城市污水处理厂全流程节能降耗技术集成案例分析

全国城镇污水处理厂除磷脱氮及深度处理技术交流大会论文集··-29-城市城市城市城市污水污水污水污水处理处理处理处理厂全流程节能降耗技术集成案例分析厂全流程节能降耗技术集成案例分析厂全流程节能降耗技术集成案例分析厂全流程节能降耗技术集成案例分析1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）摘摘摘摘要要要要：：：：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在城市污水厂的应用示范。重点介绍了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，可为其它污水厂节能工作提供参考；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去进行节能，再通过评估确定硬件升级的必要性。关键词关键词关键词关键词：：：：城市污水处理厂；全流程；节能降耗；精确曝气控制；案例分析CaseAnalysisonTechnologyIntegrationofWWTPPlant-wideOptimizationofEnergyConservationLIULi-xiang1,2,ZHANGJin-song1,HUANGLing-jun1,SHIHan-chang2,HEMiao2(1.ShenzhenWaterGroupCo.Ltd，Shenzhen518031,China；2.DepartmentofEnvironmentalScienceandEngineeringTsinghuaUniversity,Beijing100084,China)Abstract:AsacaseofWWTPinShenzhencity,theapplicationofWWTPPlant-wideoptimizationofenergyconservationwascomprehensivelyintroduced.Focusonthetechnologiesofidentifyingkeyenergy-savingmethods,centrifugalblowerprecisecontrolandrotationaerationbrushtimingcontrol;itcouldbereferencedbysomeotherWWTPsinenergyconservation.Itwasveryimportanttostrengthenthetrainingofoperatorswhichcouldbehelpfulfortheestablishmentoflong-termmechanismforenergysaving.Thewholeprocessofenergyconservationworkmustobeytheprerequisiteofwaterquality.Firstofall,asfaraspossiblethroughprocessoptimizationtocarryoutenergy-saving,andthendeterminedbyassessingtheneedforhardwareupgrade.Keywords:WWTP;Plant-wide;Energyconservation;preciseaerationcontrol;Caseanalysis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，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]。本文以课题依托示范工程之一——深圳某污水处理厂为案例，系统介绍全流程节能降耗技术集成与工程示范在该厂的实施情况，为相关污水处理厂全流程节能降耗工作的开展提供借鉴。1基金项目基金项目基金项目基金项目：：：：国家“十一五”科技支撑项目“城市污水处理全流程节能降耗途径与技术集成”（2006BAC19B06）全国城镇污水处理厂除磷脱氮及深度处理技术交流大会论文集··-30-1示范工程背景介绍示范工程背景介绍示范工程背景介绍示范工程背景介绍本课题在深圳某污水处理厂全厂进行节能降耗综合示范，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B排放标准，其中氨氮达到一级A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14.53公顷，服务人口65万。该厂总设计规模为35万m3/d，分两期建设：一期为AB工艺（其中B段为MUCT工艺），设计规模为10万m3/d，于1998年投入运行；二期为厌氧池＋三沟式氧化沟工艺，设计规模为25万m3/d，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MUCT工艺及氧化沟工艺，在国内有较多类似的生产工艺，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；该厂原有仪表由于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DO及MLSS等在线仪表已更新完毕，能基本满足本课题的需要。2全流程节能降耗单元技术改造全流程节能降耗单元技术改造全流程节能降耗单元技术改造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关键要素识别全流程节能降耗关键要素识别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，将节能降耗工作的分配到一期MUCT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MUCT单元及三沟式氧化沟单元。该厂MUCT单元采用TURBO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小时变化曲线。图图图图1三沟式氧化沟工艺三沟式氧化沟工艺三沟式氧化沟工艺三沟式氧化沟工艺处理水量与溶解氧处理水量与溶解氧处理水量与溶解氧处理水量与溶解氧24小时变化曲线小时变化曲线小时变化曲线小时变化曲线全国城镇污水处理厂除磷脱氮及深度处理技术交流大会论文集··-31-由图1可知，三沟式氧化沟全天水量变化幅度较大，峰值一般出现在晚上20：00-24：00，谷值一般出现在3：00-8：00。氧化沟内DO会在6：00-11：00会出现明显突跃现象，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MUCT虽然处理水量基本稳定，但受进水水质时变化，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有望大幅降低供氧能耗。从全厂综合单耗控制角度出发，由于MUCT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MUCT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年全年实际处理结果来看，一期MUCT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来看降低非常有限（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由于MUCT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MUCT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。通过该调控思路有望在稳定提高出水水质的同时，降低全厂综合处理单耗，实现全流程节能降耗目标。2.2一期一期一期一期MUCT精确曝气控制技术精确曝气控制技术精确曝气控制技术精确曝气控制技术改造改造改造改造该厂在建设一期工程时，设计中对AB工艺均考虑了精确曝气控制，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，其控制系统见图2。图图图图2一期工艺原有设计精确曝气控制系统示意图一期工艺原有设计精确曝气控制系统示意图一期工艺原有设计精确曝气控制系统示意图一期工艺原有设计精确曝气控制系统示意图通过现场调研发现，当时调试中出现的主要问题是在线溶氧仪运行不稳定，且AB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，风机经常性出现喘震等不稳定现象。针对以上问题，课题组对原有系统进行如下调整：首先，由于A段供气量仅为B段的供气量的1/10，且A段曝气量对整体处理效果影响较小，因此仅对B段（即MUCT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MUCT池配气阀门线性度较差的实际情况，抛开DO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，这全国城镇污水处理厂除磷脱氮及深度处理技术交流大会论文集··-32-两个配气阀门仅用于手动调整改善配齐均匀性；最后，将两组MUCT池在线DO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，经历了多种水质、水量等负荷变化，虽然DO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。0.002.004.006.008.0010.0012.0014.0016.003月月月月1日日日日3月月月月6日日日日3月月月月11日日日日3月月月月16日日日日3月月月月21日日日日3月月月月26日日日日3月月月月31日日日日4月月月月5日日日日4月月月月10日日日日4月月月月15日日日日4月月月月20日日日日4月月月月25日日日日4月月月月30日日日日5月月月月5日日日日5月月月月10日日日日5月月月月15日日日日5月月月月20日日日日5月月月月25日日日日5月月月月30日日日日6月月月月4日日日日6月月月月9日日日日6月月月月14日日日日日期日期日期日期日处理水量日处理水量日处理水量日处理水量（（（（万万万万m3））））0100020003000400050006000700080009000鼓风机日用电量鼓风机日用电量鼓风机日用电量鼓风机日用电量（（（（kWh））））2008年处理水量年处理水量年处理水量年处理水量2009年处理水量年处理水量年处理水量年处理水量2008年风机电耗年风机电耗年风机电耗年风机电耗2009年风机电耗年风机电耗年风机电耗年风机电耗图图图图3一期工艺一期工艺一期工艺一期工艺2008年与年与年与年与2009年同期处理水量与风机电耗年同期处理水量与风机电耗年同期处理水量与风机电耗年同期处理水量与风机电耗对比对比对比对比由图3可知，一期工艺采用精确曝气控制后，虽然日均处理水量下降了0.42万m3/d，但吨水供氧单耗却由0.0667kW·h/m3降至0.0480kW·h/m3，下降27.95%，仅100余天就节能20.70万kW·h，