基于一體化A2O-MBR工藝的高速公路服務(wù)區(qū)污水處理站電耗分析及關(guān)鍵耗能設(shè)備節(jié)能途徑研究

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)過程中產(chǎn)生的大量碳排放是廣大學(xué)者關(guān)心的熱點問題[1-3]。高速公路服務(wù)區(qū)的污水處理因其水量小且波動大、污染物濃度高、出水水質(zhì)要求高等特點,使得其單位水處理能耗相對較高。高能耗間接產(chǎn)生的大量碳排放和高昂運行費用給部分服務(wù)區(qū)的生態(tài)環(huán)境及生產(chǎn)經(jīng)營造成較大壓力,是高速服務(wù)區(qū)碳減排行動中不可忽視的一環(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,提出相應(yīng)節(jié)能途徑,對于降低污水處理站運行成本、實現(xiàn)高速服務(wù)區(qū)碳減排、保證高速服務(wù)區(qū)污水處理站長期穩(wěn)定運行具有重要意義。

一體化A2O-MBR工藝(厭氧-缺氧-好氧-膜生物反應(yīng)池工藝)因其污泥停留時間可自主控制、運行控制靈活,容易實現(xiàn)無人值守下的高標準出水等優(yōu)勢,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行節(jié)能降耗方面的研究還相對較少。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象,通過電能消耗指標評價各單元及設(shè)備能耗情況,對關(guān)鍵耗能設(shè)備進行識別并提出基于精確控制下設(shè)備節(jié)能途徑,以期對同類高速服務(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)備采用全流程自動化運行及遠程監(jiān)控,可最大限度實現(xiàn)無人值守。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,達到山西省《污水綜合排放標準》(DB14/ 1928-2019)生活污水水污染排放限值。進出水水質(zhì)指標如表1所示。

表1 進出水水質(zhì)指標

圖1 污水處理工藝流程

2 能耗分析

2.1 能耗分析方法

采用噸水能耗指標及單位污染物能耗指標對污水處理站能耗情況進行計算統(tǒng)計。

其中噸水能耗(kWh/m3)計算公式為

噸水能耗=W/Q

(1)

式中:W為單位時間耗電量,kWh;Q為單位時間處理水量,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。由于各類型水質(zhì)污染物濃度不同,為方便計量,將氨氮及COD均統(tǒng)一至單位污染物能耗[kWh/(kg污染物)]比較,計算公式為

單位污染物能耗=
W/(MA×4.57+MC)

(2)

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

2.2 總體能耗分析

對服務(wù)區(qū)的日電耗情況進行為期一個月統(tǒng)計,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

對服務(wù)區(qū)污水處理站不同單元及不同設(shè)備的能耗進行分析,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)機運行能耗最高,占到該單元能耗的69.1%,占污水處理站總能耗的57.05%,高于同類工藝占比[8]。其中,好氧池風(fēng)機及膜曝氣風(fēng)機分別占到總能耗的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%。

對各單元高能耗設(shè)備進一步研究發(fā)現(xiàn),在預(yù)處理單元中,提升井提升泵主要用于對污水的提升,在運行過程中僅由液位控制,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)機對于調(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。此外,同提升井提升泵類似,深度處理單元中主要耗能的介質(zhì)過濾泵在運行過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)機及膜曝氣風(fēng)機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。但在實際運行過程中,污水處理站峰值運行時間僅占全年運行時間的8.2%,大部分時間處于低負荷運行狀態(tài)。由圖4可知,服務(wù)區(qū)日均污水水量為0.9 m3/h,該流量僅為調(diào)節(jié)池水泵設(shè)計流量的15%,水泵運行效率較低。

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)閥門及手動調(diào)節(jié)閥門兩種模式控制調(diào)節(jié)池水泵的運行。其中,不調(diào)節(jié)閥門模式是指在運行過程中不對調(diào)節(jié)池水泵的出水流量進行控制,水泵按照額定流量和揚程運行。在該工作模式下典型周期內(nèi)運行情況如圖5所示。由圖5可知,當(dāng)初始液位值均為2 m時,不調(diào)節(jié)閥門模式雖然能將調(diào)節(jié)池內(nèi)污水及時處理,但由于調(diào)節(jié)池水泵運行水量遠大于服務(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%的時間因液位過低而處于停止運行、等待調(diào)節(jié)池液位升高的狀態(tài)。較大且無規(guī)律的水量波動導(dǎo)致污水處理站COD出水濃度為(75±20) mg/L,無法穩(wěn)定滿足設(shè)計出水水質(zhì)標準。

圖5 不同控制方式下調(diào)節(jié)池液位高度變化情況

手動調(diào)節(jié)閥門模式即通過手動方式控制調(diào)節(jié)池水泵的出水流量,其運行情況如圖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)水量達到6.75 m3?？梢?與不調(diào)節(jié)閥門模式相比,手動調(diào)節(jié)閥門可有效緩解水泵出水流量與服務(wù)區(qū)污水水量的矛盾。但由于無法根據(jù)服務(wù)區(qū)日污水水量對調(diào)節(jié)池水泵流量進行實時調(diào)整,在長時間運行過程中,亦會出現(xiàn)調(diào)節(jié)池超出調(diào)節(jié)范圍、生物處理單元無水可處理或處理不及時的情況。

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,這不僅無法保證后續(xù)生物處理單元的穩(wěn)定運行,也使得調(diào)節(jié)池水泵運行有效利用率較低。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)實際情況開發(fā)液位傳感器與變頻調(diào)速聯(lián)動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、變頻水泵等進行聯(lián)動控制,并通過算法使得PLC通過調(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時液位值與00:00時液位值液位差僅為0.002 m。對調(diào)節(jié)池液位進行21天統(tǒng)計顯示,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,相較前兩種運行模式,精確控制模式可有效避免調(diào)節(jié)池出現(xiàn)調(diào)節(jié)失效的問題。同時,相對恒定的水量負荷保證了后續(xù)生化處理單元運行的可靠性。水質(zhì)檢測結(jié)果顯示,COD出水濃度穩(wěn)定維持在(25±10) mg/L,滿足設(shè)計標準。

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)改造后日均耗電量僅為6.72 kWh/d,是未調(diào)節(jié)閥門的81.45%,比手動調(diào)節(jié)閥門降低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)機能耗分析及優(yōu)化措施

諸多研究表明,相對較低的溶解氧濃度可在反應(yīng)器內(nèi)實現(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)機能耗[9-10]。實際運行結(jié)果表明,當(dāng)溶解氧濃度達到1.5～3.0 mg/L時,氨氮及COD出水濃度分別為1.8 mg/L及38 mg/L,即滿足設(shè)計出水水質(zhì)標準。污水處理站改造前好氧池溶解氧的控制主要通過手動方式進行,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)溶解氧濃度波動極大,溶解氧濃度最大值與最小值差值達到8 mg/L,這可能是由于在手動控制條件下,污水處理站運行人員無法根據(jù)水量及水質(zhì)變化對曝氣強度做出及時且精確的調(diào)整所致。5月29-30日,由于運行人員沒有對供氣量進行干預(yù),池內(nèi)溶解氧濃度大幅升高并最終維持在10 mg/L左右,該值遠遠高于最優(yōu)運行值。由此可見,過度且不均衡的曝氣是造成好氧池風(fēng)機能耗較高的主要原因。

圖7 精確控制前后溶解氧變化曲線

調(diào)節(jié)管路控制閥及改變風(fēng)機本身特性是優(yōu)化風(fēng)機運行能耗的兩種方法。相較于改變風(fēng)機本身特性,調(diào)節(jié)管路閥門會使得風(fēng)壓增大,造成能量浪費。同時,調(diào)節(jié)風(fēng)量控制閥不僅勞動強度大、設(shè)備工作頻繁,而且其精確性、時效性及設(shè)備穩(wěn)定性均有待提升,不滿足高速服務(wù)區(qū)污水處理站運行要求。因此,通過改變風(fēng)機的性能特性優(yōu)化風(fēng)機運行狀態(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、變頻控制器及控制系統(tǒng),并通過圖8邏輯運行。

圖8 好氧池風(fēng)機精確控制系統(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)溶解氧儀所測得的數(shù)值作為反饋信號,PLC通過計算反饋信號與調(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)機的變頻控制器上,進而通過將需氣量與供氣量相匹配,實現(xiàn)對風(fēng)機曝氣量的精確控制。

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,通過精確控制系統(tǒng)可使溶解氧曲線穩(wěn)定維持在1.5～3.1 mg/L的范圍內(nèi),無較大波動,與改造前相比,單位小時供氣量由68 m3/h下降至47 m3/h,節(jié)氣率達到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,膜曝氣強度的增加雖可通過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,若曝氣氣量過小,則膜絲會因為吹掃風(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,進而使得單位水處理能耗升高[8]。因此,在膜曝氣強度、膜污染和生物處理效率之間尋求平衡點是降低膜風(fēng)機能耗的解決途徑。

污水處理站運行時發(fā)現(xiàn),膜產(chǎn)水開停時間比與膜壓力之間具有相關(guān)性:當(dāng)產(chǎn)水泵以開8 min停2 min模式運行時,設(shè)備運行的14 d內(nèi),膜壓力隨著運行時間的加長而呈現(xiàn)逐漸升高的趨勢,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4 min停1 min模式運行時,相同時間內(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?膜產(chǎn)水泵開4 min停1 min的運行方式,可在不減少有效產(chǎn)水工作時間的同時,維持較長時間的低壓力水平,膜污染的風(fēng)險也相對較低。這可能由于相較4 min的抽吸時間,8 min這一較長的抽吸時間使得污染物持續(xù)沖擊膜孔徑,導(dǎo)致膜孔徑單位周期內(nèi)污染物負荷較高,進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)水泵開停時間比由開8 min停2 min改為開4 min停1 min,并以減少膜曝氣強度的方法,探索膜風(fēng)機風(fēng)量節(jié)能降耗水平(圖9)。

圖9 不同曝氣強度下膜壓力及能耗對比

由圖9可知,當(dāng)膜風(fēng)機曝氣強度由5 m3/(m2·min)降低至3 m3/(m2·min)時,7 d后膜壓力無明顯變化,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,滿足出水水質(zhì)標準。這說明膜風(fēng)機風(fēng)量已超過膜絲吹掃及生化反應(yīng)所需氣量,曝氣量過大,造成能源浪費。當(dāng)曝氣量由3 m3/(m2·min)降低至2 m3/(m2·min)時,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)險增大?；谏鲜鲅芯砍晒?污水處理站通過變頻控制器調(diào)整曝氣強度至3 m3/(m2min)。運行結(jié)果表明,優(yōu)化后相應(yīng)膜風(fēng)機能耗降至48 kWh/d,降幅達33.3%。

4 污水處理站綜合運行能耗分析

對服務(wù)區(qū)污水處理站改造前后的運行能耗及綜合經(jīng)濟效益進行對比分析,結(jié)果如表3所示?？芍?通過對風(fēng)機及調(diào)節(jié)池水泵的精確控制,可實現(xiàn)每年節(jié)約電能1.87萬kWh,折合碳排放量減少約為1.94萬kgCO2[12],單位污染物能耗2.05 kWh/kg污染物,降低26.52%。該指標略優(yōu)于相同工藝下的實際值。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。進一步分析得出,年經(jīng)濟效益為1.12萬元,單位水處理成本降低0.52元,節(jié)能減排效果明顯。還可通過調(diào)整污泥回流參數(shù)及曝氣分布等方法對污水處理站能耗進一步優(yōu)化。

表3 綜合效益對比

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) 實際運行結(jié)果表明,污水處理站中調(diào)節(jié)池水泵、好氧池曝氣風(fēng)機及膜曝氣風(fēng)機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反饋的變頻風(fēng)機的運行機制,可實現(xiàn)對調(diào)節(jié)池水泵、好氧池曝氣風(fēng)機的精確控制,分別實現(xiàn)62.6%及45.7%的能耗降幅。

4) 通過優(yōu)化膜曝氣風(fēng)量至3 m3/(m2·min),可減少無用曝氣,實現(xiàn)能耗較原來降低33.3%。

5) 通過對污水處理站關(guān)鍵設(shè)備的精確控制,可實現(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kWh,碳排放量減少1.94萬kgCO2,節(jié)約費用1.12萬元,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,實現(xiàn)服務(wù)區(qū)污水處理站能源消耗的進一步降低及運行效能的優(yōu)化。