城市污水處理廠節(jié)能減排的路徑分析

文_苑建立 牛紀(jì)娥 山東省城建設(shè)計院

截止2021年10月底，山東省建成城市污水處理廠325座，其中正常運行323座、正在調(diào)試2座，全部達(dá)到一級A排放標(biāo)準(zhǔn)。經(jīng)計算，山東省全省污水處理廠日消耗電能約高達(dá)920萬kWh/d，需要消耗標(biāo)準(zhǔn)煤3128t/d，產(chǎn)生二氧化碳8004t/d。一年消耗的標(biāo)準(zhǔn)煤量高達(dá)114萬t，產(chǎn)生二氧化碳292萬t。而每m2成年樹林每天僅可吸收0.1kg的二氧化碳，全省污水廠每日消耗電能所產(chǎn)生二氧化碳需12萬畝成年樹林才能吸收。可見污水處理廠運行中減碳的重點之一就是降低能耗。

1 污水處理廠電耗組成分析

以山東省某新建5.0萬m3/d生活污水處理廠為例，該污水處理廠出水標(biāo)準(zhǔn)達(dá)到一級A標(biāo)準(zhǔn)，處理工藝包含預(yù)處理、生化處理、深度處理、消毒處理及污泥處理等五部分，計算有功功率1281.1kW。各單體計算計算有功功率及電耗占比詳見表1。

經(jīng)表1分析可知，污水處理廠能耗最大的地方在污水提升（包含一次提升及二次提升）、生化處理的曝氣、濾池（含反洗風(fēng)機(jī)、反洗泵）及污泥脫水這四個部分，分別占比16.4%、35.3%、12.8%及14.7%，能耗總和可以占到全廠總電耗的79.4%。主要高能耗設(shè)備是曝氣風(fēng)機(jī)、反洗風(fēng)機(jī)、提升和反洗水泵、污泥脫水機(jī)等設(shè)備，因此污水處理工藝與設(shè)備的選擇是污水處理廠設(shè)計的核心，也是決定污水處理廠能耗高低的關(guān)鍵因素。

表1 污水處理廠各單體計算計算有功功率及電耗占比

2 污水處理廠內(nèi)部控制節(jié)能

2.1 設(shè)計節(jié)能

（1）精準(zhǔn)設(shè)計計算優(yōu)化設(shè)計參數(shù)

精準(zhǔn)計算停留時間、水泵揚程、曝氣風(fēng)量、設(shè)計負(fù)荷等，選擇高效節(jié)能的處理設(shè)備。

（2）合理布置總圖降低水頭損失

將污水處理構(gòu)筑物布置在地勢較低和鄰近排放水體處，減少工藝線內(nèi)的水頭損失，總圖布置緊湊、流暢，縮短管道輸送長度，減少管道的轉(zhuǎn)折、迂回，減少跌水。

（3）設(shè)計多組水處理構(gòu)筑物應(yīng)對水質(zhì)水量變化

多組水處理構(gòu)筑物，對水質(zhì)、水量的適應(yīng)能力強，在低負(fù)荷時可以僅運行一組，節(jié)省能耗。

（4）水泵選擇優(yōu)化

城市污水處理廠的污水來源通常比較復(fù)雜，不同時段的水量變化比較大。設(shè)計前應(yīng)盡量做好調(diào)研工作，掌握水量變化規(guī)律，選擇適當(dāng)?shù)乃脭?shù)量及流量組合。水泵選型時，應(yīng)仔細(xì)研究泵的性能曲線，所選擇泵的工況點應(yīng)落在高效區(qū)內(nèi)。配合正確的調(diào)控方式，可以避免提升泵的頻繁啟停。

（5）曝氣設(shè)計

主要包括：合理選擇曝氣設(shè)備；準(zhǔn)確計算曝氣量；智能調(diào)節(jié)曝氣風(fēng)量，間歇曝氣。

2.2 工藝節(jié)能

開發(fā)應(yīng)用新型節(jié)能新型處理工藝，如昌邑市某污水處理廠采用自養(yǎng)反硝化技術(shù)。某些無機(jī)化能營養(yǎng)型、光能營養(yǎng)型的硫氧化細(xì)菌，可在缺氧或厭氧條件下利用還原態(tài)硫（S2-，S0，SO32-，S4O62-，S2O32-等，不同硫化物的反硝化能力由強至弱分別為S2O32-＞FeS＞FeS2＞S）作為電子供體，通過還原態(tài)硫獲取能量，同時以硝酸鹽作為電子受體，將其還原為氮氣，完成自養(yǎng)反硝化的過程。去除1g硝態(tài)氮需要2.514g硫，產(chǎn)生0.08g有機(jī)氮，生成7.54g硫酸根離子，需要0.34g無機(jī)碳，0.08g氨氮合成反硝化菌；需要消耗堿度4.57g（以CaCO3計）（試驗測試消耗比例2.9～4.6）。

由表2分析，可知自養(yǎng)反硝化經(jīng)營成本較異養(yǎng)節(jié)省約60%，年節(jié)省運行成本約717萬元。

表2 自養(yǎng)反硝化與異養(yǎng)反硝化經(jīng)濟(jì)效益分析對比表

2.3 控制節(jié)能

通過傳感技術(shù)、大數(shù)據(jù)技術(shù)、云計算技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)等數(shù)字化技術(shù)創(chuàng)建工藝模型，工藝模型主要包括除磷加藥模型、污泥回流模型、精準(zhǔn)曝氣模型及加碳脫氮模型等，快速感知水質(zhì)變化，及時智能診斷，精確控制設(shè)備，作出智慧決策，實現(xiàn)智能控制。

智慧化管控平臺建設(shè)完成后，待運行穩(wěn)定后，預(yù)計可實現(xiàn)能耗、藥耗、水耗以及設(shè)備維修等直接費用降低15%以上。

以山東省某10萬t/d水廠為例，應(yīng)用效益分析如下。

（1）人工成本

參照定員配置標(biāo)準(zhǔn)，預(yù)計可節(jié)約60%以上人工成本。

（2）關(guān)鍵設(shè)備用電

該污水處理廠處理關(guān)鍵設(shè)備總計算有功功率為1256kW，工作時間為24h，應(yīng)用智能曝氣系統(tǒng)控制系統(tǒng)、智能污泥回流控制系統(tǒng)前，日耗電費30144元。應(yīng)用后，預(yù)計節(jié)約電費4521.6元/d，節(jié)約率達(dá)15%以上。

（3）藥劑用量

藥劑主要包括除磷劑和碳源，應(yīng)用智能加藥除磷控制系統(tǒng)、智能加碳脫氮控制前，藥劑投加運行費用為8000元，應(yīng)用后，至少節(jié)約藥劑費1200元/d，節(jié)約率達(dá)15%以上。

（4）運行成本分析（表3）

表3 智能系統(tǒng)應(yīng)用后節(jié)約運行成本分析表

本產(chǎn)品全部應(yīng)用后，預(yù)計節(jié)約運行成本7750元/d，折合年創(chuàng)經(jīng)濟(jì)效益282.8萬元。

（5）智能曝氣與智能加藥實例

山東某污水處理廠的處理規(guī)模為40萬m3/d，技術(shù)特點是精確曝氣控制系統(tǒng)升級，增加氨氮優(yōu)化模塊和低負(fù)荷模塊，進(jìn)一步降低曝氣環(huán)節(jié)電耗。

與初設(shè)相比，生物處理段電耗可降低15%以上，約每天節(jié)電7000kWh。通過智能曝氣可達(dá)到年碳減排量約2013tCO2·eq/yr。

該項目中，對于智能加藥環(huán)節(jié)采用的技術(shù)有除磷加藥和尾水消毒，與初設(shè)相比藥耗降低了30%～50%，其中PAC減少了7227t/a，次氯酸鈉減少了1840t/a。通過智能加藥可以達(dá)到年碳減排量2293tCO2·eq/yr。

2.4 再生水回用

2021年1～10月份，山東省共利用城市污水處理廠再生水25.76億t，同比提高32.44%，主要用于工業(yè)企業(yè)、城市綠化、道路清掃、景觀環(huán)境、濕地環(huán)境、補充水源等。

此外，中水還可作為污水源熱泵熱源。冬季污水廠尾水溫度可達(dá)7℃，該部分熱能可用于地源熱泵。可用于大約150萬m2的住宅供熱需求，相較于城市集體供熱，單位熱能可節(jié)省1/4～1/3的煤耗。

2.5 污泥資源化處置

2021年1～10月份，山東省無害化處理污泥86.84萬t（絕干污泥），主要采用焚燒發(fā)電、制磚、制肥、衛(wèi)生填埋等資源化利用方式處置。污泥制作環(huán)保磚，污泥摻比量20%～40%，每塊磚可降低0.04～0.06元。

根據(jù)熱電廠焚燒數(shù)據(jù)顯示，每噸絕干污泥經(jīng)過焚燒后，可產(chǎn)生約900kWh的電能，相當(dāng)于消耗了306kg的煤炭。可在完成污泥減量化、無害化、資源化的同時，對外輸出電力、蒸汽和建材，從而實現(xiàn)污泥的“轉(zhuǎn)廢為能”。全省2021年1～10月份的污泥可經(jīng)焚燒后產(chǎn)生78156萬kWh的電能，可滿足約20000戶家庭的日常用電需求。

2.6 設(shè)備節(jié)能

污水處理廠主要耗電設(shè)備為風(fēng)機(jī)和水泵，提升泵的電耗一般占全廠電耗的10%～20%，是污水處理廠的節(jié)能重點。提升泵的節(jié)能首先應(yīng)從設(shè)計入手，進(jìn)行節(jié)能設(shè)計；對于已投產(chǎn)的污水處理廠，仍能通過加強管理或更換部分設(shè)備進(jìn)行節(jié)能。曝氣風(fēng)機(jī)電耗一般展全廠電耗的20%～30%，鼓風(fēng)設(shè)備主要用于生化池的曝氣，目前國內(nèi)污水處理行業(yè)所用的鼓風(fēng)機(jī)主要有磁懸浮鼓風(fēng)機(jī)、多級離心鼓風(fēng)機(jī)和羅茨鼓風(fēng)機(jī)三種。實施時可采用節(jié)能型的磁懸浮鼓風(fēng)機(jī)。

3 “污水處理廠+光伏”項目的應(yīng)用

3.1 “污水處理廠+光伏”項目可行性

國家明確提出鼓勵污水處理企業(yè)綜合利用場地空間，采用“自發(fā)自用、余量上網(wǎng)”模式建設(shè)光伏發(fā)電項目的指導(dǎo)性意見。污水處理廠建設(shè)太陽能發(fā)電具有集約化用地、自發(fā)自用、用電負(fù)荷高、就地消納、穩(wěn)定性好、融資環(huán)境佳、與水處理廠生產(chǎn)工藝完美結(jié)合等優(yōu)點。國家針對太陽能發(fā)電在用電負(fù)荷區(qū)的建設(shè)和使用提供了大力的政策支持和經(jīng)濟(jì)補助，這也為項目順利實施提供了有利的前提條件。

3.2 “污水處理廠+光伏”項目工程案例

山東省某污水處理廠工程總規(guī)模為4萬m2/d，近期建設(shè)規(guī)模為2萬m2/d，預(yù)留遠(yuǎn)期2萬m2/d。設(shè)計出水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)為地方標(biāo)準(zhǔn)，主要指標(biāo)介于地表水Ⅲ類和Ⅳ類之間。采用先進(jìn)的“預(yù)處理+改良AA/O生化池+二沉池+芬頓氧化+芬頓沉淀池+活性炭濾池+接觸消毒池”的污水處理工藝。全廠總裝機(jī)容量1141.65kW(包括照明、非生產(chǎn)用電及檢修)，運行功率842.71kW，計算有功功率 613.95kW，視在功率為643.16kva(經(jīng)補償后)。

廠區(qū)規(guī)劃用地面積為49447.8m2，預(yù)留遠(yuǎn)期用地面積15475.6m2，可安裝光伏的主要為水池上部空間及建筑物屋面，可用于安裝太陽能板的建筑面積為7100m2。

光伏項目選用單晶硅高效半片光伏組，利用污水處理廠屋頂，水解酸化池、生化池、接觸消毒池、二沉池、芬頓反應(yīng)池及芬頓沉淀池、活性炭濾池池頂上方空間進(jìn)行布置。有效面積為7262m2，可安裝容量1452kW。

光伏發(fā)電系統(tǒng)的生命周期為25年，合計發(fā)電量4239.25萬kWh，年均發(fā)電量為169.57萬kWh。

按年均光照有效利用小時數(shù)按照1600h計算，光伏年均發(fā)電量為QZ=169.57萬kWh。

污水廠有功功率620.39kW。年均光伏發(fā)電中的自用電量Q1=620.39×1600=99.3萬kWh；年均光伏發(fā)電的余電上網(wǎng)量Q2=QZ-Q1=70.27萬kWh，自用電量占光伏發(fā)電總量的比例N=Q1÷QZ=58.6%。

4 結(jié)語

①為加快發(fā)展低碳經(jīng)濟(jì)，實現(xiàn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展模式轉(zhuǎn)型，打造清潔能源綜合示范基地，開展城市污水處理廠節(jié)能減排項目是十分必要的。

②城市污水處理廠能耗最大的地方在污水提升（包含一次提升及二次提升）、生化處理的曝氣、濾池（含反洗風(fēng)機(jī)、反洗泵）及污泥脫水，電耗占全廠總電耗的79.4%。

③污水處理廠內(nèi)部節(jié)能控制措施主要包括設(shè)計節(jié)能、工藝節(jié)能、控制節(jié)能、再生水回用及污泥資源化利用等措施。

④污水處理廠建設(shè)太陽能發(fā)電具有集約化用地、自發(fā)自用、用電負(fù)荷高、就地消納、穩(wěn)定性好、融資環(huán)境佳、與水處理廠生產(chǎn)工藝完美結(jié)合等優(yōu)點，具有很廣闊的應(yīng)用前景。