城市环境污水处理过程节能优化控制方法分析

2022-01-04洪涛HONGTao

价值工程 2022年1期

洪涛HONG Tao

（广州市净水有限公司，广州 510000）

0 引言

随着我国人口数量的不断增长，居民及商业、工业的用水量也急剧增加。在早期的工业化进程中，由于对污水排放的不重视，加剧了水资源污染。为了解决这个问题，国家为污水处理项目提供了重要的政策和财政支持，并建立了许多污水处理厂。由于技术、经济、行政管理的限制，我国污水处理厂的运行成本高，能源消耗大，能耗效率低，很难创造出高额的社会效益。因此，污水处理行业过程分析及节能优化控制具有十分重要的意义。

1 污水节能优化控制方法研究的重要性

1.1 降低能源消耗

自21 世纪以来，节能减排已成为世界各国的热门话题。因此，如何减少能源的消耗，并了解人类的长期可持续性是重要关注的问题。其中，节能优化型废水治理是降低能源消耗的重要途径[1]。污水处理可以通过优化相关项目流程的运行管理并创建可行的处理计划来提高城市污水处理的效率，从而尽可能地将有限的能源消耗最小化。这样就可以实现城市的发展目标，并建设生态文明城市。

1.2 优化城市环境污水处理的条件

在机械加工方面，根据城市环境污水处理要求，对过程基础结构的升级改造和节能优化提出了较高的要求。如果无法通过过程连接来控制节能优化，则污水处理的成本会增加，并且在某些情况下会消耗过多的资源和能源，影响污水处理的效果。因此，必须继续使用城市污水处理连接过程的条件，有效地将节能优化与污水处理相结合使用，从而实现污水厂的经济发展目标。

1.3 促进经济效益的增长

通过继续使用先进的节能优化，使城市环境污水处理过程得到控制，为污水处理的各个方面创建科学且适当的项目计划，并将其应用于真实的城市污水处理，不仅可以节省成本，还可以开发其他节能优化控制器技术。促进国家的发展经济利益的不断增长。

2 项目概况介绍

大沙地污水处理系统服务面积107 平方公里，服务范围西起车陂涌流域，与猎德污水处理系统东区边界接壤，东至夏港大道，北起科学城广汕路，南至珠江前航道，主要收集深涌流域、乌涌流域的污水和科学城部分地区的污水，当中包含科学城以南地区面积80.9 平方公里，科学城地区面积26.1 平方公里。大沙地分公司主要分为一期厂区（一期原厂区以及提标改造厂区）和二期厂区（大沙地分公司扩建部分），总污水处理规模为45 万m3/d。其中一期厂区处理规模为20 万m3/d，二期厂区处理规模25 万m3/d；同时，大沙地分公司尾水排放标准执行《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB18918-2002）一级A 标准和地标V 类水较严标准，其进出水水质设计值如表1 所示。

表1 大沙地污水厂进出水水质设计值

一期厂区采用的污水处理工艺是改良A2/O 工艺，提标三级处理采用生物滤池和砂滤池工艺；二期采用的污水处理工艺是MBR 膜工艺，其工艺流程图分别如图1、图2所示。

图1 一期及提标工艺流程图

图2 二期工艺流程图

3 城市环境污水处理过程节能优化控制措施

为了有效降低城市环境污水处理的成本并改善水质，必须通过找到影响系统性能改善的关键因素来优化运行管理技术，其关键在于流程管理。

3.1 合理调整提升泵投用台数

当处于进水低负荷时段，大沙地污水厂一、二期提升泵运行数量在满足控制特定泵房液位的情况下，可尽可能减少其运行台数，从而避免出现如一期可以只开一台3#或4#提升泵满足当时提升量的情况下，实际情况却是同时运行1#和2#提升泵，造成生产能耗的增加。同时，可以通过增加进水低负荷时期的一、二期粗格栅运行次数，防止泵房液位过低造成提升泵低液位，保护跳泵。

图3 为2021 年1-7 月大沙地污水厂一二期提升泵月度单位水位电耗趋势，由图可以看出，大沙地污水厂一二期提升泵单位水位电耗趋势均较为平稳，且单耗值较低，特别是二期提升泵，月度单位水位电耗仅为0.02-0.03 度/吨水。根据实时泵房水位变化合理调节提升泵运行频率和台数，既可以稳定泵房水位，防止提升泵低水位空转，又可以降低提升泵的用电量，从而提高污水厂能源利用效率。

图3 2021 年1-7 月污水厂月度提升泵单位水位电耗趋势图

3.2 根据实际水量调整一期二期各级回流泵的使用

按设计标准运行，大沙地污水厂一期生化池混合液回流比应控制在100%-200%，污泥回流比控制在50%-100%；二期生化池缺氧至厌氧区回流比控制在100%-200%，好氧至缺氧区回流比控制在200%-300%，膜池至好氧区回流比控制在400%-500%。

当处于进水低负荷时段，一期以1#线生产线处理为主而2#线减少进水，2#线混合液、污泥回流泵调整至各运行一台；二期则调整至只有单边生产线进水，另一边生产线少量甚至停止进水。少量或停止进水的生产线各级回流只保留一台回流泵运行，并且调整运行频率使各级回流按照设计回流比运行。根据实际处理水量及时调整生产线，从而降低机械用电能耗，不仅可延长机械的寿命，还能使污水处理单耗电量降低，提高经济效益。

3.3 适时调整一、二期鼓风机的投用数量

按设计标准运行，大沙地污水厂一期生化反应池好氧中段DO 应控制在1-2mg/L 之间，末段DO 控制在1mg/L 以下；二期生化反应池好氧段3#DO 计控制在1-2mg/L 之间，末端4#DO 计控制在0.5mg/L 左右。

当进水处于低负荷时段，一期生产线视池面曝气情况和DO 计数值，尽可能减少鼓风机投用台数；二期单边生产线进水，另一边生产线少量甚至停止进水，此时段内打开生化池鼓风机连通阀，运行一台生化池鼓风机保证单边进水的生产线好氧段DO 尽可能满足上述控制值要求，少量或停止进水的生产线则在保证好氧段有搅拌效果的前提下尽量降低曝气量。鼓风机电耗是污水处理厂电耗的主要来源之一[2]，因此，根据实际情况调节鼓风机的投用，对污水厂电耗降低有关键作用。图4 为大沙地污水厂2021 年1-7 月一二期鼓风机月度单位水位电耗趋势，由图可以看出，随着工艺调控的科学化和精准化，一二期生化池鼓风机用电量单耗逐渐降低，其中6 月份用电量单耗最低，一期生化池仅为0.05 度/吨水，二期生化池为0.06 度/吨水，污水厂鼓风机用电量约占总用电量的30%左右。因此，根据水质水量适时调整鼓风机的投用，可以有效地起到节能减排的作用。

图4 2021 年1-7 月污水厂月度鼓风机单位水位电耗趋势图

3.4 应用污水生物脱氮法

在城市环境污水处理过程中，水体的富营养化是一个较突出问题。从污废水中去除氮和磷已经成为众多污水处理厂面临的普遍问题[3]。为了解决水体的富营养化问题，许多污水处理厂采用了生物处理的方法，通过生物化学反应实现污水脱氮除磷。同时，在污水处理过程中，有必要根据污水中不同类型的氮而选择适当的生物和反应池进行处理。例如，污水中不溶于水体的氮，可以通过沉淀过滤的方式进行处理，从而减少后续生物硝化反应和反硝化反应的负荷，降低生物反应池的能耗，同时达到污水处理的效果。

3.5 采用反硝化除磷技术达到节能优化目标

生物除磷技术是通过聚磷菌的吸磷作用，将污水中的磷聚集在聚磷菌中，并通过排放剩余污泥的形式将其排出，从而降低水中磷的含量。目前研究表明，聚磷菌分为两种：一种是好氧聚磷菌，以氧为电子受体；另一种是反硝化聚磷菌，以硝酸盐为电子受体。反硝化聚磷菌在厌氧环境下与好氧聚磷菌一样，释放磷并产生ATP。在缺氧段，反硝化聚磷菌以硝酸盐为受体进行吸磷，并将硝酸盐转化为N2，从而实现脱氮除磷。目前最具代表性的反硝化除磷工艺有三种，分别是：BCFS 工艺、Dephanox 工艺、A2NSBR 工艺。其中BCFS 工艺属于单级工艺，Dephanox 工艺、A2NSBR 工艺属于双级工艺。BCFS 工艺已在欧美多个污水处理厂投入使用[4]，而双级工艺也在我国的一些污水处理厂试验成功。如邹伟国创造了PASF 工艺并应用于上海某污水处理厂，结果表明，该工艺出水效果稳定，对氨氮和总磷的去除率分别达到95%和90%[5]。反硝化除磷不仅能实现高效脱氮除磷，而且还能节省部分的碳源和溶解氧，从而促进污水处理厂节能减排。研究表明，实现反硝化除磷可节省50%的COD 和30%的O2消耗量，相应减少50%的剩余污泥排放量[6]。将反硝化脱氮和除磷合二为一，真正地为污水厂节省部分的能源和资源，是一个可持续发展的绿色工艺。

3.6 进一步提升电气节能优化能力

除水危机外，我国也正在遭受能源危机。我们必须尽力节约能源，减少排放并做好维护和控制工厂电路的工作。此外，注意有关电源线的损耗并选择质量好的电缆线路，从而减少维护成本。在污水处理厂中，应选择合适的变压器并处理三相变压器电路，污水处理厂的建设所需的工作量相对较小。因此，有必要缩短传输线并注意总体分配中的功率损耗。电阻与线的长度成正比，与线的横截面成反比。因此，通过选择合适的变速箱可以减少电阻并节省动力。另外，可以增加电线中铝和黄铜的强度，由于污水处理圈几乎是恒定的，因此铜线是最佳选择,同时必须注意确保中央负载变压器之间的距离不要太大。通过详细研究提升电气节能优化能力并应用与污水处理，可以有效节省能源和成本。（如图5 所示）

图5 遗传算法在污水处理厂的应用原理

3.7 做好污水处理单元的条件优化工作

优化对象沿污水处理过程的位置是节能优化和污水处理过程控制的重要部分，其内容主要包括以下三点：①为了实现提高各个污水处理链接的污水处理效率的目标，需要根据处理率目标要求开发实用的解决方案；②对于其他污水处理设备，必须及时有效地分析所选设备，并对其进行合理控制以实现最终目标；③为提高我国污水处理技术水平奠定基础，有必要最终确定污水处理控制平台的优化方案，并且需要不断改进污水处理控制平台。