安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定  201800

摘要：污水處理屬于高能耗行業(yè)，會(huì)消耗大量的電能、燃料和藥劑等，高能耗不僅會(huì)提升污水處理成本，還會(huì)加劇能源危機(jī)。所以，本文首先探究了污水處理廠耗能的原因，分析了污水處理與節(jié)能降耗的關(guān)系，然后結(jié)合我國(guó)污水處理現(xiàn)狀，討論污水處理與節(jié)能的相關(guān)問(wèn)題，并提出相應(yīng)的解決辦法，以期降低污水處理的能源消耗，盡可能消除制約經(jīng)濟(jì)發(fā)展的不利因素。

關(guān)鍵詞：污水處理；節(jié)能降耗；高耗能

0 前言

污水處理會(huì)消耗大量能源，急需開(kāi)展節(jié)能降耗。污水處理廠的能耗分為兩種，一是直接能耗，二是間接能耗。能量消耗是污水處理過(guò)程中的正常情況，是機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)的必然結(jié)果。消耗能量的方面有很多，直接消耗和間接消耗也不一樣。直接耗能通常有機(jī)械曝氣或風(fēng)鼓曝氣、污水提升泵、回流污泥泵、污泥脫水、攪拌推流等。間接耗能主要包括外加碳源、石灰、活性炭、絮凝劑等物料所消耗的能量。從整體上來(lái)看，我國(guó)污水處理中能耗較多的是污水的提水能耗、污水生物處理能耗和污泥處理能耗，三者占了大部分的能耗。其中一半以上是污水生物處理的能耗，其次是污泥處理的能耗，最后是污水的提水能耗。所以，節(jié)能降耗是非常必要的。就目前而言，為了使污水處理更有效，人們從水耗、物耗、能耗三個(gè)方面來(lái)實(shí)施節(jié)能降耗。

1　城市污水處理廠節(jié)能降耗的途徑

污水處理需要消耗大量能源，尤其是污水提升、污水和污泥處理。同時(shí)，很多污水處理設(shè)備會(huì)消耗大量能源，包括用于抽取的提升泵、風(fēng)力供應(yīng)的鼓風(fēng)機(jī)以及回流泵。在處理污水時(shí)，人們需要輔助使用一些化學(xué)藥品，用來(lái)除磷和污水消毒，以保障水資源的重復(fù)使用。綜上來(lái)看，節(jié)能減耗主要應(yīng)當(dāng)致力于優(yōu)化設(shè)備和改良藥劑兩方面。

1.1　污水提升

提升泵是污水提升的主要設(shè)備，提升泵的質(zhì)量關(guān)系到污水提升的效果，提升泵相關(guān)技術(shù)有很大的發(fā)展空間，因此在節(jié)能減耗方面也有提升潛力。通過(guò)實(shí)地調(diào)查和查閱文獻(xiàn)，筆者發(fā)現(xiàn)，污水處理大部分能耗都來(lái)源于提升泵，如果精細(xì)計(jì)算提升泵的其他能耗，能源消耗將會(huì)大幅增加。目前，提升泵節(jié)能減耗的關(guān)鍵在于控制好出水高度，首先要控制連接管道長(zhǎng)度，加強(qiáng)其結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性、緊密性，將能耗降到較低。其次，還要注意提高提升泵的運(yùn)行效率，從設(shè)施上加以改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減耗。

1.2　污水預(yù)處理

污水預(yù)處理是指污水進(jìn)入正式處理前對(duì)污水進(jìn)行簡(jiǎn)單處理。污水預(yù)處理的主要設(shè)備有格柵和沉砂池。兩者作用不同，隔柵類(lèi)似于柵欄，可以對(duì)污水中體積較大的物體進(jìn)行隔離，以防止堵塞污水處理設(shè)備，導(dǎo)致其難以正常工作。隔柵在節(jié)能減耗環(huán)節(jié)中可操作性、可提升性都不算太高，但是它的意義重大，隔柵是否能正常工作對(duì)后續(xù)節(jié)能減耗環(huán)節(jié)能否完成具有較大影響。沉砂池的作用是過(guò)濾污水中的泥沙和其他較為細(xì)小的顆粒物，它保障了后續(xù)設(shè)備污水處理的效果不同情況下所需要的沉砂池類(lèi)型也不同，比較常見(jiàn)的有平流式、曝氣式。人們需要根據(jù)具體情況來(lái)選擇，有效過(guò)濾污水中的泥沙，使得后續(xù)環(huán)節(jié)有條不紊地進(jìn)行。平流式沉砂池設(shè)備耗能較低，節(jié)能降耗效果明顯。

1.3　污水處理

污水處理是污水處理廠的主要工藝環(huán)節(jié)，主要分為兩個(gè)部分，即好氧處理和厭氧處理。好氧污水處理需要利用曝氣系統(tǒng)，曝氣系統(tǒng)可以適當(dāng)優(yōu)化以實(shí)現(xiàn)節(jié)能減耗。首先，設(shè)備選取和流程設(shè)計(jì)更加準(zhǔn)確，選擇材料更加細(xì)致，減少材料損失。其次，微氣泡空氣控制器材可以對(duì)污水處理產(chǎn)生的氣泡進(jìn)行壓縮和消蝕，使氣泡體積變小，從而增大氣體、液體可接觸面積，增強(qiáng)反應(yīng)效果。再次，可以輔助使用曝氣系統(tǒng)，將其放置于側(cè)面，通過(guò)其產(chǎn)生的氣體來(lái)形成漩渦，這也可以加強(qiáng)氣體與液體的接觸。對(duì)于污水處理的調(diào)節(jié)設(shè)備，需要采用自動(dòng)調(diào)節(jié)，發(fā)揮自動(dòng)調(diào)節(jié)的準(zhǔn)確性和及時(shí)性，減少能源浪費(fèi)。除此之外，合理運(yùn)用潛水?dāng)嚢杵饕彩直匾?/span>

最后，需要控制好變頻調(diào)速風(fēng)機(jī)，使污水處理更加有效。污水處理節(jié)能減耗需要從大方向把關(guān)，嚴(yán)格落實(shí)到各個(gè)環(huán)節(jié)，需要全面把關(guān)，避免顧此失彼。就國(guó)內(nèi)而言，污水處理相關(guān)節(jié)能降耗技術(shù)還不夠成熟，因此具有較好的開(kāi)發(fā)前景，人們要統(tǒng)籌安排，統(tǒng)籌謀劃。

1.4　污泥處理

污泥處理消耗能量較多，同時(shí)也意味著節(jié)能減耗空間很大。污泥處理工藝較為復(fù)雜，通常有污泥濃縮、穩(wěn)定和脫水等。污泥濃縮是指將污泥進(jìn)行壓縮整合，從而實(shí)現(xiàn)體積減小、密度增大，實(shí)施方法也有很多種，如重力壓縮、氣浮壓縮、離心方式壓縮。實(shí)踐研究發(fā)現(xiàn)，重力濃縮的能源消耗比較少，但是耗時(shí)較多，濃縮過(guò)程會(huì)產(chǎn)生磷，因此隨著時(shí)代的發(fā)展，這種工藝逐步被淘汰。離心濃縮成本較高，目前難以大規(guī)模推廣。當(dāng)前，氣浮濃縮使用范圍較廣，其操作簡(jiǎn)單、節(jié)能減耗效果較好，運(yùn)行效率較高。污泥穩(wěn)定和脫水是指將濃縮后的污泥加以沉淀，然后通過(guò)相關(guān)設(shè)備實(shí)現(xiàn)脫水，將濃縮液變?yōu)楦稍锏牟牧?。其間主要采用厭氧處理，使用厭氧菌對(duì)水分進(jìn)行吸收，實(shí)現(xiàn)厭氧消化。厭氧處理需要消耗能源來(lái)保持溫度，同時(shí)利用電能來(lái)維持?jǐn)嚢柽\(yùn)輸。就國(guó)內(nèi)而言，相關(guān)技術(shù)還不夠成熟，因此具有較好的開(kāi)發(fā)前景。污泥處理技術(shù)的創(chuàng)新與改革決定著節(jié)能減耗的效果，也影響著污水處理廠的發(fā)展。

2　污水處理現(xiàn)狀與問(wèn)題

2.1　設(shè)備設(shè)計(jì)使用不合理

提升泵是污水處理的核心設(shè)備，直接影響污水提升效果，污水處理大部分能耗都與提升泵有關(guān)，提升泵節(jié)能減耗的關(guān)鍵是控制好出水高度。目前，我國(guó)部分污水處理廠提升泵出水高度不合理，造成較大的能源浪費(fèi)，影響后續(xù)流程的節(jié)能減耗。隔柵能夠隔離污水中體積較大的物體，防止污水處理設(shè)備堵塞而難以正常工作。沉砂池可以過(guò)濾污水中的泥沙，還可以過(guò)濾其他較為細(xì)小的顆粒物，以便進(jìn)行后續(xù)污水處理。但是，調(diào)查發(fā)現(xiàn)，部分污水處理廠隔柵空隙較大同時(shí)沉砂池沉積嚴(yán)重，導(dǎo)致污水中的大小顆粒物難以清除，最終影響后續(xù)的污水處理。

2.2　缺乏專(zhuān)業(yè)操作人員和監(jiān)管人員

污水處理事關(guān)人民群眾的生產(chǎn)生活，但是部分污水處理廠缺乏專(zhuān)業(yè)人員，導(dǎo)致設(shè)備操作不合理。同時(shí)，不夠?qū)I(yè)的操作流程勢(shì)必會(huì)造成能源消耗過(guò)度和資源浪費(fèi)，甚至影響污水處理質(zhì)量，造成污水外泄，影響人民群眾的生產(chǎn)生活。另外，污水處理需要兩大監(jiān)督，一是污水處理廠質(zhì)檢人員監(jiān)督，二是相關(guān)部門(mén)抽樣檢查。但是，由于種種原因，我國(guó)檢查管理制度還不夠健全，導(dǎo)致部分污水處理廠不能按質(zhì)按量完成污水處理。因此，當(dāng)前急需建立行之有效的污水處理監(jiān)督管理審查機(jī)制。

3　節(jié)能降耗的有效措施

3.1　改造節(jié)能技術(shù)

污水處理設(shè)備的改進(jìn)決定著是否能更好地完成節(jié)能減耗。具體來(lái)說(shuō)，首先可以從提升泵改進(jìn)開(kāi)始，不合理的提升泵往往會(huì)造成水泵揚(yáng)程偏高，從而導(dǎo)致水位大多處于大流量、低揚(yáng)程、低效區(qū)的狀態(tài)，使得提升泵所耗費(fèi)的能量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于實(shí)際所需能量，造成較大的能源浪費(fèi)。因此，人們需要改進(jìn)提升泵的變頻技術(shù)，使之更具操作性和可行性，能自如應(yīng)對(duì)不同水位。其次是倒傘曝氣機(jī)，該設(shè)備主要由主機(jī)和葉輪兩大部件組成，葉輪是倒傘曝氣機(jī)的主要部件之一，它決定著整個(gè)機(jī)器的運(yùn)作。就目前來(lái)說(shuō)，葉輪的創(chuàng)新改造主要是將倒傘曝氣機(jī)的螺旋式倒傘改造成翹片式，即用直齒輪代替原先的螺旋式錐齒輪。這樣才能適應(yīng)不斷提高的標(biāo)準(zhǔn)，更好地處理污水。因此，人們要加強(qiáng)科技創(chuàng)新，提升設(shè)備運(yùn)行效率，實(shí)施節(jié)能減耗。

3.2　選擇關(guān)鍵節(jié)能設(shè)備

一是泵的選擇。泵對(duì)于污水處理非常重要，其主要參數(shù)是流速和流量，它們既影響實(shí)際峰值，也影響后續(xù)水量變化，不同泵的基本參數(shù)不同。因此，要想推進(jìn)節(jié)能降耗，首先要選擇規(guī)格合適、參數(shù)適宜、質(zhì)量?jī)?yōu)良、產(chǎn)品合格的泵，保障運(yùn)行效率，利用較少的能源實(shí)現(xiàn)污水處理的較大效益，減少能源浪費(fèi)。二是控制系統(tǒng)的選擇?？刂葡到y(tǒng)影響反饋效果，人們需要選擇合理的控制系統(tǒng)，調(diào)整控制數(shù)據(jù)信息。三是電機(jī)的選擇。污水處理廠的電能消耗主要發(fā)生于曝氣系統(tǒng)和提升泵。這些設(shè)備利用電機(jī)來(lái)工作，因此人們要合理選擇電機(jī)，同時(shí)要加強(qiáng)對(duì)電機(jī)的維護(hù)和檢修。關(guān)鍵部分要嚴(yán)格采用高質(zhì)量的設(shè)備，以減少安全隱患，提高節(jié)能降耗效率。

3.3　加強(qiáng)節(jié)能降耗管理

污水處理廠要重視內(nèi)部管理，實(shí)施科學(xué)化、制度化的管理。一是定期維修相關(guān)設(shè)備，應(yīng)配備專(zhuān)門(mén)的維修檢查人員，定期巡檢，經(jīng)常清洗管道，及時(shí)排查異?，F(xiàn)象，同時(shí)做好記錄，盡快解決。二是加強(qiáng)用電管理，污水處理廠耗電量大，因此為了電路安全，應(yīng)盡量避開(kāi)用電高峰期。污水處理廠要完善運(yùn)行體系，及時(shí)排除隱患，保證污水處理設(shè)施實(shí)現(xiàn)良好運(yùn)行。

3.4　加強(qiáng)監(jiān)督制度管理

污水處理廠要完善激勵(lì)機(jī)制，提高員工的工作積極性，對(duì)違規(guī)員工進(jìn)行處罰，保障企業(yè)管理秩序。此外，還應(yīng)該加強(qiáng)管理，保障污水處理設(shè)備平穩(wěn)運(yùn)行。污水處理廠應(yīng)當(dāng)配備專(zhuān)門(mén)的監(jiān)督管理人員和技術(shù)質(zhì)檢人員，監(jiān)督管理人員要嚴(yán)格管控污水處理設(shè)備和材料的采購(gòu)，杜絕購(gòu)買(mǎi)劣質(zhì)設(shè)備和材料，配合有關(guān)部門(mén)例行檢查。技術(shù)質(zhì)檢人員主要職責(zé)是對(duì)污水處理流程進(jìn)行指導(dǎo)和檢查，防止出現(xiàn)人工失誤，預(yù)防安全問(wèn)題，同時(shí)對(duì)突發(fā)情況進(jìn)行應(yīng)急處理。另外，污水處理廠要積極鼓勵(lì)員工參與企業(yè)管理，增強(qiáng)內(nèi)部凝聚力，提高員工積極性，實(shí)現(xiàn)獎(jiǎng)懲分明，優(yōu)化企業(yè)管理秩序，保障企業(yè)合理運(yùn)行。

4　能效管理解決方案--AcrelEMS-SW智慧水務(wù)能效管理平臺(tái)

安科瑞電氣具備從終端感知、邊緣計(jì)算到能效管理平臺(tái)的產(chǎn)品生態(tài)體系，AcrelEMS-SW智慧水務(wù)能效管理平臺(tái)通過(guò)在污水廠源、網(wǎng)、荷、儲(chǔ)、充的各個(gè)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)安裝保護(hù)、監(jiān)測(cè)、分析、治理裝置，用于監(jiān)測(cè)污水廠能耗總量和能耗強(qiáng)度，重點(diǎn)監(jiān)測(cè)主要用能設(shè)備能效，保護(hù)污水廠運(yùn)行安全可靠，提高污水廠能效，為污水處理的能效管理提供科學(xué)、精細(xì)的解決方案。

圖1 AcrelEMS-SW智慧水務(wù)能效管理平臺(tái)

4.1　保障供電可靠性

對(duì)污水廠配電系統(tǒng)中35kV、10kV電壓等級(jí)配置微機(jī)保護(hù)裝置及多功能儀表進(jìn)行保護(hù)和監(jiān)控，對(duì)0.4kV配置多功能計(jì)量?jī)x表，用于監(jiān)測(cè)各回路的電氣參數(shù)和用能情況，可實(shí)時(shí)監(jiān)控高低壓供配電系統(tǒng)開(kāi)關(guān)柜、變壓器微機(jī)保護(hù)測(cè)控裝置、發(fā)電機(jī)控制柜、ATS/STS、UPS，包括遙控、遙信、遙測(cè)、遙調(diào)、事故報(bào)警及記錄等。

污水廠存在大量的非線性負(fù)載，通過(guò)監(jiān)測(cè)其配電系統(tǒng)的諧波畸變、電壓波動(dòng)、閃變和容忍度指標(biāo)分析其電能質(zhì)量，并配置對(duì)應(yīng)的電能質(zhì)量治理措施進(jìn)一步提高供電可靠性。

圖2  AcrelEMS-SW智慧水務(wù)能效管理平臺(tái)主接線圖

4.2　電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)與治理

監(jiān)測(cè)污水廠配電系統(tǒng)的諧波畸變、電壓波動(dòng)、閃變和容忍度指標(biāo)分析其電能質(zhì)量，監(jiān)測(cè)配置電能質(zhì)量治理裝置保障穩(wěn)定生產(chǎn)。

圖3 電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)圖

顯示有源濾波和無(wú)功補(bǔ)償裝置運(yùn)行情況，包括補(bǔ)償電流、負(fù)荷電流，電網(wǎng)電壓，IGBT上下橋臂溫度等。

圖4  補(bǔ)償濾波監(jiān)測(cè)圖

4.3　建立能源計(jì)量體系

AcrelEMS-SW智慧水務(wù)能效管理平臺(tái)通過(guò)搭建計(jì)量體系，采集污水處理廠能源數(shù)據(jù)，顯示污水處理廠的能源流向和能源損耗，通過(guò)能源流向圖幫助其分析能源消耗去向，找出能源消耗異常區(qū)域幫助其了解各工藝環(huán)節(jié)能源消耗量，并且可細(xì)化到樓層、車(chē)間、產(chǎn)線、班組、工序，計(jì)算產(chǎn)品單耗、單位面積能耗或萬(wàn)元產(chǎn)值能耗，從而計(jì)算出能耗總量和單位能耗。

圖5  能源流向圖

4.4　數(shù)據(jù)集抄并實(shí)時(shí)計(jì)量

AcrelEMS-SW智慧水務(wù)能效管理平臺(tái)提供自定義時(shí)間抄表功能，可以在任意時(shí)間，任意地點(diǎn)，完成對(duì)企業(yè)的三級(jí)計(jì)量體系數(shù)據(jù)閱覽，減少了人工投入。同時(shí)各類(lèi)保護(hù)、儀表主動(dòng)定時(shí)上傳數(shù)據(jù)，保證了能源時(shí)效性，為其節(jié)能降耗，提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐。

圖6   數(shù)據(jù)集抄報(bào)表

4.5　優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)

AcrelEMS-SW智慧水務(wù)能效管理平臺(tái)支持接入分布式光伏電站以及風(fēng)力發(fā)電站，為企業(yè)提供分布式電站運(yùn)行監(jiān)測(cè)和發(fā)電日/月/年/累計(jì)收益和減排分析，支持自發(fā)自用、余電上網(wǎng)。在儲(chǔ)能環(huán)節(jié)，平臺(tái)接入BMS和PCS數(shù)據(jù)，支持充放電配置策略，并對(duì)電池管理系統(tǒng)提供實(shí)時(shí)預(yù)警，根據(jù)其負(fù)荷特點(diǎn)，削峰填谷，充分使用新能源，降低污水廠碳排放。

圖7 分布式光伏電站監(jiān)測(cè)運(yùn)維

4.6　 提升主要用能設(shè)備能效

污水處理廠中有著大量的電機(jī)、水泵，其中污水提升泵和鼓風(fēng)曝氣能耗占據(jù)了工藝能耗中的大多數(shù)，平臺(tái)針對(duì)這些工藝設(shè)備進(jìn)行監(jiān)測(cè)分析，工藝之間橫向比較，尋找具調(diào)控潛力的用電設(shè)備、工藝單元，幫助用戶(hù)發(fā)現(xiàn)其能效提升空間并提供解決方案，找到較好的運(yùn)行區(qū)域，顯著降低能源消耗

圖8 管網(wǎng)圖和能效監(jiān)測(cè)

4.7　報(bào)警及時(shí)推送

平臺(tái)提供能源報(bào)警功能，一旦發(fā)現(xiàn)跑冒滴漏，能源消耗異常，電參量異常等情況，能提供多種方式的報(bào)警，包括但不限于郵件、短信、釘釘推送等。

圖9 報(bào)警記錄與管理

4.8　加強(qiáng)運(yùn)維管理

加強(qiáng)巡視維護(hù)工作，及時(shí)發(fā)現(xiàn)或消除設(shè)備隱患，提高供電可靠性。配置重要設(shè)備包括變壓器、電氣柜、高壓電纜、空調(diào)主機(jī)、水泵、鼓風(fēng)機(jī)等設(shè)備信息，配置二維碼，快速在移動(dòng)端獲取設(shè)備信息、設(shè)備維修歷史記錄以及解決問(wèn)題的常用辦法。

圖10 設(shè)備運(yùn)維檔案

4.9　典型硬件

5　結(jié)論

污水處理事關(guān)廣大人民群眾的健康與安全，而節(jié)能降耗則是推進(jìn)我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)實(shí)現(xiàn)持續(xù)發(fā)展的保證。污水處理的節(jié)能降耗綜合性強(qiáng)、工作難度高，涉及的工藝、設(shè)備、過(guò)程控制和管理較為復(fù)雜。因此，人們要從設(shè)計(jì)、設(shè)備選型、運(yùn)行管理控制、維護(hù)改造等環(huán)節(jié)入手，積極推廣和應(yīng)用節(jié)能降耗技術(shù)，保證污水處理質(zhì)量。

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