基于統(tǒng)計(jì)學(xué)方法的城市污水處理廠能耗變化研究

汪雪格,吳沛霖,李曉丹,孫蘇洋,邊德軍

(1.長(zhǎng)春工程學(xué)院水利與環(huán)境工程學(xué)院,長(zhǎng)春 130012;2.中國(guó)市政工程?hào)|北設(shè)計(jì)研究總院有限公司,長(zhǎng)春 130026)

長(zhǎng)期以來(lái),城市污水處理廠的作用主要是降低污水被直接排放對(duì)受納水體的污染,其主要目標(biāo)是使水質(zhì)達(dá)標(biāo)。為了達(dá)到設(shè)定的水質(zhì)目標(biāo),污水處理過(guò)程實(shí)際上是一個(gè)能源置換、污染轉(zhuǎn)移的過(guò)程[1]。隨著污水處理廠出水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的提高,污水處理廠在原有工藝的基礎(chǔ)上增加了深度處理,相應(yīng)的電耗也增加。電耗增加不僅導(dǎo)致企業(yè)成本增加[2],還加重生態(tài)破壞、加速能源危機(jī)、增大碳排放量[3-7]等。雖然在一定程度上使水環(huán)境質(zhì)量得到改善,但這種改善是以增加經(jīng)濟(jì)成本和破壞生態(tài)環(huán)境為前提的,因此,應(yīng)綜合考慮水質(zhì)達(dá)標(biāo)、能耗等,同時(shí)實(shí)現(xiàn)污水處理廠節(jié)能降耗和水質(zhì)達(dá)標(biāo),這是污水處理行業(yè)亟需解決的課題。其中,提高能源的使用效率是解決該矛盾的一種有效方式。因此,本研究在傳統(tǒng)能耗評(píng)價(jià)[8-12]的基礎(chǔ)上,采取統(tǒng)計(jì)分析的方式,分析能耗變化的規(guī)律和特征,尋求能耗使用效率高的條件和前提,以期指導(dǎo)污水處理廠運(yùn)行實(shí)踐。

1 材料與方法

1.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

東北城市D污水處理廠為三級(jí)處理,日均處理能力為40萬(wàn)m3/d,主體工藝采用A2O處理工藝,工藝流程如圖1所示。設(shè)計(jì)進(jìn)水指標(biāo):CODcr(以下簡(jiǎn)稱COD)為360 mg/L,氨氮為30 mg/L,總磷為6 mg/L,總氮為40 mg/L,SS為280 mg/L。出水執(zhí)行 GB 18918—2002《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)。

圖1 D污水處理廠工藝流程及主要能耗節(jié)點(diǎn)圖

本研究以D污水處理廠提供的2018年—2020年逐日進(jìn)水量、進(jìn)水COD濃度、出水COD濃度及日耗電量等實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)為研究對(duì)象,采用SPSS統(tǒng)計(jì)分析軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析,主要分析進(jìn)水量、進(jìn)水COD濃度、COD處理總量、能耗的月變化規(guī)律和特征,以及分析耗電量隨進(jìn)水量、進(jìn)水COD濃度以及COD處理總量的變化規(guī)律,探索耗能高低的前提和條件。

1.2 研究方法

通常評(píng)價(jià)污水處理廠耗電量情況,是以單位水量耗電量平均值來(lái)表征的[13-14]。單位水量耗電量受到進(jìn)水水量、水質(zhì)、污水處理工藝和處理程度等的影響。本研究是在A2O工藝基礎(chǔ)上,針對(duì)不同的進(jìn)水量、不同的進(jìn)水水質(zhì)以及處理程度,分析各種情況下單位水量耗電量的變化情況。本研究用進(jìn)水COD濃度表征進(jìn)水水質(zhì),用COD處理總量表征處理程度,同時(shí)為了分析的方便,提出了進(jìn)水量等級(jí)、進(jìn)水COD濃度占比等級(jí)以及COD處理總量占比等級(jí)的概念。

單位水量耗電量、進(jìn)水量百分比、進(jìn)水COD濃度占比以及COD處理總量占比計(jì)算如式(1)～(4):

(1)

(2)

(3)

(4)

式中:q為進(jìn)水量;m為設(shè)計(jì)規(guī)模x為進(jìn)水量百分比;y為進(jìn)水COD濃度占比;z為COD處理總量占比;d為耗電量;Dw為單位水量耗電量。

進(jìn)水量等級(jí)、進(jìn)水COD濃度占比等級(jí)和COD處理總量占比等級(jí)的劃分見(jiàn)表1～3。

表1 進(jìn)水量等級(jí)劃分表

表2 進(jìn)水COD濃度占比等級(jí)劃分表

表2(續(xù))

表3 COD 處理總量占比等級(jí)劃分表

數(shù)據(jù)分析軟件:SPSS軟件是面世最早的一款應(yīng)用于統(tǒng)計(jì)學(xué)分析運(yùn)算和數(shù)據(jù)挖掘的軟件,該軟件具有操作簡(jiǎn)單、編程方便等特點(diǎn),其功能非常強(qiáng)大,具有完善的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、數(shù)據(jù)輸入、編輯、圖表制作等功能,還自帶上百種不同類型的函數(shù),可以對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行各種類型分析,并且其輸入和輸出格式多樣性,可以將不同格式的文件輸入及輸出,是一款運(yùn)行穩(wěn)定且應(yīng)用面極廣的軟件。

2 結(jié)果與討論

2.1 月分布規(guī)律分析

通過(guò)SPSS軟件,按照式1～3和表1～3對(duì)進(jìn)水量等級(jí)、進(jìn)水COD濃度占比等級(jí)、COD處理總量占比等級(jí)以及單位水量耗電量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,得出月分布規(guī)律如圖2所示。

(a)

從圖2(a)可知,D污水處理廠的進(jìn)水量基本處在5～10級(jí),亦即進(jìn)水量在40%～100%的設(shè)計(jì)規(guī)模范圍內(nèi)變化,其中污水廠進(jìn)水量等級(jí)為8級(jí)時(shí)出現(xiàn)頻率最多,在12個(gè)月中進(jìn)水量等級(jí)為8級(jí)均屬于頻率高的,也就是進(jìn)水量為設(shè)計(jì)規(guī)模的70%～80%最常出現(xiàn);其次是10級(jí),即進(jìn)水量為90%～100%的設(shè)計(jì)規(guī)模,出現(xiàn)在1月—8月中,9月—12月中沒(méi)有出現(xiàn),亦即9月—12月沒(méi)有偏大的進(jìn)水量;進(jìn)水量等級(jí)為9級(jí)時(shí)各月的出現(xiàn)頻率均較低,僅8月—12月出現(xiàn)稍高的頻率;進(jìn)水量等級(jí)為7級(jí)時(shí),各月都會(huì)出現(xiàn),但僅在4月—9月出現(xiàn)稍高的進(jìn)水量,其中6月份出現(xiàn)的頻率最高;進(jìn)水量等級(jí)為6級(jí)時(shí)各月出現(xiàn)的頻率都很低,其中3月和9月沒(méi)有出現(xiàn)這個(gè)等級(jí)的進(jìn)水量;進(jìn)水量等級(jí)為5級(jí)時(shí),1月、2月、10月、11月、12月出現(xiàn)的頻率較高,而6月、7月沒(méi)有出現(xiàn),5月、8月、9月僅出現(xiàn)很低的頻率,即冬季出現(xiàn)進(jìn)水量較低的情況較多;進(jìn)水量等級(jí)為3級(jí)和4級(jí)的情況僅出現(xiàn)在9月,且概率極低。

從圖2(b)進(jìn)水COD濃度占比等級(jí)可知,進(jìn)水COD濃度占比等級(jí)分布范圍為3～17級(jí)。其中進(jìn)水COD濃度占比等級(jí)出現(xiàn)頻率最高的是11級(jí),即在100%～110%的進(jìn)水COD濃度設(shè)計(jì)范圍,各月份均出現(xiàn)該級(jí)別的進(jìn)水COD濃度,除9月—11月外,其余月份出現(xiàn)該級(jí)別的頻率較高;其次為10級(jí),各月份均出現(xiàn),其中6月頻率最高、11月最低;進(jìn)水COD濃度占比等級(jí)為9級(jí)時(shí),各月份均出現(xiàn)但頻率均較低,僅7月、8月出現(xiàn)稍高頻率;進(jìn)水COD濃度占比等級(jí)為12級(jí)時(shí),僅5月、6月、12月出現(xiàn)的頻率稍高,其他月份出現(xiàn)的頻率均較低;其余等級(jí)的進(jìn)水COD并不是所有月份都出現(xiàn),等級(jí)為8級(jí)時(shí),1月—3月出現(xiàn)的頻率較高,而4月—6月、12月未曾出現(xiàn);等級(jí)為13級(jí)的僅在1月、5月—7月、11月—12月中偶爾出現(xiàn);對(duì)于高級(jí)別(14～17級(jí)),屬于極端情況,在一年中偶爾出現(xiàn);而對(duì)于低級(jí)別(3～7級(jí)),只在8月—11月出現(xiàn)。這表明雖然污水進(jìn)水水質(zhì)變化范圍較大,但是主要集中在9～12級(jí)。

從圖2(c)可知,在COD處理總量占比等級(jí)中,等級(jí)分布為1～13級(jí)。其中,出現(xiàn)頻率最高的是8級(jí),即通過(guò)污水處理廠COD去除量占設(shè)計(jì)去除量的70%～80%屬于常態(tài),在各月份中均出現(xiàn),其中1月—8月出現(xiàn)的頻率均偏高,3月的頻率最高;其次,COD處理總量占比等級(jí)為7級(jí),5月—8月出現(xiàn)的頻率較高,9月份沒(méi)有出現(xiàn),其余月份出現(xiàn)的頻率均不高;COD處理總量占比等級(jí)為9級(jí)時(shí),各月均出現(xiàn),且頻率較低;等級(jí)為10級(jí)時(shí),除2月份沒(méi)有出現(xiàn)外,其余月份頻率也較低;等級(jí)為6級(jí)時(shí),僅7月、8月、12月出現(xiàn)稍高的頻率;等級(jí)為5級(jí)時(shí),在12月、1月—3月出現(xiàn)較高的頻率;等級(jí)較高的級(jí)別(11～13級(jí))僅出現(xiàn)在4月—8月,等級(jí)較低的級(jí)別僅出現(xiàn)在8月—11月。

從圖2(d)可知,單位水量耗電量和進(jìn)水量、進(jìn)水COD濃度一樣是變化的,在各月份中多數(shù)頻率的單位水量耗電量處于較低水平的,通過(guò)統(tǒng)計(jì)分析得到單位水量耗電量的均值為0.26(kW·h)/m3,低于東北地區(qū)的平均水平0.269 6(kW·h)/m3[15]。為了方便分析,將單位水量耗電量分為高值(0.4～0.5 (kW·h)/m3)、中高值(0.3～0.4 (kW·h)/m3)、中值(0.25～0.3(kW·h)/m3)和低值(<0.25(kW·h)/m3)4類。單位水量耗電量高值主要出現(xiàn)在1月—3月中,出現(xiàn)耗電量>0.4(kW·h)/t的概率較高,同時(shí)可以看出在1月—3月,單位耗電量水平較高,而進(jìn)水量等級(jí)處于5～10級(jí)的變化且5級(jí)的頻率較高,進(jìn)水COD濃度占比等級(jí)基本分布在比較集中的8～12級(jí)且8級(jí)頻率較高,COD處理總量占比等級(jí)主要集中的4～9級(jí)。4月—12月耗電量水平均低于0.4(kW·h)/t,而且各月耗電量集中分布范圍是變化的,低值和中高值的頻率較高,而中值的頻率較低。對(duì)于特定A2O工藝的污水處理廠,要想降低耗電量水平,實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗,可以降低高值、中高值出現(xiàn)概率,增加中值、低值出現(xiàn)頻率。

2.2 二維相關(guān)分析

在D污水處理廠內(nèi),最主要的耗能方式就是電耗,單位水量耗電量是變化的,耗電量受到各種因素的影響,究竟在什么條件下單位水量能耗較低,本研究通過(guò)SPSS統(tǒng)計(jì)分析軟件,分析了單位水量耗電量隨進(jìn)水量等級(jí)、進(jìn)水COD濃度占比等級(jí)以及COD處理總量占比等級(jí)的變化規(guī)律,分析得出能耗使用效率高低的情況,結(jié)果如圖3所示。

從圖3(a)可知,在進(jìn)水量等級(jí)為5級(jí)時(shí),單位水量耗電量最大值為0.47(kW·h)/m3,最小值約為0.2(kW·h)/m3,分布比較分散;進(jìn)水量等級(jí)為6級(jí)時(shí),耗電量變化范圍較小,出現(xiàn)的概率較低,主要分布在0.22～0.4(kW·h)/m3;進(jìn)水量等級(jí)為7時(shí),耗電量變化范圍為0.2～0.4(kW·h)/m3,和等級(jí)為6時(shí)接近,但是頻率較多;進(jìn)水量等級(jí)為8級(jí)時(shí),最大值和7級(jí)差不多,但是主要分布在0.2～0.3(kW·h)/m3;進(jìn)水量等級(jí)為9級(jí)時(shí),最大值較8級(jí)減少較多,最大值<0.3(kW·h)/m3;進(jìn)水量等級(jí)為10級(jí)時(shí),出現(xiàn)頻率也較多,主要分布在0.19～0.23(kW·h)/m3;進(jìn)水量等級(jí)為3級(jí)、4級(jí)時(shí),耗電量也偏低,可能出現(xiàn)這種情況的原因是進(jìn)水量偏低或者是檢修期,污水處理廠僅啟用了兩個(gè)相同的生化系統(tǒng)中的1個(gè),且結(jié)合圖2(a)可知3～4級(jí)出現(xiàn)的概率較低,屬于異常情況,本文不做過(guò)多的分析。從整體耗電量水平可以看出,進(jìn)水量等級(jí)5級(jí)與10級(jí)的耗電量最高值的差距約為一半,隨著進(jìn)水量等級(jí)的提高,最大耗電量也相應(yīng)地減少,耗電量均值也處于逐漸減少的狀態(tài)。因此,可以得出單位水量耗電量隨進(jìn)水量的增加而減小。

從圖3(b)可知,進(jìn)水COD濃度占比等級(jí)在3～7級(jí)時(shí),耗電量水平較低,出現(xiàn)的頻率不高,且單位水量耗電量均值隨進(jìn)水COD濃度占比等級(jí)的提高而提高,結(jié)合圖2可知,進(jìn)水COD濃度占比等級(jí)3～7級(jí)出現(xiàn)頻率很低,不能反映污水處理廠主要的規(guī)律;當(dāng)進(jìn)水COD濃度占比等級(jí)為8～12級(jí)時(shí),單位水量耗電量隨進(jìn)水COD 濃度占比等級(jí)的變化規(guī)律不明顯,單一級(jí)別的單位水量耗電量的變化幅度較大,最低時(shí)單位水量耗電量約為0.15(kW·h)/m3,最高時(shí)達(dá)到0.45(kW·h)/m3,差距為3倍之多;且出現(xiàn)耗電量高值的頻次較少,高頻次耗電量水平主要集中的0.2～0.3(kW·h)/m3。

從圖3(c)可知,在COD處理總量占比等級(jí)為1～3級(jí)時(shí),單位水量耗電量隨COD處理總量占比等級(jí)變化的規(guī)律不明顯;當(dāng)COD處理總量占比等級(jí)為4～13級(jí)時(shí),單一COD處理總量占比等級(jí)的單位水量耗電量最大值均隨著COD處理總量占比等級(jí)的提高而降低,最大值從5級(jí)的0.47 (kW·h)/m3降至13級(jí)時(shí)的0.26(kW·h)/m3,差距接近2倍。亦即COD處理總量越高,單位水量耗電量最大值越低,耗電量分布越集中。

2.3 三維相關(guān)分析

從以上統(tǒng)計(jì)分析可知,單位水量耗電量隨著進(jìn)水量、進(jìn)水水質(zhì)及污水處理程度的變化而產(chǎn)生變化。進(jìn)水量相同,污染物濃度不同或污染物處理程度不同,單位水量耗電量也不同;污染物濃度相同,進(jìn)水量不同或污染物處理程度不同,單位水量耗電量也不同;污染物處理程度相同,進(jìn)水量不同或污染物濃度不同,單位水量耗電量也不相同。那么,什么情況下單位水量耗電量出現(xiàn)高值、中值和低值,接下來(lái)通過(guò)單位水量耗電量與進(jìn)水量等級(jí)、進(jìn)水COD濃度占比等級(jí)和COD處理總量占比等級(jí)三維相關(guān)關(guān)系圖(圖4)來(lái)分析。

(a)

在圖4(a)中,在進(jìn)水量等級(jí)和進(jìn)水COD濃度占比等級(jí)綜合作用下,單位水量耗電量均值在進(jìn)水等級(jí)為5～7級(jí)和進(jìn)水COD濃度占比等級(jí)為9級(jí)～11級(jí)交匯處是最大的;進(jìn)水量等級(jí)在8～10級(jí)與進(jìn)水COD濃度占比等級(jí)8～13級(jí)交匯處,單位水量耗電量低。在進(jìn)水COD濃度占比等級(jí)為10級(jí)、11級(jí)、13級(jí)、14級(jí)時(shí),隨著進(jìn)水量等級(jí)從5～10級(jí),耗電量是逐漸減少的;進(jìn)水COD濃度占比等級(jí)為6級(jí)、9級(jí)和12級(jí)時(shí),單位水量耗電量隨進(jìn)水量等級(jí)的增加出現(xiàn)先增加后減小的趨勢(shì)。整體上單位水量耗電量隨進(jìn)水量等級(jí)的提高而降低;同一級(jí)別的進(jìn)水量等級(jí),單位水量耗電量隨進(jìn)水COD濃度占比等級(jí)的增加出現(xiàn)不規(guī)則的變化。

在圖4(b)中,單位水量耗電量最大值主要集中在進(jìn)水量等級(jí)為5～7級(jí)和COD處理總量占比等級(jí)為3～8級(jí)交匯處;單位水量耗電量最小值主要集中在進(jìn)水量等級(jí)為8～10級(jí)和COD處理總量占比等級(jí)為7～13級(jí)交匯處。同一級(jí)別的COD處理總量占比等級(jí),隨著進(jìn)水量等級(jí)的增加,單位水量耗電量均值基本上呈現(xiàn)減少的趨勢(shì);而同一進(jìn)水量等級(jí),隨著COD處理總量占比等級(jí)的增加,單位水量耗電量的變化不規(guī)則。

在圖4(c)中,單位水量耗電量最大值主要集中在進(jìn)水COD濃度占比等級(jí)為10～11級(jí)和COD處理總量占比等級(jí)的4級(jí)、5級(jí)交匯處;單位水量耗電量最小值主要集中在進(jìn)水COD濃度占比等級(jí)為8～13級(jí)和COD處理總量占比等級(jí)的7～13級(jí)交匯處的COD處理總量占比等級(jí)較大值的范圍。同一級(jí)別的進(jìn)水COD濃度占比等級(jí),單位水量耗電量基本上是隨著COD處理總量占比等級(jí)的提高而減小的,而同一級(jí)別的COD處理總量占比等級(jí),單位水量耗電量基本隨著進(jìn)水COD濃度占比等級(jí)的提高而增加的。

通過(guò)前述分析,可知單位水量耗電量高值主要出現(xiàn)在進(jìn)水量等級(jí)為5級(jí)～7級(jí)、進(jìn)水COD濃度為10～11級(jí)、COD處理總量占比為4～5級(jí)交匯處。這正好與圖2中,1月—3月單位耗電量水平較高,而進(jìn)水量等級(jí)處于5～10級(jí)的變化且5級(jí)的頻率較高,進(jìn)水COD濃度占比等級(jí)基本分布在比較集中的8～12級(jí)且8級(jí)頻率較高,COD處理總量占比等級(jí)主要集中在4～9級(jí)這一現(xiàn)象相吻合。耗電量水平低值主要集中在進(jìn)水量等級(jí)為8～10級(jí)、且進(jìn)水COD濃度占比等級(jí)為8～13級(jí)與COD處理總量占比等級(jí)為7～13級(jí)交匯處的COD處理總量占比等級(jí)的較大級(jí)別處。

3 結(jié)論

1)東北地區(qū)D污水處理廠進(jìn)水量等級(jí)為8級(jí)時(shí)頻率最高;進(jìn)水COD濃度占比等級(jí)出現(xiàn)頻率最高的是11級(jí);COD處理總量占比等級(jí)出現(xiàn)頻率最高的是8級(jí),單位水量耗電量的均值為0.26(kW·h)/m3,略低于東北地區(qū)的平均水平。

2)1月—3月單位水量耗電量較高,相應(yīng)的進(jìn)水量等級(jí)處于5～10級(jí)的變化且5級(jí)的頻率較高,進(jìn)水COD濃度占比等級(jí)基本分布在比較集中的8～12級(jí)且8級(jí)頻率較高,COD處理總量占比等級(jí)主要集中的4～9級(jí)。4月—9月耗電量水平整體較低,中高值和低值出現(xiàn)的頻率較高,而中值出現(xiàn)的頻率較低。

3)單位水量耗電量隨著單位時(shí)間進(jìn)水量、進(jìn)水水質(zhì)及污水處理程度的變化而產(chǎn)生變化。隨著進(jìn)水量等級(jí)從5級(jí)提高到10級(jí),單位水量耗電量隨之減小;COD處理總量越高,單位水量耗電量最大值越低,耗電量分布越集中。

4)單位水量耗電量高值主要出現(xiàn)在進(jìn)水量等級(jí)為5～7級(jí)、進(jìn)水COD濃度為10～11級(jí)、COD處理總量占比為4～5級(jí)交匯處。耗電量水平低值主要集中在進(jìn)水量等級(jí)為8～10級(jí)、且進(jìn)水COD濃度占比等級(jí)為8～13級(jí)與COD處理總量占比等級(jí)為7～13級(jí)交匯處的COD處理總量占比等級(jí)較大值的范圍。

5)本研究統(tǒng)計(jì)分析出能耗及其相關(guān)關(guān)系的變化規(guī)律,揭示了高能耗、低能耗發(fā)生的條件和時(shí)間,對(duì)于污水處理廠運(yùn)行實(shí)踐具有理論參考作用。