10萬噸天AAO接觸氧化工藝污水廠設(shè)計(jì)【含13張CAD圖紙、說明書】
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附錄一 中文譯文
城市污水處理設(shè)施的能源效率策略
J.昂和K.哈勒特(國家再生能源實(shí)驗(yàn)室),J.德沃爾夫和I.文納
馬爾科姆·皮爾尼(荷蘭阿卡迪斯的水利廳)
執(zhí)行摘要
水和污水處理系統(tǒng)是重要的能源消費(fèi)者，據(jù)估計(jì)美國總電力消耗的3％-4％用于水和污水處理和調(diào)動(dòng)[1,2]。水-能源的問題在水資源短缺，能源和原材料成本較高，氣候變化的背景下顯得日益重要。在這種經(jīng)濟(jì)環(huán)境下，無論在水和能源的利用上，效率都是公用事業(yè)上的最大利益。在水和污水處理設(shè)施方面的能源審計(jì)，是社會(huì)能源管理人員可以尋找機(jī)會(huì)來節(jié)省資金，能源和水的方法之一。
本文利用克雷斯特德比特，科羅拉多州的污水處理廠：
執(zhí)行的過程中能量審計(jì)的一個(gè)案例研究，來說明了污水處理設(shè)施使用能源的重要性。能源審計(jì)從電源密集單位的過程，如泵進(jìn)水，曝氣，紫外線消毒，污泥處理等方面，鑒定了顯著節(jié)約能源的機(jī)會(huì)。本案例研究介紹了在水和污水處理方面滿足設(shè)施管理者節(jié)約能源和財(cái)政的追求，而很樂意被接受的最佳做法。本文的目的是提高社會(huì)能源管理者對(duì)于水和污水部門在一個(gè)社會(huì)能源消費(fèi)總量中地位的認(rèn)識(shí)。所描述的能源效率策略提供了節(jié)約能源機(jī)會(huì)的信息，可以用來作為一個(gè)討論水與污水處理設(shè)備管理者的能源管理目標(biāo)的基礎(chǔ)。
第一章 引言
1.1水和污水部門的能源使用
供水和污水處理系統(tǒng)是重要的能源消費(fèi)者。據(jù)估計(jì)美國電力消耗的3％-4％用于水及污水的調(diào)動(dòng)和處理[1,2]。從一項(xiàng)功用到另一項(xiàng)，能源使用的確切成本會(huì)呈現(xiàn)很大的不同，估計(jì)范圍在總運(yùn)行成本的2%—60%[3,4]。能源代表了污水公用事業(yè)大體上的成本，因?yàn)閺奈唇?jīng)處理污水的收集到處理后污水的排放，在處理的各個(gè)階段中都特別需要它。由于供水和污水處理廠在設(shè)計(jì)和運(yùn)營時(shí)，主要關(guān)切的并不是能源效率，當(dāng)能源的社區(qū)基金提高突出時(shí)，這些系統(tǒng)可以被忽略。
然而，通過業(yè)務(wù)的變化和供水和污水處理事業(yè)成本的改善，可發(fā)現(xiàn)大量的能源和財(cái)政節(jié)余。供水和污水設(shè)備的操作者和管理者有一個(gè)范圍很廣泛的優(yōu)先次序，能源消費(fèi)是其中之一[5]。其主要職責(zé)包括：
·遵守法規(guī)要求，以滿足客戶，公眾健康和生態(tài)需求
·在合理的和可預(yù)測(cè)的利率上提供可靠的服務(wù)
·從長(zhǎng)期債務(wù)，設(shè)備條件，日常運(yùn)營和維護(hù)成本以及收入中平衡的維修和更換的需求
·優(yōu)化運(yùn)營和維護(hù)，以降低成本，并確保資產(chǎn)的長(zhǎng)壽。
分配時(shí)間進(jìn)行能源審計(jì)，并作出必要的物理和運(yùn)營的變化，可以產(chǎn)生可觀的效益。能源審計(jì)幫助確認(rèn)在設(shè)備方面的最大能源消耗，顯示改善運(yùn)營的機(jī)會(huì)，檢測(cè)設(shè)備老化和運(yùn)行不佳的問題。審計(jì)結(jié)果可以幫助提高能源利用率，從而顯示出市政府減少運(yùn)行成本機(jī)會(huì)，同時(shí)也減少對(duì)環(huán)境和周邊社會(huì)的影響。
1.2環(huán)保局8區(qū)的合作伙伴
美國環(huán)境保護(hù)署（EPA）地區(qū)8辦公服務(wù)于西山間：科羅拉多州，蒙大拿州，北達(dá)科他州，南達(dá)科他州，猶他州和懷俄明州。2010年10月，環(huán)保局8區(qū)著手關(guān)于公共污水和飲用水公用工程項(xiàng)目的環(huán)保局8區(qū)公用工程合作能源管理倡議， 其重點(diǎn)是幫助市政供水和污水公用工程減少能源消費(fèi)，提高可靠性和性能，并且減少對(duì)環(huán)境的影響。在這個(gè)方案中，8區(qū)辦公室與10-15個(gè)社區(qū)供水與污水處理設(shè)施合作，來完成下列任務(wù)：
·當(dāng)前和未來的基準(zhǔn)使用于環(huán)保局組合管理工具[6]中
·執(zhí)行工藝的能源審計(jì)
·利用環(huán)保局的確?？沙掷m(xù)發(fā)展未來提升能源管理計(jì)劃：一本污水與供水公用工程 http://www.epa.gov/owm/waterinfrastructure/pdfs/guidebook_si_energymanagement.pdf
的能源管理指南
·與環(huán)保局8區(qū)共同致力于實(shí)施提高能源效率和共享結(jié)果。
為了提高這一方案的廣度，向沒參與的當(dāng)局政府證明它的價(jià)值，環(huán)保局8區(qū)計(jì)劃建立一個(gè)研究方案與其他橫跨西山間的供水和污水公用工程分享，簡(jiǎn)單介紹一些參與進(jìn)來的公用工程并且闡述優(yōu)化能源性能的工藝，利益和挑戰(zhàn)。
圖1-1克雷斯特德比特，科羅拉多
出處：NREL/PIX 19943
第二章 案例研究：克雷斯特德比特
2.1背景
克雷斯特德比特參與該計(jì)劃的支持，要求它們的污水處理廠（WWTP）在工藝中執(zhí)行能源審計(jì)。通過工藝改造和改善運(yùn)營，能源審計(jì)側(cè)重于容易實(shí)現(xiàn)的節(jié)能減排的機(jī)會(huì)。審計(jì)考慮優(yōu)化現(xiàn)有工藝來實(shí)現(xiàn)更好的控制，監(jiān)測(cè)和污水處理廠的出水水質(zhì)。審計(jì)還幫助市鎮(zhèn)開始跟蹤及評(píng)定了污水處理廠的能源利用。能源部的國家再生能源實(shí)驗(yàn)室（NREL）與克雷斯特德比特鎮(zhèn)，馬爾科姆皮爾尼，ARCADIS的水部門，資源利用率辦公室，和甘尼森郡電力協(xié)會(huì)（GCEA）（擔(dān)任評(píng)估小組）合作執(zhí)行能源審計(jì)。這種合作關(guān)系為這些組織如何分析和實(shí)現(xiàn)節(jié)約能源效率以支持當(dāng)?shù)啬芰Πl(fā)展，社區(qū)的教育工作和水/污水公用工程創(chuàng)造了機(jī)會(huì)。本文的目的是分享從克雷斯特德比特和其他社區(qū)，幫助他們實(shí)現(xiàn)他們的節(jié)能減排和環(huán)保目標(biāo)的工藝能源審計(jì)中得到的能源效率策略。
2.2克雷斯特德比特的污水處理廠
克雷斯特德比特是一個(gè)小鎮(zhèn)，位于科羅拉多州的西坡，它是戶外運(yùn)動(dòng)的一個(gè)主要旅游目的地。該污水處理廠建于1997年，服務(wù)于本鎮(zhèn)，有常住人口1500人。污水處理廠處理住宅和商業(yè)客戶的污水，并沒有較大的工業(yè)污水排放到工廠。該工廠還接受從克雷斯特德比特山的水和衛(wèi)生區(qū)的污泥。
這個(gè)鎮(zhèn)有一個(gè)氧化溝污水處理廠，擁有以30天的每日平均流量，每天0.6百萬加侖（MGD）的處理能力。該水廠由沉砂，進(jìn)水泵，曝氣，澄清，紫外線（UV）消毒，和污泥處理工藝組成。經(jīng)處理的污水從水廠排入到石板河。污泥在水廠內(nèi)進(jìn)行增稠和脫水，運(yùn)送到當(dāng)?shù)氐睦盥駡?chǎng)處置。一個(gè)水廠簡(jiǎn)化的工藝流程圖如圖2所示。
垃圾填埋場(chǎng)
污泥處理
石板河
澄 清
進(jìn)水泵
紫外線消毒
曝 氣
沉 沙
城 鎮(zhèn)
圖2-1克雷斯特德比特污水處理廠工藝流程圖
出處：NREL
2.3能源審計(jì)
作為在環(huán)保局項(xiàng)目中城鎮(zhèn)參與的一部分，其要求對(duì)處理工藝進(jìn)行能源審計(jì)。雖然在這項(xiàng)研究中不包括建筑能源審計(jì)，但評(píng)估照明，加熱，冷卻和通風(fēng)系統(tǒng)也可以在污水處理設(shè)施中節(jié)約大量的資金和能源。
由美國采暖，制冷和空調(diào)工程師協(xié)會(huì)（ASHRAE）協(xié)會(huì)概述的能源審計(jì)有三個(gè)級(jí)別。這些審計(jì)級(jí)別的不同，是由水平的復(fù)雜性，深入分析和審計(jì)的詳細(xì)程度來規(guī)定。審計(jì)范圍從一級(jí)（演練）到三級(jí)（計(jì)算機(jī)模擬）。
能源審計(jì)級(jí)別[7]
一級(jí)：演練評(píng)估
二級(jí)：能源的調(diào)查與分析
三級(jí)：詳細(xì)的分析/建模
圖2-2能源審計(jì)級(jí)別
出處：NREL
以克雷斯特德比特為例，一級(jí)審計(jì)，其中包括注重于集中處理工藝能源使用的水廠演練。一級(jí)審計(jì)：
·通過現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，以確定維修和/或運(yùn)營需求和缺陷設(shè)備，評(píng)估能耗和效率
·使用能耗信息，以了解使用模式和發(fā)展能源基準(zhǔn)
·以低或無措施為成本，估算能源和成本節(jié)約
2.4收集數(shù)據(jù)
工藝的能源審計(jì)由從圖紙，操作記錄，水電費(fèi)和設(shè)備清單中編纂的數(shù)據(jù)著手，以提高對(duì)水廠能源使用模式的了解。評(píng)估小組對(duì)圖紙進(jìn)行磋商，以尋找可與水廠物理布局聯(lián)系起來的任何操作或能源的問題。例如，圖紙表明現(xiàn)有的溶解氧（DO）計(jì)，位于氧化溝的缺氧區(qū)。這樣的構(gòu)造并沒有建立出一個(gè)理想的控制氧氣或氧化溝性能的反饋。通常，在溶解氧水平大于零時(shí)，查找這種測(cè)量裝置更有效果，比如在出水區(qū)。
操作記錄和參數(shù)，如生物需氧量（BOD）和總懸浮固體（TSS），是用來區(qū)別原水水質(zhì)的組成形式和污水處理廠的性能。水廠運(yùn)行數(shù)據(jù)是用來建立具有鮮明原水條件的三個(gè)“作業(yè)時(shí)期”。這些時(shí)期反映了暫住人口的變化和全年收集系統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)滲透。下面總結(jié)了與三個(gè)時(shí)期相關(guān)的條件：
·第一季（10月 - 3月）：低流量，低負(fù)荷（BOD，TSS在一英鎊每天的基礎(chǔ)上），污水溫度低
·第二季（4月 - 6月）：高流動(dòng)性，平均負(fù)載，污水溫度低
·第三季（7月 - 9月）：平均流量，高負(fù)荷，污水溫度較高。
評(píng)估小組審查設(shè)備清單來確定水廠設(shè)備的年齡和馬力，并查明該設(shè)備的主要能源消耗。根據(jù)它們特有的操作和控制，鎮(zhèn)污水處理廠的主要能源消耗簡(jiǎn)略清單總結(jié)如表1。這個(gè)信息用于將能源設(shè)計(jì)集中在水廠內(nèi)工藝的主要能源消耗，來最大限度的得到節(jié)約能源的機(jī)會(huì)
表2-1克雷斯特德比特污水處理廠：主要能源消耗
設(shè)備
數(shù)量
馬力
運(yùn)行
控制
機(jī)械曝氣機(jī)
1
75
連續(xù)
變頻調(diào)速（VFD），手動(dòng)調(diào)整
離心機(jī)
1
40
10-20小時(shí)/周
VFD，固定速度
進(jìn)水泵
（1號(hào)）
1
4.7
連續(xù)
VFD，基于流動(dòng)速度
進(jìn)水泵
（2、3號(hào)）
2
17.5
2號(hào)泵連續(xù)
3號(hào)泵備用
VFD，基于流動(dòng)速度
VFD，基于流動(dòng)速度
鼓風(fēng)機(jī)
3
15
間歇
固定速度
攪拌機(jī)
3
4
連續(xù)
固定速度
UV系統(tǒng)
2岸
7.3 (kw)
連續(xù)
固定，2岸
2.5現(xiàn)有的工藝性能
水廠的操作人員對(duì)每一工藝進(jìn)行了詳細(xì)的討論，來了解性能的傾向和重點(diǎn)部分。以下各段所述了污水處理廠的工藝性能和經(jīng)營策略上的一般性意見。
2.5.1進(jìn)水泵房/渠首
進(jìn)水系統(tǒng)由三個(gè)泵組成：
·一個(gè)4.7馬力（HP）泵（1號(hào)泵）
·兩個(gè)17.5馬力泵（2號(hào)和3號(hào)泵）。
2號(hào)泵在濕井水平檢測(cè)的基礎(chǔ)上連續(xù)運(yùn)行。所有泵變頻調(diào)速（VFDs）。
2.5.2曝氣/氧化溝
鎮(zhèn)上的污水處理廠有一個(gè)氧化溝，用來提供好氧條件以去除BOD和氨氮。氧化溝的缺氧部分用來進(jìn)行反硝化，恢復(fù)堿度以及降低需氧量。氧化溝有一個(gè)75馬力的運(yùn)行于變頻調(diào)速的曝氣機(jī)，它的操作基于根據(jù)每天DO濃度讀數(shù)的手動(dòng)調(diào)整。通常情況下，從VFDs上節(jié)約的能源是來自于適應(yīng)系統(tǒng)條件的自動(dòng)調(diào)整，而不是手動(dòng)調(diào)整。氧化溝在缺氧區(qū)還有兩個(gè)連續(xù)運(yùn)行的攪拌機(jī)?，F(xiàn)有位于缺氧區(qū)的DO儀還無法運(yùn)作。
2.5.3沉淀
該污水處理廠有兩個(gè)沉淀池，一個(gè)連續(xù)運(yùn)行，另一個(gè)在流量過大時(shí)進(jìn)行補(bǔ)足沉淀。
2.5.4紫外線消毒
水廠的紫外線系統(tǒng)設(shè)計(jì)流量為1.3MGD（該設(shè)施允許容量的兩倍）。該系統(tǒng)目前在兩岸上線運(yùn)行。水廠人員每年更換一次紫外線系統(tǒng)燈以進(jìn)行預(yù)防性維護(hù)。
自2008年以來，平均污水大腸桿菌群濃度一直在8.3計(jì)數(shù)/100毫升（mL），每7天平均為214.3計(jì)數(shù)/100mL。污水允許大腸桿埃希氏菌（大腸桿菌群組的一部分）的濃度是1372 計(jì)數(shù)/100mL（平均30天）和2,744 計(jì)數(shù)/100mL（平均7天）。目前的操作方法使得大腸桿菌群水平顯著低于允許要求。
2.5.5污泥處置
污水處理廠具有自熱式高溫好氧消化（ATAD）系統(tǒng)，但因?yàn)闅馕秵栴}而無法運(yùn)作。因此，目前污泥在貯泥池中增稠并轉(zhuǎn)運(yùn)到濃縮池中保存。由于現(xiàn)有廠房管道配置，污泥必須從濃縮池中抽取到ATAD貯存池中，以到達(dá)離心機(jī)來進(jìn)行脫水作用。雖然這給予了額外的存儲(chǔ)空間，并因此不必太頻繁地前往垃圾填埋場(chǎng)，但它也需要與ATAD儲(chǔ)罐相關(guān)的15馬力的鼓風(fēng)機(jī)保持運(yùn)行狀態(tài)。
40馬力的離心機(jī)是由變頻驅(qū)動(dòng)控制，但通常是在一個(gè)恒定的速度下運(yùn)行。離心機(jī)每周可填滿一次一個(gè)20立方碼的垃圾箱。來自離心機(jī)的離心機(jī)分離液通過管道輸送到氧化溝，這可能會(huì)影響到氧化過程的性能。
2.6水廠演練
利用這個(gè)運(yùn)行的見解，評(píng)估小組參觀了污水處理廠進(jìn)行的一級(jí)水廠演練。這個(gè)工作包括目視檢查以確定操作或維護(hù)的問題，并從主要的水廠設(shè)備中收集能源數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)將用于城鎮(zhèn)發(fā)展中關(guān)于運(yùn)營和維護(hù)（O＆M）的節(jié)約費(fèi)用估計(jì)以及設(shè)備的優(yōu)先資金改善。
GCEA協(xié)助評(píng)估小組，在審計(jì)過程中，通過測(cè)量主要設(shè)備的實(shí)際功耗，包括污泥輸送泵和風(fēng)機(jī)，其中投產(chǎn)15分鐘的增量用來記錄實(shí)際功耗。使用一致的時(shí)間間隔來測(cè)量功耗讓設(shè)備平穩(wěn)啟動(dòng)功耗得到足夠的時(shí)間。這些數(shù)據(jù)將會(huì)被視為城鎮(zhèn)幫助制定的發(fā)展優(yōu)化。
圖2-3收集紫外線系統(tǒng)的功耗數(shù)據(jù)
出處： NREL/PIX 19941
在審計(jì)過程中，對(duì)溶解氧濃度進(jìn)行測(cè)量以確定氧化溝曝氣效果。這些濃度創(chuàng)建成一個(gè)DO的資料，用來更好地了解水廠運(yùn)作。
圖2-4測(cè)量溶解氧資料
出處：NREL/PIX 19942
為水廠而開發(fā)出的一個(gè)BioWin模型 BioWin是基于Microsoft Windows的模擬器，用于污水處理廠的設(shè)計(jì)和分析。
http://www.envirosim.com/products/bw32/bw32intro.php
，利用了進(jìn)水特性，溫度，歷史的溶解氧濃度，典型曝氣機(jī)速度以及測(cè)量溶解氧資料。利用這個(gè)工藝模型，評(píng)估小組確定出現(xiàn)有的約使用15年的曝氣機(jī)，相對(duì)于新的曝氣機(jī)，其擁有較低的轉(zhuǎn)移效率——這意味著要達(dá)到預(yù)計(jì)的溶解氧濃度，需要更多的能量來驅(qū)動(dòng)曝氣機(jī)。
2.7節(jié)約能源的首要機(jī)遇
基于水廠運(yùn)行信息和在審計(jì)過程中收集的數(shù)據(jù)，評(píng)估小組為污水處理廠提出了節(jié)約能源的建議。
2.7.1進(jìn)水泵房/渠首
污水處理廠提供的流量數(shù)據(jù)指出，第二季（4月—6月）期間的滲透和進(jìn)水(I&I)是有問題的。為了減輕這些問題，在收集系統(tǒng)中識(shí)別由泄漏和斷裂所造成的關(guān)鍵性的I&I區(qū)域是很有用的。這些信息將有助于區(qū)分修理或更換系統(tǒng)管道工作的優(yōu)先次序。
2.7.2曝氣/氧化溝
與運(yùn)行數(shù)據(jù)一起，氧化溝中的溶解氧水平測(cè)量，指明曝氣機(jī)并沒有有效地運(yùn)行。鑒于這是污水處理廠最大馬力的電機(jī)，曝氣機(jī)已接近結(jié)束其使用壽命，評(píng)估小組建議用一個(gè)更節(jié)能的模式取代它。該污水處理廠也可以考慮安裝一個(gè)新的DO表和/或在氧化溝排污口附近安裝氨氣傳感器，以提供給氧化溝更多有用的反饋性能。把儀表連接到水廠的監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集（SCADA）系統(tǒng)上，這將使其能夠進(jìn)行連續(xù)的監(jiān)測(cè)和控制溶解氧水平。如果用這些讀數(shù)來自動(dòng)控制曝氣機(jī)的速度，則可以節(jié)約額外的能源。
圖2-5機(jī)械曝氣氧化溝
出處：NREL/PIX 19944
2.7.3紫外線消毒
當(dāng)前運(yùn)行的UV系統(tǒng)與最終設(shè)計(jì)流量一直，為1.3MGD。與目前最大的工作流量0.6百萬MGD相比（少于一半的UV系統(tǒng)的設(shè)計(jì)流量），污水處理廠超過了許可規(guī)定。因此，評(píng)估小組建議，污水處理廠只運(yùn)作UV系統(tǒng)的一岸來代替運(yùn)行兩岸。由于該系統(tǒng)的目的是主要處理比污水處理廠現(xiàn)有收到的更多的污水，設(shè)備還可以與制造商一起進(jìn)行可能的系統(tǒng)修改，通過卸下燈泡，翻新或?qū)⒁恍╂?zhèn)流器斷電以節(jié)省能源。將UV系統(tǒng)連接到SCADA也將提高控制性能。
污水處理廠也可能考慮較少更換UV系統(tǒng)燈——制造商建議運(yùn)作13,500小時(shí)后或每1.5年更換燈泡。目前的運(yùn)行做法是計(jì)劃每年都維修更換燈泡，無論運(yùn)行多長(zhǎng)時(shí)間。增加更換燈泡的時(shí)間間隔，將節(jié)省水廠的材料成本和浪費(fèi)的運(yùn)作。
2.7.4污泥處置
目前污泥處理工藝運(yùn)行效率低下是由于為進(jìn)行脫水作用，而使用現(xiàn)行的ATAD系統(tǒng)管道來到達(dá)離心機(jī)造成的。ATAD系統(tǒng)重新開始運(yùn)作時(shí)，這種效率低下會(huì)有所提高。不過，污水處理廠也可以考慮管道改造，允許污泥直接從濃縮池移動(dòng)到離心機(jī)，繞過ATAD系統(tǒng)。這種改變將淘汰污泥處理系統(tǒng)中的轉(zhuǎn)移泵。
污水處理廠的主要產(chǎn)品之一，是污泥或生物固體[8]。直到二，三十年以前，8區(qū)污水處理廠的通常做法是通過填埋或焚燒處置污泥。不過，這些時(shí)間以來，更多的設(shè)施放入生物固體進(jìn)行有益的回用，并且現(xiàn)在8區(qū)產(chǎn)生的85%的生物固體被回收利用[9]。最常見的做法是，生物固體作為土壤改良劑用于農(nóng)業(yè)土地施肥，或用于土壤恢復(fù)。
參考文獻(xiàn)
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