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能效管理平臺在污水處理廠電氣節能中的應用

2023-03-13 [804]

安科瑞鮑靜君

　　摘要：污水處理屬于高能耗行業，會消耗大量的電能、燃料和藥劑等，高能耗不僅會提升污水處理成本，還會加劇能源危機。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能降耗的關系，然后結合我國污水處理現狀，討論污水處理與節能的相關問題，并提出相應的解決辦法，以期降低污水處理的能源消耗，盡可能消除制約經濟發展的不利因素。

　　關鍵詞：污水處理；節能降耗；高耗能

　　0 前言

　　污水處理會消耗大量能源，急需開展節能降耗。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程中的正常情況，是機器運轉的必然結果。消耗能量的方面有很多，直接消耗和間接消耗也不一樣。直接耗能通常有機械曝氣或風鼓曝氣、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。從整體上來看，我國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、能耗三個方面來實施節能降耗。

　　1　城市污水處理廠節能降耗的途徑

　　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，很多污水處理設備會消耗大量能源，包括用于抽取的提升泵、風力供應的鼓風機以及回流泵。在處理污水時，人們需要輔助使用一些化學藥品，用來除磷和污水消毒，以保障水資源的重復使用。綜上來看，節能減耗主要應當致力于優化設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備，提升泵的質量關系到污水提升的效果，提升泵相關技術有很大的發展空間，因此在節能減耗方面也有提升潛力。通過實地調查和查閱文獻，筆者發現，污水處理大部分能耗都來源于提升泵，如果精細計算提升泵的其他能耗，能源消耗將會大幅增加。目前，提升泵節能減耗的關鍵在于控制好出水高度，首先要控制連接管道長度，加強其結構的穩定性、緊密性，將能耗降到較低。其次，還要注意提高提升泵的運行效率，從設施上加以改進，實現節能減耗。

　　1.2　污水預處理

　　污水預處理是指污水進入正式處理前對污水進行簡單處理。污水預處理的主要設備有格柵和沉砂池。兩者作用不同，隔柵類似于柵欄，可以對污水中體積較大的物體進行隔離，以防止堵塞污水處理設備，導致其難以正常工作。隔柵在節能減耗環節中可操作性、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后續節能減耗環節能否完成具有較大影響。沉砂池的作用是過濾污水中的泥沙和其他較為細小的顆粒物，它保障了后續設備污水處理的效果不同情況下所需要的沉砂池類型也不同，比較常見的有平流式、曝氣式。人們需要根據具體情況來選擇，有效過濾污水中的泥沙，使得后續環節有條不紊地進行。平流式沉砂池設備耗能較低，節能降耗效果明顯。

　　1.3　污水處理

　　污水處理是污水處理廠的主要工藝環節，主要分為兩個部分，即好氧處理和厭氧處理。好氧污水處理需要利用曝氣系統，曝氣系統可以適當優化以實現節能減耗。首先，設備選取和流程設計更加準確，選擇材料更加細致，減少材料損失。其次，微氣泡空氣控制器材可以對污水處理產生的氣泡進行壓縮和消蝕，使氣泡體積變小，從而增大氣體、液體可接觸面積，增強反應效果。再次，可以輔助使用曝氣系統，將其放置于側面，通過其產生的氣體來形成漩渦，這也可以加強氣體與液體的接觸。對于污水處理的調節設備，需要采用自動調節，發揮自動調節的準確性和及時性，減少能源浪費。除此之外，合理運用潛水攪拌器也十分必要。

　　最后，需要控制好變頻調速風機，使污水處理更加有效。污水處理節能減耗需要從大方向把關，嚴格落實到各個環節，需要全面把關，避免顧此失彼。就國內而言，污水處理相關節能降耗技術還不夠成熟，因此具有較好的開發前景，人們要統籌安排，統籌謀劃。

　　1.4　污泥處理

　　污泥處理消耗能量較多，同時也意味著節能減耗空間很大。污泥處理工藝較為復雜，通常有污泥濃縮、穩定和脫水等。污泥濃縮是指將污泥進行壓縮整合，從而實現體積減小、密度增大，實施方法也有很多種，如重力壓縮、氣浮壓縮、離心方式壓縮。實踐研究發現，重力濃縮的能源消耗比較少，但是耗時較多，濃縮過程會產生磷，因此隨著時代的發展，這種工藝逐步被淘汰。離心濃縮成本較高，目前難以大規模推廣。當前，氣浮濃縮使用范圍較廣，其操作簡單、節能減耗效果較好，運行效率較高。污泥穩定和脫水是指將濃縮后的污泥加以沉淀，然后通過相關設備實現脫水，將濃縮液變為干燥的材料。其間主要采用厭氧處理，使用厭氧菌對水分進行吸收，實現厭氧消化。厭氧處理需要消耗能源來保持溫度，同時利用電能來維持攪拌運輸。就國內而言，相關技術還不夠成熟，因此具有較好的開發前景。污泥處理技術的創新與改革決定著節能減耗的效果，也影響著污水處理廠的發展。

　　2　污水處理現狀與問題

　　2.1　設備設計使用不合理

　　提升泵是污水處理的核心設備，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，提升泵節能減耗的關鍵是控制好出水高度。目前，我國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，影響后續流程的節能減耗。隔柵能夠隔離污水中體積較大的物體，防止污水處理設備堵塞而難以正常工作。沉砂池可以過濾污水中的泥沙，還可以過濾其他較為細小的顆粒物，以便進行后續污水處理。但是，調查發現，部分污水處理廠隔柵空隙較大同時沉砂池沉積嚴重，導致污水中的大小顆粒物難以清除，最終影響后續的污水處理。

　　2.2　缺乏專業操作人員和監管人員

　　污水處理事關人民群眾的生產生活，但是部分污水處理廠缺乏專業人員，導致設備操作不合理。同時，不夠專業的操作流程勢必會造成能源消耗過度和資源浪費，甚至影響污水處理質量，造成污水外泄，影響人民群眾的生產生活。另外，污水處理需要兩大監督，一是污水處理廠質檢人員監督，二是相關部門抽樣檢查。但是，由于種種原因，我國檢查管理制度還不夠健全，導致部分污水處理廠不能按質按量完成污水處理。因此，當前急需建立行之有效的污水處理監督管理審查機制。

　　3　節能降耗的有效措施

　　3.1　改造節能技術

　　污水處理設備的改進決定著是否能更好地完成節能減耗。具體來說，首先可以從提升泵改進開始，不合理的提升泵往往會造成水泵揚程偏高，從而導致水位大多處于大流量、低揚程、低效區的狀態，使得提升泵所耗費的能量遠遠高于實際所需能量，造成較大的能源浪費。因此，人們需要改進提升泵的變頻技術，使之更具操作性和可行性，能自如應對不同水位。其次是倒傘曝氣機，該設備主要由主機和葉輪兩大部件組成，葉輪是倒傘曝氣機的主要部件之一，它決定著整個機器的運作。就目前來說，葉輪的創新改造主要是將倒傘曝氣機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。這樣才能適應不斷提高的標準，更好地處理污水。因此，人們要加強科技創新，提升設備運行效率，實施節能減耗。

　　3.2　選擇關鍵節能設備

　　一是泵的選擇。泵對于污水處理非常重要，其主要參數是流速和流量，它們既影響實際峰值，也影響后續水量變化，不同泵的基本參數不同。因此，要想推進節能降耗，首先要選擇規格合適、參數適宜、質量優良、產品合格的泵，保障運行效率，利用較少的能源實現污水處理的較大效益，減少能源浪費。二是控制系統的選擇。控制系統影響反饋效果，人們需要選擇合理的控制系統，調整控制數據信息。三是電機的選擇。污水處理廠的電能消耗主要發生于曝氣系統和提升泵。這些設備利用電機來工作，因此人們要合理選擇電機，同時要加強對電機的維護和檢修。關鍵部分要嚴格采用高質量的設備，以減少安全隱患，提高節能降耗效率。

　　3.3　加強節能降耗管理

　　污水處理廠要重視內部管理，實施科學化、制度化的管理。一是定期維修相關設備，應配備專門的維修檢查人員，定期巡檢，經常清洗管道，及時排查異常現象，同時做好記錄，盡快解決。二是加強用電管理，污水處理廠耗電量大，因此為了電路安全，應盡量避開用電高峰期。污水處理廠要完善運行體系，及時排除隱患，保證污水處理設施實現良好運行。

　　3.4　加強監督制度管理

　　污水處理廠要完善激勵機制，提高員工的工作積極性，對違規員工進行處罰，保障企業管理秩序。此外，還應該加強管理，保障污水處理設備平穩運行。污水處理廠應當配備專門的監督管理人員和技術質檢人員，監督管理人員要嚴格管控污水處理設備和材料的采購，杜絕購買劣質設備和材料，配合有關部門例行檢查。技術質檢人員主要職責是對污水處理流程進行指導和檢查，防止出現人工失誤，預防安全問題，同時對突發情況進行應急處理。另外，污水處理廠要積極鼓勵員工參與企業管理，增強內部凝聚力，提高員工積極性，實現獎懲分明，優化企業管理秩序，保障企業合理運行。

　　4　能效管理解決方案--AcrelEMS-SW智慧水務能效管理平臺

　　安科瑞電氣具備從終端感知、邊緣計算到能效管理平臺的產品生態體系，AcrelEMS-SW智慧水務能效管理平臺通過在污水廠源、網、荷、儲、充的各個關鍵節點安裝保護、監測、分析、治理裝置，用于監測污水廠能耗總量和能耗強度，重點監測主要用能設備能效，保護污水廠運行安全可靠，提高污水廠能效，為污水處理的能效管理提供科學、精細的解決方案。

圖1 AcrelEMS-SW智慧水務能效管理平臺

　　4.1　保障供電可靠性

　　對污水廠配電系統中35kV、10kV電壓等級配置微機保護裝置及多功能儀表進行保護和監控，對0.4kV配置多功能計量儀表，用于監測各回路的電氣參數和用能情況，可實時監控高低壓供配電系統開關柜、變壓器微機保護測控裝置、發電機控制柜、ATS/STS、UPS，包括遙控、遙信、遙測、遙調、事故報警及記錄等。

　　污水廠存在大量的非線性負載，通過監測其配電系統的諧波畸變、電壓波動、閃變和容忍度指標分析其電能質量，并配置對應的電能質量治理措施進一步提高供電可靠性。

圖2 AcrelEMS-SW智慧水務能效管理平臺主接線圖

　　4.2　電能質量監測與治理

　　監測污水廠配電系統的諧波畸變、電壓波動、閃變和容忍度指標分析其電能質量，監測配置電能質量治理裝置保障穩定生產。

圖3 電能質量監測圖

　　顯示有源濾波和無功補償裝置運行情況，包括補償電流、負荷電流，電網電壓，IGBT上下橋臂溫度等。

圖4 補償濾波監測圖

　　4.3　建立能源計量體系

　　AcrelEMS-SW智慧水務能效管理平臺通過搭建計量體系，采集污水處理廠能源數據，顯示污水處理廠的能源流向和能源損耗，通過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域幫助其了解各工藝環節能源消耗量，并且可細化到樓層、車間、產線、班組、工序，計算產品單耗、單位面積能耗或萬元產值能耗，從而計算出能耗總量和單位能耗。

圖5 能源流向圖

　　4.4　數據集抄并實時計量

　　AcrelEMS-SW智慧水務能效管理平臺提供自定義時間抄表功能，可以在任意時間，任意地點，完成對企業的三級計量體系數據閱覽，減少了人工投入。同時各類保護、儀表主動定時上傳數據，保證了能源時效性，為其節能降耗，提供了基礎數據支撐。

圖6 數據集抄報表

　　4.5　優化能源結構

　　AcrelEMS-SW智慧水務能效管理平臺支持接入分布式光伏電站以及風力發電站，為企業提供分布式電站運行監測和發電日/月/年/累計收益和減排分析，支持自發自用、余電上網。在儲能環節，平臺接入BMS和PCS數據，支持充放電配置策略，并對電池管理系統提供實時預警，根據其負荷特點，削峰填谷，充分使用新能源，降低污水廠碳排放。