市政污水處理廠節能粗評估方法研究
導讀
構建節能粗評估方法，在眾多運行的污水處理廠中找到節能空間較大的，集中力量和資源減低其電費成本，通過逐漸降低有節能空間的污水處理廠電費。構建的節能粗評估方法主要針對進水提升單元和生物處理單元，從運行調控和設備配置兩方面進行計算，考慮了運行水位、污泥濃度、設備效率等影響因素，通過計算優化條件下的功率與實際功率之間的差值，找到節能空間較大的污水處理廠。為驗證該方法有效，從100多座污水處理廠中篩選出4座采用該方法進行計算，結果顯示B廠的節能空間最大，對B廠進行詳細分析后，通過調整水泵運行水位、優化排泥等方法將該廠的電耗降低了15%，證明了構建的節能粗評估方法的有效性。
0前言
隨著城鎮水務市場化發展，集中運行多座污水處理廠的集團型水務公司數量不斷增加，管理難度逐年增大。為使各個水廠的運營維持有質量可持續發展，需保證成本支出科學合理，其中電費成本在市政污水處理廠的生產成本中占比較大，需要重點解決。因此急需構建城市污水處理廠節能粗評估方法，以便在眾多污水處理廠中找到節能空間相對較大的污水處理廠，集中力量和資源降低其電耗，通過逐漸改善有空間的污水處理廠電耗，從而降低公司整體的電費成本支出，提高整體運行管理水平。但由于影響城市污水處理廠電耗的因素很多，例如處理規模、產能負荷率、進水水質、出水標準、處理工藝、設備配置等，單從污水處理廠的電耗指標數值無法判斷是否有節能空間，因此需要在眾多因素中找到可優化的關鍵因素，確定可行的分析方法，從而構建體系化且有效的市政污水處理廠節能粗評估方法。
1目的、原則和評估對象
1.1 構建目的
主要目的是建立剔除各污水處理廠不能改變的設計因素和環境因素，僅對能夠通過工作改善以獲得節能效果的重要因素進行分析,構建可普適應用的節能粗評估方法和原則，以便在眾多的市政污水處理廠中篩選出節能空間較大的污水處理廠，集中資源解決問題。
1.2 構建原則
客觀性原則: 盡量剔除不可控的影響因素，找到能通過管理提升和技術更新解決的節能空間，并且僅關注項目自身，不關注橫向對比。
重要性原則：采用抓大放小的原則，首先關注節能節費空間較大的生產環節和影響因素，可隨著管理水平不斷提高再逐漸完善。
可操作性原則: 要求該體系的指標精煉，計算簡便，能夠在各污水處理廠均能提供的數據基礎上進行計算。
信息溝通原則:該體系的評估結果能夠反饋有價值的信息，能夠指導并確定下一步工作方向。
平衡性原則: 要求該體系的短期戰略目標與污水處理廠的長期目標相一致，避免追求眼前利益損害長期利益的情況出現。
1.3 評估對象
基本實現穩定達標的污水處理廠，出水水質達標率達到90%以上。
城鎮污水處理廠，工業廢水比例小于40%。
2指標體系
2.1 各處理單元的電耗分析
某座典型城市二級污水處理廠的電耗分布如表1所示。
表1 某典型城市二級處理污水處理廠電耗分布
各主要工藝單元的電耗占比顯示進水提升和生物處理單元的電耗是污水處理廠電耗占比最高的兩個處理單元，因此將進水提升和生物處理作為節能粗評估重點關注的兩個處理單元。
2.2 影響因素的分析
城鎮污水處理廠電耗的影響因素，分別為環境因素、設計因素、運行調控因素和設備配置因素。其中進水水質和進水水量等屬于環境因素，處理工藝、設計規模和排放標準等屬于設計因素，在一座穩定運行的污水處理廠中環境因素和設計因素是不可優化因素，不會隨著運行調控水平的提升和設備配置的改善而有所改變，因此節能粗評估中不考慮此類不可優化因素。
運行調控和設備配置為可優化因素，可通過提高運行調控水平或改善設備配制而降低電耗。通過各處理單元的電耗占比分析，運行調控和設備配置鎖定進水提升和生物處理兩個主要耗電單元。其中這兩個單元在運行調控過程中影響電耗的主要因素為水泵的運行水位、溶解氧控制、污泥濃度控制等，設備配置相關的影響電耗的主要因素為進水泵、曝氣風機和曝氣頭等設備的型號，設備參數與實際工況的符合度、設備本身的效率等。
因此根據抓大放小、不斷完善的原則，節能粗評估主要考慮進水提升和生物處理兩個處理環節中能通過運行調控改善和設備配置改善能夠提高的影響因素，即進水提升單元中的運行水位、生物處理單元中的溶解氧控制和污泥濃度控制等運行優化因素，以及提升泵效率、曝氣設備效率等設備配置因素。
2.3 評估指標的確定
通過以上分析，初步構建了節能粗評估指標體系，具體如表2所示。
表2 粗評估指標體系
3評估方法
3.1 工藝運行電耗空間的評估方法
（1）進水提升電耗空間的評估方法。在水泵沒有更換的前提下，將運行狀態由低水位運行改變為高水位運行會降低電耗。改變運行水位引起的電耗變化可根據式（1）計算：
式中 P提升變化——提升功率變化，kW·h；
Q——提升水量，m³/h；
H變化——提升水位變化，m
η——水泵效率，%。
（2）生物處理電耗空間的評估方法。生物池中MLSS和MLVSS反映了污泥的有效性，MLSS過高，并且MLVSS/MLSS比值較低，說明池中有效污泥過少，惰性污泥會影響氧傳質效率，需要增大曝氣量來維持運行，從而增加電耗。理論污泥濃度可通過式（2）計算：
式中 Q——進水量，m³/h;
X——反應池混合液濃度，mg/L；
Si——進水BOD5濃度，mg/L；
Se——出水BOD5濃度，mg/L；
θd——污泥齡，d；
Yt——污泥產率，kgSS/kgBOD5；
Vo——好氧池容積，m³。
將實際污泥濃度與理論污泥濃度進行對比，若超過50%，則認為污泥濃度控制的過高。測試并計算MLVSS/MLSS比值，若該比值小于0.5，則認為該廠需要排泥，減小惰性污泥的占比。
惰性污泥在超過3 000 mg/L，每增加1 000 mg/L影響氧轉移效率降低20% (3)，假定影響電耗增加10%，可按照理論MLSS和MLVSS/MLSS為0.5核算理論MLVSS。由MLVSS引起的電耗變化可通過式（3）計算：
式中 P曝氣變化——曝氣功率變化，kW·h；
MLVSS變化——實際MLVSS與理論MLVSS的差值；
P曝氣——曝氣功率，kW·h。
3.2 設備配置電耗空間的評估方法
（1）進水提升泵電耗空間的評估方法。關注運行年限較長，提升水量和提升高度已經下降比較明顯的水泵，根據實際運行的水量和揚程，選擇符合實際要求的高效水泵，并確定其效率。更換水泵前后的電耗變化可按式（4）計算：
式中 P水泵變化——水泵更換的功率變化，kW·h；
Q——提升水量，m³/h；
H——提升水位，m；
η新水泵/舊水泵——新舊水泵效率，%。
（2）風機的電耗空間的評估方法。關注運行年限較長，且型號比較老舊的風機，例如多級離心、羅茨等低效風機。根據實際運行所需的水量和水質，確定符合實際要求的高效風機的型號，確定其功率。更換風機前后的電耗變化可按式（5）計算：
式中 P風機變化——風機更換的功率變化，kW·h；
P新風機/舊風機——新舊風機功率，kW·h；
T運行時間——運行時間，h。
3.3 全廠電耗空間的評估方法
全廠節能空間主要由以上4項因素組成，因此可根據式（6）進行計算：
4結果示例和應用
在100多座污水處理廠中篩選出4座污水處理廠用以上評估方法進行計算。評估結果如圖1所示。
圖1 示例污水處理廠評估結果
4.1 評估結果
（1）根據評估結果，B廠的可優化電耗空間最大，可在提高提升泵運行水位、加強排泥、提高水泵和風機的設備效率等方面進行深入分析和診斷。
（2）4座污水處理廠均在曝氣優化方面存在較大優化空間，可進一步在溶解氧控制和污泥濃度控制等方面開展工作。
4.2 結果應用
（1）根據該方法確定以B廠作為重點水廠開展節能優化工作。
（2）針對B廠的實際情況進行深入分析和診斷，根據診斷結果確定以下調整方案，第一階段保證進水提升泵在高水位下運行、加強排泥并同步檢測MLVSS和MLSS，逐漸使MLSS和MLVSS＼MLSS貼近理想值，在此基礎之上，逐步調整曝氣量，使好氧池末端DO控制在2左右。第二階段由于水泵使用年限較長，效率已大幅下降，更換高效率水泵可取得較好的節能效果，且經過計算后投入回收期在2年之內，因此確定更換水泵。在以上方案的執行下，B廠單位水量電耗下降15%，由0.4 kW·h/m³降至0.34 kW·h/m³。
5結論
（1）構建的節能粗評估方法，可初步計算各污水處理廠的節能空間，優先找到節能空間較大的污水處理廠進行詳細診斷，例如文中的4座污水處理廠經過計算后，優先對B廠進行詳細診斷。
（2）構建的節能粗評估方法，能夠大致指明節能優化的大致方向，例如文中的B廠第一階段先調整進水提升泵運行水位，保持高水位運行，加大排泥減小無效電耗。第二階段更換高效率的水泵。取得了較好的節能效果。
（3）節能粗評估方法是依據客觀性原則、重要性原則、可操作性原則、信息溝通原則、平衡性原則構建的，目前主要針對進水提升和生物處理兩個環節，可隨著管理精度的提高，逐漸改善并補充內容。
對原文有修改。原文標題：市政污水處理廠節能粗評估方法研究；作者：劉芳、王光輝、鄭鵬凱；作者單位：北京首創生態環保集團股份有限公司。刊登在《給水排水》2020年第11期。
