城市污水厂全流程节能降耗示范工程分析

节能减排城市污水厂全流程节能降耗示范工程分析刘礼祥1,2,　张金松1,　黄凌军1,　施汉昌2,　何　苗2(1.深圳市水务集团有限公司,广东深圳518031;2.清华大学环境科学与工程系,北京100084)　　摘　要:　以深圳市某污水处理厂为案例,全面介绍了全流程节能降耗技术的应用,包括节能关键点识别方法、离心风机精确曝气控制与转刷时序控制等技术。运行实践表明,加强对运行操作人员的培训对建立节能降耗长效机制非常重要;全流程节能降耗工作的开展,要以水质稳定达标为前提,在此基础上首先应尽量通过工艺优化手段节能,然后再通过评估确定硬件升级的必要性。　　关键词:　城市污水厂;　节能降耗;　精确曝气控制;　风机;　三沟式氧化沟中图分类号:703.1　　文献标识码:　　文章编号:1000-4602(2010)18-0134-05-1,2,　-1,　-1,　-2,　2(1...,518031,;2.,,100084,)　　:　,-,--,,-.-..,,.　　:　;　;　;　-;　　　基金项目:“十一五”国家科技支撑计划重点项目(20061906)　　国家“十一五”科技支撑计划重点项目———“城市污水处理厂的节能降耗技术”课题是针对我国污水处理行业的具体状况,通过新工艺的研发应用、运行的优化调控、设施设备的改造、先进控制手段的采用,开展相关节能降耗关键技术研究,并在此基础上进行城市污水处理厂全流程节能降耗技术集成,为全国污水处理厂的节能降耗及运营优化提供技术支撑[1]。该课题在深圳某污水处理厂进行了节能降·134·第26卷　第18期2010年9月　　　　　　　　　　　　中国给水排水　　　　　　　　　　　　　.26.18.2010耗综合示范。1　示范工程背景介绍考核指标要求示范工程经技术改造优化运行后,稳定运行半年以上,出水水质达到国家一级排放标准,其中氨氮达到一级排放标准,污水处理总能耗比现有系统降低10%以上。示范工程所在厂隶属于深圳市水务(集团)有限公司,是深圳市政府进行环境治理的重要工程之一,总占地面积为14.532,服务人口为65万。该厂总设计规模为35×1043/,分两期建设:一期采用工艺(其中段为工艺),设计规模为10×1043/,于1998年投入运行;二期采用厌氧池/三沟式氧化沟工艺,设计规模为25×1043/,于2001年投入运行。该厂有多年稳定运行经验,积累了大量的历史数据,便于节能降耗对比分析,且该厂所采用的工艺及氧化沟工艺,在国内应用较多,选择该厂开展全流程节能降耗工作较为理想。主要工艺设备、仪表的正常运行是节能降耗优化运行的先决条件。在开始示范改造之前,课题组对该厂主要设备及仪表状况进行了全面调研。调研结果表明:该厂主体设备均为进口设备,现状设备基本能够满足正常生产需要;由于原有仪表使用及维护频率较低,且进口仪表维护成本较高,所以原有仪表已经基本报废;近两年,深圳水务集团为强化内部管理与精细化控制,正分批对下属各污水厂的在线仪表进行更新,目前该厂及等在线仪表已更新完毕,基本能满足课题需要。2　全流程节能降耗单元技术改造2.1　全流程节能降耗关键要素识别全流程节能降耗工作开展的前提是进行节能关键要素识别[2]。一般污水处理厂污水提升能耗占总能耗的10%～20%,污水生物处理能耗(主要用于曝气供氧)占总能耗的50%～70%,污泥处理占总能耗的10%～25%[3、4]。根据调研及该厂实际生产数据,将节能降耗工作分配到一期单元(含鼓风机房)、二期三沟式氧化沟单元、脱水机房及提升单元四部分,工作重点放在供氧能耗较高的单元及三沟式氧化沟单元。该厂单元采用风机供氧,氧化沟采用转刷与水下推进器进行供氧与混合推流。图1为未实施转刷时序控制前典型的三沟式氧化沟处理水量与溶解氧24变化曲线。图1　三沟式氧化沟工艺处理水量与溶解氧24变化曲线.1　24　　由图1可知,三沟式氧化沟全天水量变化幅度较大,峰值一般出现在24:00,谷值一般出现在3:00—8:00。氧化沟内在6:00—11:00出现明显突跃现象,这是由于转刷未进行时序控制而无法实时响应进水负荷变化产生的,通过转刷时序控制有望在此段时间降低供氧能耗。一期虽然处理水量基本稳定,但受进水水质变化的影响,在6:00—12:00期间也会出现类似峰值现象。据此,确定生化单元节能关键要素为根据进水负荷的时变化规律,通过风机精确曝气控制及转刷时序控制大幅降低供氧能耗。由于工艺吨水处理单耗较低而氧化沟能耗较高,2007年该厂通过水量调度,让工艺满负荷运行而三沟式氧化沟变负荷运行,以期降低全厂综合单耗。从2007年的实际处理结果看,一期工艺单耗确有大幅下降(降低26.51%),但二期氧化沟工艺由于尚未开展转刷时序控制工作而单耗显著上升(上升13.62%),从而导致全厂综合单耗降低非常有限(仅0.86%);对比两组工艺出水水质还发现,氧化沟工艺出水水质明显优于工艺。因此,确定一、二期节能优化运行的总体调控思路如下:一期维持低能耗满负荷运行,通过工艺优化提高出水水质;二期氧化沟在保证出水水质的同时,降低运行能耗。以期在稳定提高出水水质的同时,实现全流程节能降耗目标。2.2　一期精确曝气控制技术改造该厂在一期工程设计中对工艺均考虑了精·135·..刘礼祥,等:城市污水厂全流程节能降耗示范工程分析第26卷　第18期确曝气控制(见图2),且主体设备基本安装到位,但在调试过程中出现了较多问题,最终未能实现。图2　一期工艺原有精确曝气控制系统.2　-　　通过现场调研发现,当时调试中出现的主要问题是在线溶氧仪运行不稳定,且工艺各单元均参与控制,从而导致整个控制系统较为复杂;另外,溶解氧反馈控制的配气阀门线性度较差,难以满足控制要求;最后,由于阀门的频繁调整,导致风管内风压显著变化,风机经常性出现喘振等不稳定现象。针对以上问题,课题组对原有系统进行了如下调整:首先,由于段供气量仅为段的供气量的1/10,且段曝气量对整体处理效果影响较小,因此仅对段(即工艺)进行精确曝气,简化控制系统以提高控制稳定性;其次,针对两组池配气阀门线性度较差的实际情况,抛开信号对阀门的直接控制,消除因阀门线性度差而出现的控制稳定性问题,仅用手动调整配气阀门以改善配气均匀性;最后,将两组池在线信号直接接入主控制柜,通过编程计算转换为设定风压值,让主控制柜根据实际风压与设定风压差异调整各台风机导叶开度,从而实现改良型的压力与溶解氧的双重反馈控制系统。该新型精确曝气控制系统通过4个多月的调试运行,经历了水质、水量等负荷变化,虽然曲线并不能稳定呈线性变化,但在出水水质稳定达标的前提下大幅降低了处理供氧单耗。图3为一期工艺2008年与2009年(运行精确曝气控制系统)同期水量与风机电耗对比。由图3可知,一期工艺采用精确曝气控制后,虽然处理水量下降了0.42×1043/,但供氧单耗由0.0667·/3降至0.0480·/3,下降了27.95%,仅100余天就节电20.70×104·,节能效果显著。尤其值得一提的是,该系统的优化改造几乎没有增加任何硬件设施,仅通过改变原有控制策略即实现了可观的节能效果,值得类似污水厂在全流程节能降耗技改中推广应用。图3　一期工艺2008年与2009年同期处理水量与风机电耗对比.3　200820092.3　二期三沟式氧化沟转刷时序控制技术改造示范工程中三沟式氧化沟为深沟型氧化沟(有效水深为5.8),采用转刷曝气与水下推进器混合推流,运行模式为8的6阶段交替运行(每半个周期时间依次为1.5-1.5-1)。每组氧化沟配置了28台转刷(其中边沟各10台,中沟8台)及16台水下推进器(其中边沟各6台,中沟4台)。为实现对三沟式氧化沟的节能优化控制,必须对控制系统进行相应的简化:首先,由于水下推进器功率远小于转刷,且对于深沟型氧化沟而言,水下推进器对混合搅拌更为有利,因此在节能优化控制中不对水下·136·第26卷　第18期　　　　　　　　　　　　　　中国给水排水　　　　　　　　　　　　..推进器进行时序控制,实现转刷曝气与水下推进器推流功能的相对独立,转刷时序控制不受水力流态限制,而仅取决于需氧量,此控制方式使得氧化沟的曝气与混合能量控制更为简单合理;其次,由于边沟转刷在一个周期内仅曝气1.5,在整个氧化沟转刷能耗中所占比例较小,且其曝气效果直接决定出水水质,因此在控制策略中,不对边沟转刷进行时序控制,而仅对中沟连续运行转刷进行控制。通过以上简化思路,将整个氧化沟内28台转刷与16台水下推进器控制简化至中沟8台转刷控制。但转刷数量仍较多,且转刷运行台数与位置对氧化沟内分布影响非常大,为此,研究了5台转刷以不同布置方式运行时氧化沟内的分布规律(见图4)。图4　氧化沟内不同转刷布置形式对分布的影响.4　由图4可知,氧化沟内分布受转刷开启位置影响较大,在不同转刷布置形式下,整个氧化沟内各取样点重现性非常差,难以依靠单点安装在线来实现精确曝气控制。由于各点都无法代表整个氧化沟内溶解氧总体水平,因此即使在多点安装在线,也无法利用曲线进行转刷精确曝气控制。虽然单点绝对值无法代表氧化沟内溶解氧水平,但需要指出的是,转刷开启台数的变化还是会影响到各点的整体水平;且在相同的转刷开启台数下,水量大幅波动也会直接影响各点的整体水平。鉴于此,在对转刷进行时序控制时,保证在线安装点上方转刷长期处于开启状态[该厂在线仪安装在2号取样点,因此维持(2)号转刷长期开启],通过2号取样点在线整体水平变化可以间接反映沟内溶解氧水平,由此解决了氧化沟内分布不均对控制稳定性的影响。需要指出的是,本控制方法不是利用在线直接反馈控制转刷开启台数,而是将在线作为转刷开启数量的判据之一。由于氧化沟内溶解氧水平在一天之内的时变化规律主要取决于进水量的大幅波动,其次是进水水质的波动,因此在实际控制过程中,转刷的开启台数主控因子为进水提升泵的开启台数(该厂进水提升泵均未安装变频器),在提升泵开启台数发生变化时(考虑1左右的滞后性),操作人员可以根据改变提升泵开启台数后的总体变化规律对转刷进行时序控制:当提升泵数量增加时,若明显下降则增开转刷;当提升泵数量减少时,若明显上升则减少转刷开启台数;若相对稳定则维持转刷开启台数不变。此控制策略虽然没有利用在线实现对转刷的闭环控制,也没有一期工艺精确曝气控制精度高,但抓住了氧化沟转刷能耗控制的关键点,通过进水量的大幅波动及在线的间接判断调整转刷开启台数,实现转刷时序控制;在不增加额外的硬件设备条件下,仅通过操作人员每天为数不多的几次优化调整,即可达到较为理想的节能效果。图5为二期氧化沟工艺2008年与2009年同期用电量与单耗对比。图5　二期氧化沟工艺2008年与2009年同期用电量与单耗对比.5　20082009·137·..刘礼祥,等:城市污水厂全流程节能降耗示范工程分析第26卷　第18期由图5可知,采用转刷时序控制可在一定程度上降低氧化沟处理单耗(由2008年的0.1739·/3下降至2009年同期的0.1587·/3),总体下降8.76%,下降幅度不如风机精确曝气控制,2个月仅节电15.18×104·;需要指出的是,2009年氧化沟吨水处理单耗还与氧化沟日均处理水量大幅上升(2.58×1043/)有关。下降幅度偏低的原因一方面是由于控制精度有限,另一方面也和该控制策略在很大程度上依赖于操作人员控制而不是计算机控制有关,部分操作人员对时序控制系统尚不够理解,这也在一定程度上降低了该控制策略节能空间的发挥。这实际上也是节能降耗工作开展过程中的一大难题,很多节能降耗工作在技术上研究得很透彻,但由于所有的节能降耗工作最终还是要通过运行人员去实施,如果运行管理人员不能很好地理解控制策略,就会影响节能效果,而且难以保证长效运行;因此,在开展全流程节能降耗工作过程中,一定要加强对一线运行管理人员的培训与沟通,只有让运行管理人员完全理解并接受,才能使得各项节能降耗措施落到实处,并可以长期稳定低耗运行。3　全流程节能降耗综合示范效果“城市污水厂全流程节能降耗技术集成与工程示范”课题自2007年在深圳某污水厂运行3年多来,先后开展了全流程能