汪雪格,吳沛霖,李曉丹,孫蘇洋,邊德軍

(1.長春工程學(xué)院水利與環(huán)境工程學(xué)院,長春 130012;2.中國市政工程東北設(shè)計研究總院有限公司,長春 130026)

長期以來,城市污水處理廠的作用主要是降低污水被直接排放對受納水體的污染,其主要目標是使水質(zhì)達標。為了達到設(shè)定的水質(zhì)目標,污水處理過程實際上是一個能源置換、污染轉(zhuǎn)移的過程[1]。隨著污水處理廠出水水質(zhì)標準的提高,污水處理廠在原有工藝的基礎(chǔ)上增加了深度處理,相應(yīng)的電耗也增加。電耗增加不僅導(dǎo)致企業(yè)成本增加[2],還加重生態(tài)破壞、加速能源危機、增大碳排放量[3-7]等。雖然在一定程度上使水環(huán)境質(zhì)量得到改善,但這種改善是以增加經(jīng)濟成本和破壞生態(tài)環(huán)境為前提的,因此,應(yīng)綜合考慮水質(zhì)達標、能耗等,同時實現(xiàn)污水處理廠節(jié)能降耗和水質(zhì)達標,這是污水處理行業(yè)亟需解決的課題。其中,提高能源的使用效率是解決該矛盾的一種有效方式。因此,本研究在傳統(tǒng)能耗評價[8-12]的基礎(chǔ)上,采取統(tǒng)計分析的方式,分析能耗變化的規(guī)律和特征,尋求能耗使用效率高的條件和前提,以期指導(dǎo)污水處理廠運行實踐。

1 材料與方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

東北城市D污水處理廠為三級處理,日均處理能力為40萬m3/d,主體工藝采用A2O處理工藝,工藝流程如圖1所示。設(shè)計進水指標:CODcr(以下簡稱COD)為360 mg/L,氨氮為30 mg/L,總磷為6 mg/L,總氮為40 mg/L,SS為280 mg/L。出水執(zhí)行 GB 18918—2002《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》一級A標準。

圖1 D污水處理廠工藝流程及主要能耗節(jié)點圖

本研究以D污水處理廠提供的2018年—2020年逐日進水量、進水COD濃度、出水COD濃度及日耗電量等實測數(shù)據(jù)為研究對象,采用SPSS統(tǒng)計分析軟件進行統(tǒng)計學(xué)分析,主要分析進水量、進水COD濃度、COD處理總量、能耗的月變化規(guī)律和特征,以及分析耗電量隨進水量、進水COD濃度以及COD處理總量的變化規(guī)律,探索耗能高低的前提和條件。

1.2 研究方法

通常評價污水處理廠耗電量情況,是以單位水量耗電量平均值來表征的[13-14]。單位水量耗電量受到進水水量、水質(zhì)、污水處理工藝和處理程度等的影響。本研究是在A2O工藝基礎(chǔ)上,針對不同的進水量、不同的進水水質(zhì)以及處理程度,分析各種情況下單位水量耗電量的變化情況。本研究用進水COD濃度表征進水水質(zhì),用COD處理總量表征處理程度,同時為了分析的方便,提出了進水量等級、進水COD濃度占比等級以及COD處理總量占比等級的概念。

單位水量耗電量、進水量百分比、進水COD濃度占比以及COD處理總量占比計算如式(1)～(4):

(1)

(2)

(3)

(4)

式中:q為進水量;m為設(shè)計規(guī)模x為進水量百分比;y為進水COD濃度占比;z為COD處理總量占比;d為耗電量;Dw為單位水量耗電量。

進水量等級、進水COD濃度占比等級和COD處理總量占比等級的劃分見表1～3。

表1 進水量等級劃分表

表2 進水COD濃度占比等級劃分表

表2(續(xù))

表3 COD 處理總量占比等級劃分表

數(shù)據(jù)分析軟件:SPSS軟件是面世最早的一款應(yīng)用于統(tǒng)計學(xué)分析運算和數(shù)據(jù)挖掘的軟件,該軟件具有操作簡單、編程方便等特點,其功能非常強大,具有完善的數(shù)據(jù)統(tǒng)計、數(shù)據(jù)輸入、編輯、圖表制作等功能,還自帶上百種不同類型的函數(shù),可以對數(shù)據(jù)進行各種類型分析,并且其輸入和輸出格式多樣性,可以將不同格式的文件輸入及輸出,是一款運行穩(wěn)定且應(yīng)用面極廣的軟件。

2 結(jié)果與討論

2.1 月分布規(guī)律分析

通過SPSS軟件,按照式1～3和表1～3對進水量等級、進水COD濃度占比等級、COD處理總量占比等級以及單位水量耗電量進行統(tǒng)計分析,得出月分布規(guī)律如圖2所示。

(a)

從圖2(a)可知,D污水處理廠的進水量基本處在5～10級,亦即進水量在40%～100%的設(shè)計規(guī)模范圍內(nèi)變化,其中污水廠進水量等級為8級時出現(xiàn)頻率最多,在12個月中進水量等級為8級均屬于頻率高的,也就是進水量為設(shè)計規(guī)模的70%～80%最常出現(xiàn);其次是10級,即進水量為90%～100%的設(shè)計規(guī)模,出現(xiàn)在1月—8月中,9月—12月中沒有出現(xiàn),亦即9月—12月沒有偏大的進水量;進水量等級為9級時各月的出現(xiàn)頻率均較低,僅8月—12月出現(xiàn)稍高的頻率;進水量等級為7級時,各月都會出現(xiàn),但僅在4月—9月出現(xiàn)稍高的進水量,其中6月份出現(xiàn)的頻率最高;進水量等級為6級時各月出現(xiàn)的頻率都很低,其中3月和9月沒有出現(xiàn)這個等級的進水量;進水量等級為5級時,1月、2月、10月、11月、12月出現(xiàn)的頻率較高,而6月、7月沒有出現(xiàn),5月、8月、9月僅出現(xiàn)很低的頻率,即冬季出現(xiàn)進水量較低的情況較多;進水量等級為3級和4級的情況僅出現(xiàn)在9月,且概率極低。

從圖2(b)進水COD濃度占比等級可知,進水COD濃度占比等級分布范圍為3～17級。其中進水COD濃度占比等級出現(xiàn)頻率最高的是11級,即在100%～110%的進水COD濃度設(shè)計范圍,各月份均出現(xiàn)該級別的進水COD濃度,除9月—11月外,其余月份出現(xiàn)該級別的頻率較高;其次為10級,各月份均出現(xiàn),其中6月頻率最高、11月最低;進水COD濃度占比等級為9級時,各月份均出現(xiàn)但頻率均較低,僅7月、8月出現(xiàn)稍高頻率;進水COD濃度占比等級為12級時,僅5月、6月、12月出現(xiàn)的頻率稍高,其他月份出現(xiàn)的頻率均較低;其余等級的進水COD并不是所有月份都出現(xiàn),等級為8級時,1月—3月出現(xiàn)的頻率較高,而4月—6月、12月未曾出現(xiàn);等級為13級的僅在1月、5月—7月、11月—12月中偶爾出現(xiàn);對于高級別(14～17級),屬于極端情況,在一年中偶爾出現(xiàn);而對于低級別(3～7級),只在8月—11月出現(xiàn)。這表明雖然污水進水水質(zhì)變化范圍較大,但是主要集中在9～12級。

從圖2(c)可知,在COD處理總量占比等級中,等級分布為1～13級。其中,出現(xiàn)頻率最高的是8級,即通過污水處理廠COD去除量占設(shè)計去除量的70%～80%屬于常態(tài),在各月份中均出現(xiàn),其中1月—8月出現(xiàn)的頻率均偏高,3月的頻率最高;其次,COD處理總量占比等級為7級,5月—8月出現(xiàn)的頻率較高,9月份沒有出現(xiàn),其余月份出現(xiàn)的頻率均不高;COD處理總量占比等級為9級時,各月均出現(xiàn),且頻率較低;等級為10級時,除2月份沒有出現(xiàn)外,其余月份頻率也較低;等級為6級時,僅7月、8月、12月出現(xiàn)稍高的頻率;等級為5級時,在12月、1月—3月出現(xiàn)較高的頻率;等級較高的級別(11～13級)僅出現(xiàn)在4月—8月,等級較低的級別僅出現(xiàn)在8月—11月。

從圖2(d)可知,單位水量耗電量和進水量、進水COD濃度一樣是變化的,在各月份中多數(shù)頻率的單位水量耗電量處于較低水平的,通過統(tǒng)計分析得到單位水量耗電量的均值為0.26(kW·h)/m3,低于東北地區(qū)的平均水平0.269 6(kW·h)/m3[15]。為了方便分析,將單位水量耗電量分為高值(0.4～0.5 (kW·h)/m3)、中高值(0.3～0.4 (kW·h)/m3)、中值(0.25～0.3(kW·h)/m3)和低值(<0.25(kW·h)/m3)4類。單位水量耗電量高值主要出現(xiàn)在1月—3月中,出現(xiàn)耗電量>0.4(kW·h)/t的概率較高,同時可以看出在1月—3月,單位耗電量水平較高,而進水量等級處于5～10級的變化且5級的頻率較高,進水COD濃度占比等級基本分布在比較集中的8～12級且8級頻率較高,COD處理總量占比等級主要集中的4～9級。4月—12月耗電量水平均低于0.4(kW·h)/t,而且各月耗電量集中分布范圍是變化的,低值和中高值的頻率較高,而中值的頻率較低。對于特定A2O工藝的污水處理廠,要想降低耗電量水平,實現(xiàn)節(jié)能降耗,可以降低高值、中高值出現(xiàn)概率,增加中值、低值出現(xiàn)頻率。

2.2 二維相關(guān)分析

在D污水處理廠內(nèi),最主要的耗能方式就是電耗,單位水量耗電量是變化的,耗電量受到各種因素的影響,究竟在什么條件下單位水量能耗較低,本研究通過SPSS統(tǒng)計分析軟件,分析了單位水量耗電量隨進水量等級、進水COD濃度占比等級以及COD處理總量占比等級的變化規(guī)律,分析得出能耗使用效率高低的情況,結(jié)果如圖3所示。

從圖3(a)可知,在進水量等級為5級時,單位水量耗電量最大值為0.47(kW·h)/m3,最小值約為0.2(kW·h)/m3,分布比較分散;進水量等級為6級時,耗電量變化范圍較小,出現(xiàn)的概率較低,主要分布在0.22～0.4(kW·h)/m3;進水量等級為7時,耗電量變化范圍為0.2～0.4(kW·h)/m3,和等級為6時接近,但是頻率較多;進水量等級為8級時,最大值和7級差不多,但是主要分布在0.2～0.3(kW·h)/m3;進水量等級為9級時,最大值較8級減少較多,最大值<0.3(kW·h)/m3;進水量等級為10級時,出現(xiàn)頻率也較多,主要分布在0.19～0.23(kW·h)/m3;進水量等級為3級、4級時,耗電量也偏低,可能出現(xiàn)這種情況的原因是進水量偏低或者是檢修期,污水處理廠僅啟用了兩個相同的生化系統(tǒng)中的1個,且結(jié)合圖2(a)可知3～4級出現(xiàn)的概率較低,屬于異常情況,本文不做過多的分析。從整體耗電量水平可以看出,進水量等級5級與10級的耗電量最高值的差距約為一半,隨著進水量等級的提高,最大耗電量也相應(yīng)地減少,耗電量均值也處于逐漸減少的狀態(tài)。因此,可以得出單位水量耗電量隨進水量的增加而減小。

從圖3(b)可知,進水COD濃度占比等級在3～7級時,耗電量水平較低,出現(xiàn)的頻率不高,且單位水量耗電量均值隨進水COD濃度占比等級的提高而提高,結(jié)合圖2可知,進水COD濃度占比等級3～7級出現(xiàn)頻率很低,不能反映污水處理廠主要的規(guī)律;當(dāng)進水COD濃度占比等級為8～12級時,單位水量耗電量隨進水COD 濃度占比等級的變化規(guī)律不明顯,單一級別的單位水量耗電量的變化幅度較大,最低時單位水量耗電量約為0.15(kW·h)/m3,最高時達到0.45(kW·h)/m3,差距為3倍之多;且出現(xiàn)耗電量高值的頻次較少,高頻次耗電量水平主要集中的0.2～0.3(kW·h)/m3。

從圖3(c)可知,在COD處理總量占比等級為1～3級時,單位水量耗電量隨COD處理總量占比等級變化的規(guī)律不明顯;當(dāng)COD處理總量占比等級為4～13級時,單一COD處理總量占比等級的單位水量耗電量最大值均隨著COD處理總量占比等級的提高而降低,最大值從5級的0.47 (kW·h)/m3降至13級時的0.26(kW·h)/m3,差距接近2倍。亦即COD處理總量越高,單位水量耗電量最大值越低,耗電量分布越集中。

2.3 三維相關(guān)分析

從以上統(tǒng)計分析可知,單位水量耗電量隨著進水量、進水水質(zhì)及污水處理程度的變化而產(chǎn)生變化。進水量相同,污染物濃度不同或污染物處理程度不同,單位水量耗電量也不同;污染物濃度相同,進水量不同或污染物處理程度不同,單位水量耗電量也不同;污染物處理程度相同,進水量不同或污染物濃度不同,單位水量耗電量也不相同。那么,什么情況下單位水量耗電量出現(xiàn)高值、中值和低值,接下來通過單位水量耗電量與進水量等級、進水COD濃度占比等級和COD處理總量占比等級三維相關(guān)關(guān)系圖(圖4)來分析。

(a)

在圖4(a)中,在進水量等級和進水COD濃度占比等級綜合作用下,單位水量耗電量均值在進水等級為5～7級和進水COD濃度占比等級為9級～11級交匯處是最大的;進水量等級在8～10級與進水COD濃度占比等級8～13級交匯處,單位水量耗電量低。在進水COD濃度占比等級為10級、11級、13級、14級時,隨著進水量等級從5～10級,耗電量是逐漸減少的;進水COD濃度占比等級為6級、9級和12級時,單位水量耗電量隨進水量等級的增加出現(xiàn)先增加后減小的趨勢。整體上單位水量耗電量隨進水量等級的提高而降低;同一級別的進水量等級,單位水量耗電量隨進水COD濃度占比等級的增加出現(xiàn)不規(guī)則的變化。

在圖4(b)中,單位水量耗電量最大值主要集中在進水量等級為5～7級和COD處理總量占比等級為3～8級交匯處;單位水量耗電量最小值主要集中在進水量等級為8～10級和COD處理總量占比等級為7～13級交匯處。同一級別的COD處理總量占比等級,隨著進水量等級的增加,單位水量耗電量均值基本上呈現(xiàn)減少的趨勢;而同一進水量等級,隨著COD處理總量占比等級的增加,單位水量耗電量的變化不規(guī)則。

在圖4(c)中,單位水量耗電量最大值主要集中在進水COD濃度占比等級為10～11級和COD處理總量占比等級的4級、5級交匯處;單位水量耗電量最小值主要集中在進水COD濃度占比等級為8～13級和COD處理總量占比等級的7～13級交匯處的COD處理總量占比等級較大值的范圍。同一級別的進水COD濃度占比等級,單位水量耗電量基本上是隨著COD處理總量占比等級的提高而減小的,而同一級別的COD處理總量占比等級,單位水量耗電量基本隨著進水COD濃度占比等級的提高而增加的。

通過前述分析,可知單位水量耗電量高值主要出現(xiàn)在進水量等級為5級～7級、進水COD濃度為10～11級、COD處理總量占比為4～5級交匯處。這正好與圖2中,1月—3月單位耗電量水平較高,而進水量等級處于5～10級的變化且5級的頻率較高,進水COD濃度占比等級基本分布在比較集中的8～12級且8級頻率較高,COD處理總量占比等級主要集中在4～9級這一現(xiàn)象相吻合。耗電量水平低值主要集中在進水量等級為8～10級、且進水COD濃度占比等級為8～13級與COD處理總量占比等級為7～13級交匯處的COD處理總量占比等級的較大級別處。

3 結(jié)論

1)東北地區(qū)D污水處理廠進水量等級為8級時頻率最高;進水COD濃度占比等級出現(xiàn)頻率最高的是11級;COD處理總量占比等級出現(xiàn)頻率最高的是8級,單位水量耗電量的均值為0.26(kW·h)/m3,略低于東北地區(qū)的平均水平。

2)1月—3月單位水量耗電量較高,相應(yīng)的進水量等級處于5～10級的變化且5級的頻率較高,進水COD濃度占比等級基本分布在比較集中的8～12級且8級頻率較高,COD處理總量占比等級主要集中的4～9級。4月—9月耗電量水平整體較低,中高值和低值出現(xiàn)的頻率較高,而中值出現(xiàn)的頻率較低。

3)單位水量耗電量隨著單位時間進水量、進水水質(zhì)及污水處理程度的變化而產(chǎn)生變化。隨著進水量等級從5級提高到10級,單位水量耗電量隨之減小;COD處理總量越高,單位水量耗電量最大值越低,耗電量分布越集中。

4)單位水量耗電量高值主要出現(xiàn)在進水量等級為5～7級、進水COD濃度為10～11級、COD處理總量占比為4～5級交匯處。耗電量水平低值主要集中在進水量等級為8～10級、且進水COD濃度占比等級為8～13級與COD處理總量占比等級為7～13級交匯處的COD處理總量占比等級較大值的范圍。

5)本研究統(tǒng)計分析出能耗及其相關(guān)關(guān)系的變化規(guī)律,揭示了高能耗、低能耗發(fā)生的條件和時間,對于污水處理廠運行實踐具有理論參考作用。