10萬噸天AAO接觸氧化工藝污水廠設(shè)計【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(國家再生能源實驗室),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)是重要的能源消費者，據(jù)估計美國總電力消耗的3％-4％用于水和污水處理和調(diào)動[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，是社會能源管理人員可以尋找機會來節(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的一個案例研究，來說明了污水處理設(shè)施使用能源的重要性。能源審計從電源密集單位的過程，如泵進水，曝氣，紫外線消毒，污泥處理等方面，鑒定了顯著節(jié)約能源的機會。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能源管理者對于水和污水部門在一個社會能源消費總量中地位的認識。所描述的能源效率策略提供了節(jié)約能源機會的信息，可以用來作為一個討論水與污水處理設(shè)備管理者的能源管理目標的基礎(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)是重要的能源消費者。據(jù)估計美國電力消耗的3％-4％用于水及污水的調(diào)動和處理[1,2]。從一項功用到另一項，能源使用的確切成本會呈現(xiàn)很大的不同，估計范圍在總運行成本的2%—60%[3,4]。能源代表了污水公用事業(yè)大體上的成本，因為從未經(jīng)處理污水的收集到處理后污水的排放，在處理的各個階段中都特別需要它。由于供水和污水處理廠在設(shè)計和運營時，主要關(guān)切的并不是能源效率，當能源的社區(qū)基金提高突出時，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)大量的能源和財政節(jié)余。供水和污水設(shè)備的操作者和管理者有一個范圍很廣泛的優(yōu)先次序，能源消費是其中之一[5]。其主要職責包括：
·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)測的利率上提供可靠的服務(wù)
·從長期債務(wù)，設(shè)備條件，日常運營和維護成本以及收入中平衡的維修和更換的需求
·優(yōu)化運營和維護，以降低成本，并確保資產(chǎn)的長壽。
分配時間進行能源審計，并作出必要的物理和運營的變化，可以產(chǎn)生可觀的效益。能源審計幫助確認在設(shè)備方面的最大能源消耗，顯示改善運營的機會，檢測設(shè)備老化和運行不佳的問題。審計結(jié)果可以幫助提高能源利用率，從而顯示出市政府減少運行成本機會，同時也減少對環(huán)境和周邊社會的影響。
1.2環(huán)保局8區(qū)的合作伙伴
美國環(huán)境保護署（EPA）地區(qū)8辦公服務(wù)于西山間：科羅拉多州，蒙大拿州，北達科他州，南達科他州，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目的環(huán)保局8區(qū)公用工程合作能源管理倡議， 其重點是幫助市政供水和污水公用工程減少能源消費，提高可靠性和性能，并且減少對環(huán)境的影響。在這個方案中，8區(qū)辦公室與10-15個社區(qū)供水與污水處理設(shè)施合作，來完成下列任務(wù)：
·當前和未來的基準使用于環(huán)保局組合管理工具[6]中
·執(zhí)行工藝的能源審計
·利用環(huán)保局的確保可持續(xù)發(fā)展未來提升能源管理計劃：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，向沒參與的當局政府證明它的價值，環(huán)保局8區(qū)計劃建立一個研究方案與其他橫跨西山間的供水和污水公用工程分享，簡單介紹一些參與進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。通過工藝改造和改善運營，能源審計側(cè)重于容易實現(xiàn)的節(jié)能減排的機會。審計考慮優(yōu)化現(xiàn)有工藝來實現(xiàn)更好的控制，監(jiān)測和污水處理廠的出水水質(zhì)。審計還幫助市鎮(zhèn)開始跟蹤及評定了污水處理廠的能源利用。能源部的國家再生能源實驗室（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（GCEA）（擔任評估小組）合作執(zhí)行能源審計。這種合作關(guān)系為這些組織如何分析和實現(xiàn)節(jié)約能源效率以支持當?shù)啬芰Πl(fā)展，社區(qū)的教育工作和水/污水公用工程創(chuàng)造了機會。本文的目的是分享從克雷斯特德比特和其他社區(qū)，幫助他們實現(xiàn)他們的節(jié)能減排和環(huán)保目標的工藝能源審計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小鎮(zhèn)，位于科羅拉多州的西坡，它是戶外運動的一個主要旅游目的地。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。
這個鎮(zhèn)有一個氧化溝污水處理廠，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)進行增稠和脫水，運送到當?shù)氐睦盥駡鎏幹谩Ｒ粋€水廠簡化的工藝流程圖如圖2所示。
垃圾填埋場
污泥處理
石板河
澄 清
進水泵
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
作為在環(huán)保局項目中城鎮(zhèn)參與的一部分，其要求對處理工藝進行能源審計。雖然在這項研究中不包括建筑能源審計，但評估照明，加熱，冷卻和通風系統(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（ASHRAE）協(xié)會概述的能源審計有三個級別。這些審計級別的不同，是由水平的復(fù)雜性，深入分析和審計的詳細程度來規(guī)定。審計范圍從一級（演練）到三級（計算機模擬）。
能源審計級別[7]
一級：演練評估
二級：能源的調(diào)查與分析
三級：詳細的分析/建模
圖2-2能源審計級別
出處：NREL
以克雷斯特德比特為例，一級審計，其中包括注重于集中處理工藝能源使用的水廠演練。一級審計：
·通過現(xiàn)場調(diào)查，以確定維修和/或運營需求和缺陷設(shè)備，評估能耗和效率
·使用能耗信息，以了解使用模式和發(fā)展能源基準
·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)
工藝的能源審計由從圖紙，操作記錄，水電費和設(shè)備清單中編纂的數(shù)據(jù)著手，以提高對水廠能源使用模式的了解。評估小組對圖紙進行磋商，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，位于氧化溝的缺氧區(qū)。這樣的構(gòu)造并沒有建立出一個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，查找這種測量裝置更有效果，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。水廠運行數(shù)據(jù)是用來建立具有鮮明原水條件的三個“作業(yè)時期”。這些時期反映了暫住人口的變化和全年收集系統(tǒng)的經(jīng)驗滲透。下面總結(jié)了與三個時期相關(guān)的條件：
·第一季（10月 - 3月）：低流量，低負荷（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）：高流動性，平均負載，污水溫度低
·第三季（7月 - 9月）：平均流量，高負荷，污水溫度較高。
評估小組審查設(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略清單總結(jié)如表1。這個信息用于將能源設(shè)計集中在水廠內(nèi)工藝的主要能源消耗，來最大限度的得到節(jié)約能源的機會
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
運行
控制
機械曝氣機
1
75
連續(xù)
變頻調(diào)速（VFD），手動調(diào)整
離心機
1
40
10-20小時/周
VFD，固定速度
進水泵
（1號）
1
4.7
連續(xù)
VFD，基于流動速度
進水泵
（2、3號）
2
17.5
2號泵連續(xù)
3號泵備用
VFD，基于流動速度
VFD，基于流動速度
鼓風機
3
15
間歇
固定速度
攪拌機
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
水廠的操作人員對每一工藝進行了詳細的討論，來了解性能的傾向和重點部分。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進水泵房/渠首
進水系統(tǒng)由三個泵組成：
·一個4.7馬力（HP）泵（1號泵）
·兩個17.5馬力泵（2號和3號泵）。
2號泵在濕井水平檢測的基礎(chǔ)上連續(xù)運行。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行反硝化，恢復(fù)堿度以及降低需氧量。氧化溝有一個75馬力的運行于變頻調(diào)速的曝氣機，它的操作基于根據(jù)每天DO濃度讀數(shù)的手動調(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)條件的自動調(diào)整，而不是手動調(diào)整。氧化溝在缺氧區(qū)還有兩個連續(xù)運行的攪拌機。現(xiàn)有位于缺氧區(qū)的DO儀還無法運作。
2.5.3沉淀
該污水處理廠有兩個沉淀池，一個連續(xù)運行，另一個在流量過大時進行補足沉淀。
2.5.4紫外線消毒
水廠的紫外線系統(tǒng)設(shè)計流量為1.3MGD（該設(shè)施允許容量的兩倍）。該系統(tǒng)目前在兩岸上線運行。水廠人員每年更換一次紫外線系統(tǒng)燈以進行預(yù)防性維護。
自2008年以來，平均污水大腸桿菌群濃度一直在8.3計數(shù)/100毫升（mL），每7天平均為214.3計數(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 計數(shù)/100mL（平均30天）和2,744 計數(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)，但因為氣味問題而無法運作。因此，目前污泥在貯泥池中增稠并轉(zhuǎn)運到濃縮池中保存。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，以到達離心機來進行脫水作用。雖然這給予了額外的存儲空間，并因此不必太頻繁地前往垃圾填埋場，但它也需要與ATAD儲罐相關(guān)的15馬力的鼓風機保持運行狀態(tài)。
40馬力的離心機是由變頻驅(qū)動控制，但通常是在一個恒定的速度下運行。離心機每周可填滿一次一個20立方碼的垃圾箱。來自離心機的離心機分離液通過管道輸送到氧化溝，這可能會影響到氧化過程的性能。
2.6水廠演練
利用這個運行的見解，評估小組參觀了污水處理廠進行的一級水廠演練。這個工作包括目視檢查以確定操作或維護的問題，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)于運營和維護（O＆M）的節(jié)約費用估計以及設(shè)備的優(yōu)先資金改善。
GCEA協(xié)助評估小組，在審計過程中，通過測量主要設(shè)備的實際功耗，包括污泥輸送泵和風機，其中投產(chǎn)15分鐘的增量用來記錄實際功耗。使用一致的時間間隔來測量功耗讓設(shè)備平穩(wěn)啟動功耗得到足夠的時間。這些數(shù)據(jù)將會被視為城鎮(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
在審計過程中，對溶解氧濃度進行測量以確定氧化溝曝氣效果。這些濃度創(chuàng)建成一個DO的資料，用來更好地了解水廠運作。
圖2-4測量溶解氧資料
出處：NREL/PIX 19942
為水廠而開發(fā)出的一個BioWin模型 BioWin是基于Microsoft Windows的模擬器，用于污水處理廠的設(shè)計和分析。
http://www.envirosim.com/products/bw32/bw32intro.php
，利用了進水特性，溫度，歷史的溶解氧濃度，典型曝氣機速度以及測量溶解氧資料。利用這個工藝模型，評估小組確定出現(xiàn)有的約使用15年的曝氣機，相對于新的曝氣機，其擁有較低的轉(zhuǎn)移效率——這意味著要達到預(yù)計的溶解氧濃度，需要更多的能量來驅(qū)動曝氣機。
2.7節(jié)約能源的首要機遇
基于水廠運行信息和在審計過程中收集的數(shù)據(jù)，評估小組為污水處理廠提出了節(jié)約能源的建議。
2.7.1進水泵房/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）期間的滲透和進水(I&I)是有問題的。為了減輕這些問題，在收集系統(tǒng)中識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
與運行數(shù)據(jù)一起，氧化溝中的溶解氧水平測量，指明曝氣機并沒有有效地運行。鑒于這是污水處理廠最大馬力的電機，曝氣機已接近結(jié)束其使用壽命，評估小組建議用一個更節(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，這將使其能夠進行連續(xù)的監(jiān)測和控制溶解氧水平。如果用這些讀數(shù)來自動控制曝氣機的速度，則可以節(jié)約額外的能源。
圖2-5機械曝氣氧化溝
出處：NREL/PIX 19944
2.7.3紫外線消毒
當前運行的UV系統(tǒng)與最終設(shè)計流量一直，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)計流量），污水處理廠超過了許可規(guī)定。因此，評估小組建議，污水處理廠只運作UV系統(tǒng)的一岸來代替運行兩岸。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——制造商建議運作13,500小時后或每1.5年更換燈泡。目前的運行做法是計劃每年都維修更換燈泡，無論運行多長時間。增加更換燈泡的時間間隔，將節(jié)省水廠的材料成本和浪費的運作。
2.7.4污泥處置
目前污泥處理工藝運行效率低下是由于為進行脫水作用，而使用現(xiàn)行的ATAD系統(tǒng)管道來到達離心機造成的。ATAD系統(tǒng)重新開始運作時，這種效率低下會有所提高。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到離心機，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，這些時間以來，更多的設(shè)施放入生物固體進行有益的回用，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
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[3] Carlson, S.; Walburger, A. Energy Index Development for Benchmarking Water Utilities and Wastewater Utilities. Denver, CO: AWWA Research Foundation, 2007.
[4] Elliott, T.; Zeier, B., Xagoraraki, I.; Harrington, G. W. Energy Use at Wisconsin’s Drinking Water Facilities. Report 222-1. Madison, WI: Energy Center of Wisconsin, July 2003.
[5] Utility Advisory Group. Effective Utility Management: A Primer for Water and Wastewater Utilities. Utility Advisory Group, June 2008.
[6] ENERGY STAR?. Portfolio Manager Overview. Accessed October 27, 2011.
[7] American Society for Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers (ASHRAE). “Energy Use and Management,” Chapter 36 in ASHRAE Handbook - HVAC Applications. (Atlanta: 2011).
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[9] U.S. Environmental Protection Agency (EPA). Biosolids. Accessed September 22, 2011.
[10] U.S. Environmental Protection Agency (EPA) and Global Environment and Technology Foundation. Ensuring a Sustainable Future: An Energy Management Guidebook for Wastewater and Water Utilities. January 2008.
[11] Malcolm Pirnie, the Water Division of ARCADIS (2011). “Typical Energy Usage Patterns in U.S. Wastewater Treatment Plants.”
[12] National Asset Management Strategy Group. International Infrastructure Management Manual, 2011.
[13] Raucher, R.S.; Garver, D.; Hallett, K.; Henderson, J.; Wagner, C. An Economic Framework for Evaluating the Benefits and Costs of Biosolids Management Options. Alexandria, VA: Water Environment Research Foundation, 2007.
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