市政污水处理厂节能粗评估方法研究
导读
构建节能粗评估方法，在众多运行的污水处理厂中找到节能空间较大的，集中力量和资源减低其电费成本，通过逐渐降低有节能空间的污水处理厂电费。构建的节能粗评估方法主要针对进水提升单元和生物处理单元，从运行调控和设备配置两方面进行计算，考虑了运行水位、污泥浓度、设备效率等影响因素，通过计算优化条件下的功率与实际功率之间的差值，找到节能空间较大的污水处理厂。为验证该方法有效，从100多座污水处理厂中筛选出4座采用该方法进行计算，结果显示B厂的节能空间最大，对B厂进行详细分析后，通过调整水泵运行水位、优化排泥等方法将该厂的电耗降低了15%，证明了构建的节能粗评估方法的有效性。
0前言
随着城镇水务市场化发展，集中运行多座污水处理厂的集团型水务公司数量不断增加，管理难度逐年增大。为使各个水厂的运营维持有质量可持续发展，需保证成本支出科学合理，其中电费成本在市政污水处理厂的生产成本中占比较大，需要重点解决。因此急需构建城市污水处理厂节能粗评估方法，以便在众多污水处理厂中找到节能空间相对较大的污水处理厂，集中力量和资源降低其电耗，通过逐渐改善有空间的污水处理厂电耗，从而降低公司整体的电费成本支出，提高整体运行管理水平。但由于影响城市污水处理厂电耗的因素很多，例如处理规模、产能负荷率、进水水质、出水标准、处理工艺、设备配置等，单从污水处理厂的电耗指标数值无法判断是否有节能空间，因此需要在众多因素中找到可优化的关键因素，确定可行的分析方法，从而构建体系化且有效的市政污水处理厂节能粗评估方法。
1目的、原则和评估对象
1.1 构建目的
主要目的是建立剔除各污水处理厂不能改变的设计因素和环境因素，仅对能够通过工作改善以获得节能效果的重要因素进行分析,构建可普适应用的节能粗评估方法和原则，以便在众多的市政污水处理厂中筛选出节能空间较大的污水处理厂，集中资源解决问题。
1.2 构建原则
客观性原则: 尽量剔除不可控的影响因素，找到能通过管理提升和技术更新解决的节能空间，并且仅关注项目自身，不关注横向对比。
重要性原则：采用抓大放小的原则，首先关注节能节费空间较大的生产环节和影响因素，可随着管理水平不断提高再逐渐完善。
可操作性原则: 要求该体系的指标精炼，计算简便，能够在各污水处理厂均能提供的数据基础上进行计算。
信息沟通原则:该体系的评估结果能够反馈有价值的信息，能够指导并确定下一步工作方向。
平衡性原则: 要求该体系的短期战略目标与污水处理厂的长期目标相一致，避免追求眼前利益损害长期利益的情况出现。
1.3 评估对象
基本实现稳定达标的污水处理厂，出水水质达标率达到90%以上。
城镇污水处理厂，工业废水比例小于40%。
2指标体系
2.1 各处理单元的电耗分析
某座典型城市二级污水处理厂的电耗分布如表1所示。
表1 某典型城市二级处理污水处理厂电耗分布
各主要工艺单元的电耗占比显示进水提升和生物处理单元的电耗是污水处理厂电耗占比最高的两个处理单元，因此将进水提升和生物处理作为节能粗评估重点关注的两个处理单元。
2.2 影响因素的分析
城镇污水处理厂电耗的影响因素，分别为环境因素、设计因素、运行调控因素和设备配置因素。其中进水水质和进水水量等属于环境因素，处理工艺、设计规模和排放标准等属于设计因素，在一座稳定运行的污水处理厂中环境因素和设计因素是不可优化因素，不会随着运行调控水平的提升和设备配置的改善而有所改变，因此节能粗评估中不考虑此类不可优化因素。
运行调控和设备配置为可优化因素，可通过提高运行调控水平或改善设备配制而降低电耗。通过各处理单元的电耗占比分析，运行调控和设备配置锁定进水提升和生物处理两个主要耗电单元。其中这两个单元在运行调控过程中影响电耗的主要因素为水泵的运行水位、溶解氧控制、污泥浓度控制等，设备配置相关的影响电耗的主要因素为进水泵、曝气风机和曝气头等设备的型号，设备参数与实际工况的符合度、设备本身的效率等。
因此根据抓大放小、不断完善的原则，节能粗评估主要考虑进水提升和生物处理两个处理环节中能通过运行调控改善和设备配置改善能够提高的影响因素，即进水提升单元中的运行水位、生物处理单元中的溶解氧控制和污泥浓度控制等运行优化因素，以及提升泵效率、曝气设备效率等设备配置因素。
2.3 评估指标的确定
通过以上分析，初步构建了节能粗评估指标体系，具体如表2所示。
表2 粗评估指标体系
3评估方法
3.1 工艺运行电耗空间的评估方法
（1）进水提升电耗空间的评估方法。在水泵没有更换的前提下，将运行状态由低水位运行改变为高水位运行会降低电耗。改变运行水位引起的电耗变化可根据式（1）计算：
式中 P提升变化——提升功率变化，kW·h；
Q——提升水量，m³/h；
H变化——提升水位变化，m
η——水泵效率，%。
（2）生物处理电耗空间的评估方法。生物池中MLSS和MLVSS反映了污泥的有效性，MLSS过高，并且MLVSS/MLSS比值较低，说明池中有效污泥过少，惰性污泥会影响氧传质效率，需要增大曝气量来维持运行，从而增加电耗。理论污泥浓度可通过式（2）计算：
式中 Q——进水量，m³/h;
X——反应池混合液浓度，mg/L；
Si——进水BOD5浓度，mg/L；
Se——出水BOD5浓度，mg/L；
θd——污泥龄，d；
Yt——污泥产率，kgSS/kgBOD5；
Vo——好氧池容积，m³。
将实际污泥浓度与理论污泥浓度进行对比，若超过50%，则认为污泥浓度控制的过高。测试并计算MLVSS/MLSS比值，若该比值小于0.5，则认为该厂需要排泥，减小惰性污泥的占比。
惰性污泥在超过3 000 mg/L，每增加1 000 mg/L影响氧转移效率降低20% (3)，假定影响电耗增加10%，可按照理论MLSS和MLVSS/MLSS为0.5核算理论MLVSS。由MLVSS引起的电耗变化可通过式（3）计算：
式中 P曝气变化——曝气功率变化，kW·h；
MLVSS变化——实际MLVSS与理论MLVSS的差值；
P曝气——曝气功率，kW·h。
3.2 设备配置电耗空间的评估方法
（1）进水提升泵电耗空间的评估方法。关注运行年限较长，提升水量和提升高度已经下降比较明显的水泵，根据实际运行的水量和扬程，选择符合实际要求的高效水泵，并确定其效率。更换水泵前后的电耗变化可按式（4）计算：
式中 P水泵变化——水泵更换的功率变化，kW·h；
Q——提升水量，m³/h；
H——提升水位，m；
η新水泵/旧水泵——新旧水泵效率，%。
（2）风机的电耗空间的评估方法。关注运行年限较长，且型号比较老旧的风机，例如多级离心、罗茨等低效风机。根据实际运行所需的水量和水质，确定符合实际要求的高效风机的型号，确定其功率。更换风机前后的电耗变化可按式（5）计算：
式中 P风机变化——风机更换的功率变化，kW·h；
P新风机/旧风机——新旧风机功率，kW·h；
T运行时间——运行时间，h。
3.3 全厂电耗空间的评估方法
全厂节能空间主要由以上4项因素组成，因此可根据式（6）进行计算：
4结果示例和应用
在100多座污水处理厂中筛选出4座污水处理厂用以上评估方法进行计算。评估结果如图1所示。
图1 示例污水处理厂评估结果
4.1 评估结果
（1）根据评估结果，B厂的可优化电耗空间最大，可在提高提升泵运行水位、加强排泥、提高水泵和风机的设备效率等方面进行深入分析和诊断。
（2）4座污水处理厂均在曝气优化方面存在较大优化空间，可进一步在溶解氧控制和污泥浓度控制等方面开展工作。
4.2 结果应用
（1）根据该方法确定以B厂作为重点水厂开展节能优化工作。
（2）针对B厂的实际情况进行深入分析和诊断，根据诊断结果确定以下调整方案，第一阶段保证进水提升泵在高水位下运行、加强排泥并同步检测MLVSS和MLSS，逐渐使MLSS和MLVSS＼MLSS贴近理想值，在此基础之上，逐步调整曝气量，使好氧池末端DO控制在2左右。第二阶段由于水泵使用年限较长，效率已大幅下降，更换高效率水泵可取得较好的节能效果，且经过计算后投入回收期在2年之内，因此确定更换水泵。在以上方案的执行下，B厂单位水量电耗下降15%，由0.4 kW·h/m³降至0.34 kW·h/m³。
5结论
（1）构建的节能粗评估方法，可初步计算各污水处理厂的节能空间，优先找到节能空间较大的污水处理厂进行详细诊断，例如文中的4座污水处理厂经过计算后，优先对B厂进行详细诊断。
（2）构建的节能粗评估方法，能够大致指明节能优化的大致方向，例如文中的B厂第一阶段先调整进水提升泵运行水位，保持高水位运行，加大排泥减小无效电耗。第二阶段更换高效率的水泵。取得了较好的节能效果。
（3）节能粗评估方法是依据客观性原则、重要性原则、可操作性原则、信息沟通原则、平衡性原则构建的，目前主要针对进水提升和生物处理两个环节，可随着管理精度的提高，逐渐改善并补充内容。
对原文有修改。原文标题：市政污水处理厂节能粗评估方法研究；作者：刘芳、王光辉、郑鹏凯；作者单位：北京首创生态环保集团股份有限公司。刊登在《给水排水》2020年第11期。
