(shù)值作為反饋信號(hào),PLC通過(guò)計(jì)算反饋信號(hào)與調(diào)控終值數(shù)值差形成控制指令,并將控制指令作用于變頻風(fēng)機(jī)的變頻控制器上,進(jìn)而通過(guò)將需氣量與供氣量相匹配,實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)機(jī)曝氣量的精確控制。

采用精確控制后好氧池內(nèi)溶解氧變化曲線(xiàn)如圖7所示。由圖7可知,當(dāng)設(shè)定溶解氧值為2.3 mg/L時(shí),通過(guò)精確控制系統(tǒng)可使溶解氧曲線(xiàn)穩(wěn)定維持在1.5～3.1 mg/L的范圍內(nèi),無(wú)較大波動(dòng),與改造前相比,單位小時(shí)供氣量由68 m3/h下降至47 m3/h,節(jié)氣率達(dá)到30.8%。平均日曝氣能耗下降至30.69 kWh/d,節(jié)約電耗45.7%。

3.3 膜曝氣風(fēng)機(jī)能耗分析及優(yōu)化措施

膜曝氣風(fēng)量主要用于膜絲的吹掃及提供生化反應(yīng)所需溶解氧,膜曝氣強(qiáng)度的增加雖可通過(guò)水流剪切力的作用有效防止膜污染[11],但處理能耗也隨之增加;相反,若曝氣氣量過(guò)小,則膜絲會(huì)因?yàn)榇祾唢L(fēng)量不足而導(dǎo)致膜孔堵塞、產(chǎn)水通量降低、污染物去除率降低,進(jìn)而使得單位水處理能耗升高[8]。因此,在膜曝氣強(qiáng)度、膜污染和生物處理效率之間尋求平衡點(diǎn)是降低膜風(fēng)機(jī)能耗的解決途徑。

污水處理站運(yùn)行時(shí)發(fā)現(xiàn),膜產(chǎn)水開(kāi)停時(shí)間比與膜壓力之間具有相關(guān)性:當(dāng)產(chǎn)水泵以開(kāi)8 min停2 min模式運(yùn)行時(shí),設(shè)備運(yùn)行的14 d內(nèi),膜壓力隨著運(yùn)行時(shí)間的加長(zhǎng)而呈現(xiàn)逐漸升高的趨勢(shì),其由12 kPa逐步升高并穩(wěn)定在23 kPa,膜產(chǎn)水通量也從3 m3/h下降至1.8 m3/h左右;而采用開(kāi)4 min停1 min模式運(yùn)行時(shí),相同時(shí)間內(nèi),膜壓力及產(chǎn)水通量也均較為穩(wěn)定,分別維持在13 kPa及2.8 m3/h左右?？梢?jiàn),膜產(chǎn)水泵開(kāi)4 min停1 min的運(yùn)行方式,可在不減少有效產(chǎn)水工作時(shí)間的同時(shí),維持較長(zhǎng)時(shí)間的低壓力水平,膜污染的風(fēng)險(xiǎn)也相對(duì)較低。這可能由于相較4 min的抽吸時(shí)間,8 min這一較長(zhǎng)的抽吸時(shí)間使得污染物持續(xù)沖擊膜孔徑,導(dǎo)致膜孔徑單位周期內(nèi)污染物負(fù)荷較高,進(jìn)而使得膜污染周期相應(yīng)縮短。

因此,本污水處理站將膜產(chǎn)水泵開(kāi)停時(shí)間比由開(kāi)8 min停2 min改為開(kāi)4 min停1 min,并以減少膜曝氣強(qiáng)度的方法,探索膜風(fēng)機(jī)風(fēng)量節(jié)能降耗水平(圖9)。

圖9 不同曝氣強(qiáng)度下膜壓力及能耗對(duì)比

由圖9可知,當(dāng)膜風(fēng)機(jī)曝氣強(qiáng)度由5 m3/(m2·min)降低至3 m3/(m2·min)時(shí),7 d后膜壓力無(wú)明顯變化,膜產(chǎn)水量始終維持在2.8 m3/h左右,并未出現(xiàn)明顯膜污染加劇現(xiàn)象。出水氨氮及COD濃度分別為(1.2±2) mg/L和(35±8) mg/L,滿(mǎn)足出水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。這說(shuō)明膜風(fēng)機(jī)風(fēng)量已超過(guò)膜絲吹掃及生化反應(yīng)所需氣量,曝氣量過(guò)大,造成能源浪費(fèi)。當(dāng)曝氣量由3 m3/(m2·min)降低至2 m3/(m2·min)時(shí),5日后膜壓力由13 kPa上升至15 kPa,膜產(chǎn)水量由2.8 m3/h下降至2.2 m3/h左右,膜污染風(fēng)險(xiǎn)增大?；谏鲜鲅芯砍晒?污水處理站通過(guò)變頻控制器調(diào)整曝氣強(qiáng)度至3 m3/(m2min)。運(yùn)行結(jié)果表明,優(yōu)化后相應(yīng)膜風(fēng)機(jī)能耗降至48 kWh/d,降幅達(dá)33.3%。

4 污水處理站綜合運(yùn)行能耗分析

對(duì)服務(wù)區(qū)污水處理站改造前后的運(yùn)行能耗及綜合經(jīng)濟(jì)效益進(jìn)行對(duì)比分析,結(jié)果如表3所示。可知,通過(guò)對(duì)風(fēng)機(jī)及調(diào)節(jié)池水泵的精確控制,可實(shí)現(xiàn)每年節(jié)約電能1.87萬(wàn)kWh,折合碳排放量減少約為1.94萬(wàn)kgCO2[12],單位污染物能耗2.05 kWh/kg污染物,降低26.52%。該指標(biāo)略?xún)?yōu)于相同工藝下的實(shí)際值。何曉芳等[13]采用一體化A2O-MBR工藝處理水源地農(nóng)村生活污水,分析得出單位污染物能耗為3.886 kWh/kg污染物;吳家勇等[14]采用A2O-MBR工藝處理伶俐服務(wù)區(qū)污水分析得出單位污染物能耗為2.217 kWh/kg污染物。進(jìn)一步分析得出,年經(jīng)濟(jì)效益為1.12萬(wàn)元,單位水處理成本降低0.52元,節(jié)能減排效果明顯。還可通過(guò)調(diào)整污泥回流參數(shù)及曝氣分布等方法對(duì)污水處理站能耗進(jìn)一步優(yōu)化。

表3 綜合效益對(duì)比

5 結(jié)論

1) 某高速公路服務(wù)區(qū)污水處理站設(shè)備的運(yùn)行能耗主要集中在生物處理單元,占總能耗的82.56%;其余依次為預(yù)處理單元及深度處理單元。

2) 實(shí)際運(yùn)行結(jié)果表明,污水處理站中調(diào)節(jié)池水泵、好氧池曝氣風(fēng)機(jī)及膜曝氣風(fēng)機(jī)能耗分別為總能耗的8.23%、24.14%及32.91%,是污水處理站最具節(jié)能潛力的關(guān)鍵設(shè)備。

3) 通過(guò)設(shè)立基于調(diào)節(jié)池液位反饋的變頻水泵及基于溶解氧信號(hào)反饋的變頻風(fēng)機(jī)的運(yùn)行機(jī)制,可實(shí)現(xiàn)對(duì)調(diào)節(jié)池水泵、好氧池曝氣風(fēng)機(jī)的精確控制,分別實(shí)現(xiàn)62.6%及45.7%的能耗降幅。

4) 通過(guò)優(yōu)化膜曝氣風(fēng)量至3 m3/(m2·min),可減少無(wú)用曝氣,實(shí)現(xiàn)能耗較原來(lái)降低33.3%。

5) 通過(guò)對(duì)污水處理站關(guān)鍵設(shè)備的精確控制,可實(shí)現(xiàn)單位水處理能耗降低0.87 kWh/m3,單位污染物能耗降低26.52%,每年節(jié)約電能1.87萬(wàn)kWh,碳排放量減少1.94萬(wàn)kgCO2,節(jié)約費(fèi)用1.12萬(wàn)元,節(jié)能減排效果明顯。

6) 服務(wù)區(qū)污水處理站可探索對(duì)其余設(shè)備的精確控制及管理方案,繼續(xù)挖掘污水處理站節(jié)能降耗潛力,實(shí)現(xiàn)服務(wù)區(qū)污水處理站能源消耗的進(jìn)一步降低及運(yùn)行效能的優(yōu)化。