华南某污水处理厂能耗分析及节能降耗措施研究

截至2016年9月底, 全国设市城市、县累计建成污水处理厂3 976座, 污水处理能力达1.7亿m³/d^[1]。城镇污水处理属能源密集型行业, 按2011年全国污水处理平均电耗0.292kW·h/m^3[2]、年污水处理量450亿m³估算, 全国城镇污水处理年耗电量高达131.4亿kW·h。对现有污水处理厂进行运营优化和提效改造, 节能降耗潜力极大。本文以华南某污水处理厂为研究对象, 选取2015年1月~2016年6月的生产运营数据, 分析其进水特征、处理效果、能耗特征、电耗与药耗水平, 进而提出可行的节能降耗措施, 可为进水浓度低的南方污水处理厂开展节能降耗工作提供一定的借鉴与参考。

华南某污水处理厂分三期建设, 总设计处理规模40万m³/d, 其中一期10万m³/d, A/O工艺;二期10万m³/d, A²/O工艺, 一、二期的O段均采用的是氧化沟;三期20万m³/d, 改良A²/O工艺;其设计进出水水质如表1所示, 其中一、二期共用一个排放口, TP执行1.5mg/L;三期单独设排放口, TP执行1mg/L。

某污水处理厂进水流量的季节性变化明显, 丰水期主要集中在5~9月, 8月为全年日处理水量最大的月份。2014年日处理水量均值为41.08万m³/d, 2015年上半年日处理水量均值达到46.34万m³/d, 2015年5月、6月的平均日处理水量接近52万m³/d, 处于超负荷运行状态。随着处理水量的增多, 二期二沉池开始出现浮渣挡板被水淹没, 撇渣能力减弱, 增加了出水SS, 使得二期处理能力受到限制。

该厂配套网管为雨污合流管道, 进水污染物浓度低于设计值, 各污染物指标的进水浓度均值、出水浓度范围如表2所示。

由表2可知, 实际进水水质各项指标的最高值比设计进水水质低, COD、BOD₅、SS、TP、TN和NH₃-N仅为设计值的47%、50%、89%、63%、74%和80%。2014年进水BOD₅/COD偏低, 基本在0.2~0.35, 2015年2~6月有所提高, 可生化性尚可。

表2显示:该厂有机物的去除率较高, BOD₅的去除率在90%以上, 出水浓度均值低于5 mg/L;COD的去除率在80%左右, 出水浓度均值稳定在10~30mg/L;NH₃-N硝化完全, 硝化率达到97%以上, 出水NH₃-N浓度很低, 不高于1 mg/L, 远低于出水标准。但出水TN浓度在7~15mg/L, 虽满足出水水质标准, 但去除率仅为30%~45%。出水中的磷在生物除磷后还需要辅助化学除磷, 才能达标排放。其中一、二期视进水TP浓度及生物池出水情况投加, 三期因出水标准较严, 需长期投加。TP去除率为40%~50%, 出水TP在0.6~1.0mg/L。

该厂各期工程有机物浓度沿程变化详见图1。有机物浓度在厌氧段或厌氧/兼氧段下降较多, 好氧池进水的COD、BOD₅浓度与进水浓度相比已降低50%~70%, 此阶段污染物浓度降低主要是因为池中污泥的吸附作用以及池内混合液的稀释。好氧段的去除率仅为30%~50%。从图1中可看出, 好氧段对有机物的去除主要集中在前段, 可生化降解有机物基本被去除, 好氧段的中、后段有机物浓度变化不大。

各期氮素浓度沿程变化如图2所示, 进水中的氮素主要以NH₃-N为主, 进入厌氧/缺氧段后, 由于与NH₃-N浓度很低的内、外回流液混合, 浓度有所降低。而内、外回流带入的硝态氮在厌氧段发生反硝化反应, 使得TN有所降低, 但去除效率仅为30%左右。在一期好氧池进水出现的亚硝态氮, 说明厌氧段反硝化能力有限, 回流液中的硝态氮未完全反硝化去除。进入好氧段后, 水中NH₃-N发生硝化反应, 基本被完全去除。反应也集中在好氧段前段完成, 且生成物中以硝态氮为主, 说明好氧段供氧充足。

因进水含磷低, 污水处理厂的生物池主要用于脱氮, 污泥龄控制时间较长。一期为10~20d, 二期在15~50d, 三期为15~35d, 过长的污泥龄不利于除磷。各期沿程TP、PO₄^3-的浓度变化情况见图3。经过厌氧池后, 一期的TP、PO₄^3-浓度分别提高了14.9%、16.5%, 二期经过缺氧、厌氧阶段后, TP、PO₄^3-浓度分别提高了41.7%、64.65%, 这主要是因为二期厌氧池前增加了缺氧池, 停留时间较长。而三期测得的TP浓度反而降低, 且主要发生在厌氧池, 但PO₄^3-浓度则只是略微降低。总体来说, 生物厌氧释磷作用较弱, 见图3。

按处理工艺、处理规模、水泵运行方式、鼓风机曝气器类型、曝气器布置形式以及处理出水与污泥处置方式, 参照文献[3]构建的城市污水处理厂节能水平评估体系, 该厂被初步评价为国内基本节能等级。该厂污水处理成本主要有电耗、药耗、污泥处理和自来水消耗几个部分, 其中电耗所占比例最高, 约为56.5%;污泥处理是至脱水后的污泥委托有资质公司处理, 其费用占了成本的27.11%;污水处理过程中所投加的各种药剂费用, 占14.41%;自来水消耗约占1.98%。

电耗中有的54.9%为污水生物处理电耗, 包括鼓风机、污泥回流泵、推进器、搅拌器等设备电耗, 其中主要耗能设备为鼓风机;污水提升及初级处理电耗占了39.5%左右, 包含了提升泵和格栅耗电量;另外5.6%为污泥脱水过程中消耗的电量。

药剂消耗则主要包括絮凝剂PAM、除磷剂硫酸铝、消毒剂次氯酸钠。用于消毒的次氯酸钠消耗量最多, 占了药剂费用中的57.3%, 其次为用于除磷的硫酸铝, 占总药剂费用25%, PAM为污泥脱水所用, 用量相对较少, 占17.8%。

由于实际运行中一、二期用电量合并统计, 电耗分析时将一、二期合并分析。一、二期和三期的单位水量电耗分别在0.10~0.20kW·h/m³和0.11~0.26kW·h/m³;单位水量电耗平均值分别约为0.142kW·h/m³和0.156kW·h/m³。BOD₅单位电耗分别为4.71kW·h/kg BOD₅和4.93kW·h/kg BOD₅, COD单位电耗分别约为1.76 kW·h/kg BOD₅和1.85kW·h/kg BOD₅。

对比国内同类污水处理厂电耗^[4,5], 该厂的吨水电耗属于较低水平, 即使是在低能耗地区的华南^[6]也属于较低水平。但该厂进水污染物浓度低, 比文献[4]国内污水处理厂进水水质统计数据中20%分位值还低50%, 这是可能电耗低的主要原因^[7]。但正因为浓度较低, 处理单位污染物需要处理的水量较大, 因此单位污染物削减电耗较高, 即使是在水质普遍偏低的华南地区, 则属于中等偏上水平。该厂电耗主要构成部分污水提升电耗和曝气电耗。

一、二期实际污水平均提升扬程为6.1m, 三期为9.2 m。该厂泵房耗电的统计还包括了粗、细格栅等设备的耗电, 但所占比例很小。污水提升电耗如图4所示, 根据统计^[8], 当扬程在9~12m时, 提升单位水量污水耗电量为0.045~0.06kW·h/m³。但一、二期泵房单位水量电耗均值2014年为0.062 7kW·h/m³, 2015年为0.061 9kW·h/m³;三期分别为0.063 1kW·h/m³和0.060 6kW·h/m³, 明显电耗较高, 有一定的节能空间。

由于一、二期期鼓风机电耗没有单独电表计量, 这里仅对三期曝气电耗进行分析, 从图5可见, 2015年单位水量电耗平均值约为0.082 8kW·h/m³, BOD₅单位水量电耗平均值约为2.449kW·h/kg BOD₅, COD单位电耗平均值为0.918kW·h/kg COD。虽然曝气的单位水量电耗已经属于较低值, 但由于进水水质低, BOD₅、COD单位电耗来偏高, 有较大的节能降耗空间。

该厂采用次氯酸钠消毒, 药耗为15~50g/m³, 2014年一、二期和三期的药耗均值为30.8g/m³, 2015年根据出水水质情况, 调整了投药量后, 药耗均值下降为26.8g/m³。文献[9, 10]数据表明当处理粪大肠杆菌数为2.5×10⁴~1.1×10⁶个的污水处理厂出水时, 投加含10%有效氯的次氯酸钠17.5~18mg/L, 能够满足出水达标要求。由此来看, 消毒剂投加量仍有一定降低可能。

由于除磷药剂用量、效果与污水pH、磷酸盐浓度、药剂自身品质等有关, 因此各污水处理厂用量变化范围较大。该厂采用硫酸铝进行化学除磷, 2014年单位计量耗药年均值为30.8 g, 2015年为26.8g。由于雨季进水中TP浓度较低, 一、二期可以不投药出水TP即可达到排放标准, 因此整体投药量较低。

水厂采用PAM对污泥调理后脱水, 投加量为处理污泥量的0.3%, 与文献[11]最优投加量一致。

由于该厂现状进水污染物浓度较设计标准明显偏低, 部分污染物浓度不足设计标准的1/2, 按前述分析仍有一定的节能降耗潜能, 可从精准曝气、提升泵组合优化、控制投药量等方面进行工艺优化, 以较小能耗保障出水效果。

从对污染物去除效果的分析可知, 好氧段存在曝气过量的现象。该厂曝气控制方式是根据设于好氧段第二段及最后一段前段的DO探头所测得DO浓度的均值来控制曝气管道阀门的开度。根据运行经验, 在保证污水处理效果的前提下, 将DO均值设定为1.5mg/L, 人工调节气量。一、二期及三期好氧池曝气量及DO如图6所示。一期曝气池末端DO基本超过2 mg/L;二期为1.7~3.2 mg/L, 三期为1.8~3.5mg/L。可见好氧段末端DO浓度均偏高, 由于好氧段前端就已完成了硝化及有机物的降解, 后段曝气被大量浪费, 而且过量曝气可能造成活性污泥老化。

同时, DO较高不易营造适合反硝化菌反硝化的缺氧环境, 对TN去除不利。一、二期由于没有内回流, 反硝化主要发生在氧化沟的非曝气区域, 除了水中有机物浓度较低的原因以外, 好氧池中的DO浓度较高也是TN去除率低的原因。三期虽然加了50%的硝化液内回流, 但由于好氧段末端溶解氧较高, 回流后厌氧/缺氧池DO浓度如图7所示, 高于一、二期, 超过0.5 mg/L, TN去除效果比一、二期没有明显提升。因此, 降低好氧段DO浓度, 特别中、后段DO浓度, 还能提高反硝化脱氮能力, 增强高负荷下出水达标的能力。

可优化曝气器布置方式, 针对该厂有机污染物降解和硝化均在好氧段的前段已基本完成, 将现有均匀曝气方式改为中后段曝气量减少, 仅维持必要溶解氧及搅拌作用。可建立生物处理过程模型, 根据在线检测数据, 动态优化曝气量, 实现精确DO控制。如中、后段曝气量减少50%, 即可节省25%的气量, 曝气设备的电耗可降低至0.074 6kW·h/m³。也可在部分好氧段末端增设能耗低的搅拌推进器, 根据需要切换曝气、搅拌推流作用, 以节省曝气费用。

污水提升泵房的电耗偏高, 其主要原因为一、二期及三期污水提升泵扬程选择偏高, 均为14m。造成部分能量被浪费。造成污水提升泵房的利用效率低^[12]。可对实际所需扬程进行核算, 根据核算结果, 将水泵扬程降低。如扬程调整为10m, 则可节省约28%的提升电耗。

此外, 由于采用人工控制泵的启停, 耗费人力, 且不精确。可建设水泵自动控制系统, 合理利用污水管网的调节空间, 高水位运行减少提升高度, 达到节能目的。但应注意给管网运行带来的安全隐患, 应充分利用天气预测数据, 并注意上游管网检查井的液位变化, 在大污水量来临前预降水位。

在保障出水水质达标的同时减少药剂投加量涉及到加药系统的优化。药剂投加量与许多因素有关, 如与菌群数有关, 水温、pH等水环境都会对菌落数有影响, 水中的NH₃-N和有机氮含量也是影响因素^[13]。可深入研究出水中次氯酸钠投加量影响因素, 进一步降低消毒剂消耗。

图8为处理水量对单位水量电耗的影响, 随着处理水量增大, 单位水量电耗呈下降趋势。根据指数曲线拟合结果, 在达到20万m³/d满负荷的处理量时, 单位水量电耗分别约为0.134kW·h/m³和0.169kW·h/m³。而当水量继续增加达到处理构筑物设计流量26万m³/d时, 一二期单位水量电耗为0.121kW·h/m³, 下降10.8%;三期约为0.144kW·h/m³, 下降17.6%。因此, 提高某污水处理厂的处理水量, 有助于降低单位水量电耗。

该厂处理构筑设计流量为平均日流量按总变化系数1.3, 最大处理能力约为52万m³/d。2015年上半年平均处理水量已达46.34万m³/d, 而最高处理水量已达55.93万m³/d。设计参数较保守、实际污染物负荷低, 使得某污水处理厂在超水量负荷时, 仍能保证出水达标。目前雨季时, 一期的平均水量负荷率已超1.25, 尤其是6月, 负荷率最高甚至达1.4;三期的平均负荷率也已超1.255, 接近1.3;但二期的平均水量负荷率仅为1.1~1.15, 从一、三期的运行效果来看, 二期还有一定扩容的潜力。

二沉池溢水是限制二期处理能力提高的主要原因。经初步调查, 二沉池至消毒接触池管路敷设复杂、水头损失较大, 造成了二沉池出流能力低于设计值, 使得池中水位过高。可改造二沉池出水至接触池前端管道, 降低管线的局部水头损失, 增大管道过流能力, 从而提高二期处理能力。若二期的处理能力达到目标处理能力12.5万m³/d, 而一、三期维持现有处理能力, 则日处理能力可增加1~1.5万m³/d。

水中有机物质增加会增加处理负荷, 但可以增加反硝化过程中所需的碳源, 因此部分低碳氮比进水的污水处理厂会采取投加外加碳源的方法保证反硝化反应的顺利进行。由图9可知, 随着BOD₅日处理量增多, 虽然总电耗会增加, 但单位BOD₅电耗呈现降低趋势, 当日处理量达到10t/d时, 降低速度变慢。由图10可知, 2015年进水中有机物浓度有所增加, 单耗都比2014年较高。

该厂场内建有1座粪便无害化处理厂, 处理粪便150t/d。针对该厂可生化性较差, 进水碳源缺乏, 可考虑与粪便厂协同作业, 根据进水BOD₅浓度, 适当增加进水BOD₅含量。虽然单位水量电耗会有所增长, 但由于BOD₅电耗的下降, 实际运行成本增加不大, 不但可改善脱氮效果, 而且还能减少粪便无害化处理厂的处理能耗。

TN去除过程中反硝化效果较差, 其主要原因是生化池无适合反硝化菌的缺氧环境。除降低好氧段末端DO以外, 还可通过优化硝化液和污泥回流比来实现。提高回流比可以为反硝化反应提供充足的硝态氮, 但受碳源限制, 过高的回流比不能提高TN去除率, 还会增加回流提升电耗。

图11显示二期工程的回流比为55%以上, 高于一、三期, 但由处理效果可看出其TN去除效率并无明显增长, 而且在好氧段进水中存在亚硝态氮, 说明厌氧段反硝化不完全。适当降低污泥回流比不会对TN去除效率造成不利影响还能降低回流电耗。同时, 还可以增设回流污泥预浓缩环节, 提高回流污泥内源反硝化的效果, 在不需要外部碳源的情况下, 将回流液中的NO_x^--N浓度进一步降低, 保证厌氧段的反应条件。

华南某污水处理厂现状进水量已经超过设计负荷, 但进水污染物浓度大幅低于设计值, 生产运行良好, 出水满足设计排放标准。该厂单位水量电耗一、二期平均为0.142kW·h/m³, 三期0.156kW·h/m³;BOD₅电耗分别为4.71kW·h/kg和4.93kW·h/kg, COD电耗分别约为1.76kW·h/kg COD和1.85kW·h/kg COD。药剂消耗中次氯酸钠平均投加量为26.8g/m³, 硫酸铝投加量为26.8g/m³, PAM用量投加量为处理污泥量的3%。该厂整体能耗处于国内较低水平, 但由于处理水量大、进水浓度低, 仍具有节能降耗的潜力。占电耗比例较大的曝气和污水提升环节有较大的节能空间, 消毒剂投加量仍待优化。还可通过提高二期处理能力降低污水处理单耗, 增加碳源以改善厌氧/缺氧环境、保障超负荷运转出水水质的稳定性。