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北排清河第二再生水廠低碳運行實踐

  
評論: 更新日期:2024年09月05日

摘要:“雙碳”目標的達成,對再生水廠低碳運行提出新的更高的要求。2021年清河第二再生水廠聚焦水區(qū)節(jié)能降耗與泥區(qū)消化產(chǎn)能提升重點工作,包括:發(fā)揮流域化運營優(yōu)勢,通過流域水量聯(lián)調(diào),穩(wěn)定進水負荷;對鼓風機、進水泵等重點耗能設備開展節(jié)能優(yōu)化,保障設備工況與工藝需求及時匹配,實現(xiàn)藥耗、電耗雙降,水區(qū)日均電耗0.353 kW·h/m3,較2020年降低20.7%,節(jié)電對應CO2減排比例26.1%;針對泥質(zhì)與消化池氨氮負荷變化,通過保證初沉泥比例、穩(wěn)定消化負荷、調(diào)控進泥含水率等措施,消化系統(tǒng)沼氣產(chǎn)量穩(wěn)步提升,9月—11月沼氣產(chǎn)量均值298m3/tDS,較1月—8月增幅為21.6%,沼氣發(fā)電、光伏發(fā)電、水源熱泵等三項可再生能源利用項目CO2減排比例近22%。清河第二再生水廠將繼續(xù)以節(jié)能降耗與可再生能源利用為抓手引領行業(yè)綠色低碳轉(zhuǎn)型。

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在碳減排的驅(qū)動下,污水處理廠運營方在保障工藝運行效率的前提下,更加注重能源利用效率的提升。噸水能耗是衡量污水處理廠運營管理水平的主要指標之一,但由于區(qū)位、設計規(guī)模、處理工藝、運行負荷及進、出水水質(zhì)等諸多客觀因素的不同,導致污水處理廠的能耗呈現(xiàn)一定差異,且某些差異難以通過工藝優(yōu)化調(diào)控來彌補,因此,能耗水平的評估需結(jié)合污水廠的實際工況。能耗高低雖不能完全體現(xiàn)污水廠的運營水平,但決定著污水廠能源中和的實現(xiàn)路徑。根據(jù)美國能源部統(tǒng)計,美國污水處理廠按照有無強化脫氮工藝劃分,2010年污水處理廠耗電量主要集中在0.4~0.5 kW·h/m3,均值為0.43 kW·h/m3。歐洲污水處理廠平均耗電量約為33.4 kW·h/(人口當量·a),若1人口當量以0.2m3/d計,則折算電耗為0.46 kW·h/m3。根據(jù)唐建國介紹,德國2019年的污水處理廠耗電量為0.42 kW·h/m3。He等對我國千余座污水處理廠的能耗統(tǒng)計分析結(jié)果顯示,截至2013年,全國執(zhí)行一級A出水標準的污水處理廠平均電耗為0.35 kW·h/m3,包括北京在內(nèi)的北方污水處理廠平均電耗為0.439 kW·h/m3。

北排集團結(jié)合首都水資源特點,建成基于地表Ⅳ類水標準的再生水生產(chǎn)利用系統(tǒng)以及配套的污泥資源化處理處置中心,水質(zhì)與泥質(zhì)標準均處于行業(yè)領先水平。2021年,北排在全國污水處理行業(yè)內(nèi)率先發(fā)布碳中和規(guī)劃與實施方案。北排清河第二再生水廠(以下簡稱“清河二廠”)作為生態(tài)環(huán)境部“首批十佳城鎮(zhèn)污水處理低碳運行典型案例”,秉持水、泥全要素資源化利用理念,統(tǒng)籌水、泥兩個生產(chǎn)板塊,聚焦水區(qū)節(jié)能降耗與泥區(qū)生物質(zhì)能開發(fā)利用等重點任務,全力推進碳減排工作。結(jié)合清河二廠碳減排工作具體實踐,重點介紹水區(qū)節(jié)能降耗與泥區(qū)沼氣產(chǎn)量提升工作以及取得的初步成效。

01 清河二廠能源使用情況

清河二廠包括再生水生產(chǎn)與污泥處理兩大業(yè)務板塊。其中水區(qū)設計處理規(guī)模為50×104m3/d,主體工藝為“改良A2O→二沉池→砂濾池→臭氧氧化→紫外消毒”。再生水出水水質(zhì)執(zhí)行北京市《城鎮(zhèn)污水處理廠水污染物排放標準》(DB 11/890—2012)的B標準。高品質(zhì)再生水主要用作清河河道生態(tài)補水。泥區(qū)處理能力為814 t/d(以80%含水率計),主體工藝為濃縮/預脫水+熱水解+厭氧消化+板框脫水。水區(qū)排泥經(jīng)過無害化、減量化、穩(wěn)定化處理后,進入園林綠化等領域,實現(xiàn)資源化利用。

清河二廠各工藝系統(tǒng)電能消耗情況見圖1。

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2021年1月—11月,清河二廠平均電耗為0.439 kW·h/m3,其中水區(qū)電耗為0.353 kW·h/m3,占全廠電單耗的80.48%。如圖1所示,水區(qū)一級預處理與二級生物處理單元能耗占比較高,對應主要耗能設備分別為進水泵與鼓風機,兩者電單耗合計0.188 kW·h/m3,約占水區(qū)電單耗的53%。泥區(qū)耗電量折算噸水單耗為0.086 kW·h/m3,占全廠電單耗的19.52%。其中,前端濃縮、預脫水與后端板框脫水單元能耗合計占泥區(qū)的64%。除臭系統(tǒng)對電能消耗的貢獻不容小覷,約占板框脫水單元電單耗的50%。

02 水區(qū)節(jié)能降耗工作進展

清河二廠作為管網(wǎng)末端污水廠,與上游3座污水廠共同服務近150km2流域面積。受管網(wǎng)來水與上游污水廠抽升的疊加影響,其進水流量呈現(xiàn)顯著變化。進水負荷波動成為水區(qū)工藝調(diào)控與節(jié)能降耗需要解決的首要問題。

2.1 發(fā)揮流域水量聯(lián)調(diào)優(yōu)勢

為充分發(fā)揮北排廠網(wǎng)一體化運營優(yōu)勢,強化了流域內(nèi)污水廠聯(lián)動聯(lián)調(diào)。2021年初,清河流域啟動管網(wǎng)上游清河污水廠與管網(wǎng)末端清河二廠水量聯(lián)調(diào)工作。根據(jù)流域內(nèi)水量變化情況,結(jié)合兩廠柵前液位變化規(guī)律,制定相應的抽升策略。在清河污水廠穩(wěn)定抽升的前提下,夜間低水量或水量驟增時段,有針對性地向下游清河二廠調(diào)水或者加大抽升,以降低后者的水力沖擊負荷。流域水量聯(lián)調(diào)前、后水區(qū)處理水量的時變化如圖2所示。

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由圖2可以看出,3月16日—19日(72h)流域水量聯(lián)調(diào)前,清河二廠處理水量每天存在明顯的峰谷波動,處理水量為(0.35~2.1)×104m3/h。以24 h為一個計算周期,則3個周期標準偏差均值為5054m3/h。每個周期時平均處理水量與最低水量比值的平均值為4.5。流域水量聯(lián)調(diào)后,5月1日—4日(72h)清河二廠每天的處理水量波動范圍縮小到(0.8~1.9)×104m3/h。3個24 h周期標準偏差均值為3140m3/h,較流域聯(lián)調(diào)前降低近37.9%。每個周期時平均處理水量與最低水量比值的平均值為1.6,較流域聯(lián)調(diào)前降幅達64.4%,為水區(qū)工藝設備的運行提供了更為平穩(wěn)的水力負荷。

2.2 鼓風機、進水泵優(yōu)化調(diào)控

鼓風機能耗占全廠電耗的27%,鼓風機調(diào)控優(yōu)化是水區(qū)節(jié)能降耗的重點工作。堅持風量與水量及時匹配原則,結(jié)合鼓風機導葉開度與風量、單耗相關性分析,明確導葉優(yōu)選開度區(qū)間為35%~55%,投運鼓風機2~3臺,聚焦每天增水、減水兩個密集調(diào)控時段,開展鼓風機精細化調(diào)控。

鼓風機調(diào)控前,由于風量調(diào)節(jié)難以適應水量變化,導致低水量期氣量與能源浪費,而高水量期則氣量供應不足。生物池處理水量、曝氣量與DO變化情況見圖3。

圖3生物池處理水量、曝氣量與DO變化情況

由圖3(a)可以看出,伴隨每天水量的變化,生物池好氧區(qū)中段DO呈現(xiàn)顯著波動。每天凌晨至第二天上午低水量期,DO出現(xiàn)峰值,最高可達6~8mg/L。而每天下午至夜間高水量期,DO又出現(xiàn)低值,低于0.5mg/L。鼓風機調(diào)控后,氣量、水量分時段匹配,DO峰值明顯降低,主要集中在0.5~3.5mg/L,見圖3(b)。鼓風機調(diào)控優(yōu)化后氣量降幅近7×104m3/d,鼓風機電單耗日均降幅7.8%。1月—11月鼓風機日均電單耗0.12 kW·h/m3。

參照進水泵性能曲線,結(jié)合流域水量聯(lián)調(diào),確保低水量時段泵井液位>8m、柵前水位>3m,水泵理論效率>80%。調(diào)整進水泵抽升策略,工頻泵與變頻泵編組運行,利用后者降頻實現(xiàn)梯度減水,且頻率維持在45Hz以上。水力條件與抽升策略的優(yōu)化為進水泵節(jié)電創(chuàng)造了條件。2021年進水泵噸水電單耗與噸水提升電單耗分別維持在0.068 kW·h/m3、0.0045 kW·h/(m·m3)。

若要進一步壓縮進水泵單耗,需合理應對以下兩點設備與工藝的挑戰(zhàn):① 由于水泵葉輪口環(huán)磨損,葉輪與泵體間隙增加,水泵內(nèi)部泄漏損失升高,導致水泵運行效率下降。例如,11月更換5#工頻泵口環(huán)后,抽升水量提升近15%;② 汛期為有效管控合流制溢流污染,降雨前進水泵執(zhí)行低液位抽升,為上游管網(wǎng)騰容,柵前液位長時段維持低位(≤1.5m),導致進水泵能耗增加。

2.3 水區(qū)節(jié)能降耗初步成效

2019年—2021年水區(qū)月度電單耗見圖4。

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受汛期集中降雨的影響,夏、秋季節(jié)管網(wǎng)進廠水量較大,污染物濃度偏低,月度電單耗水平低于冬春季節(jié)。2020年初突發(fā)新冠疫情,春節(jié)期間北排各廠長期處于低負荷運行,其間為了保障工藝穩(wěn)定運行,以及再生水和污泥產(chǎn)品的安全性,采取了大量調(diào)控措施。受此影響,2020年清河二廠水力負荷率僅為64.8%,水區(qū)電單耗值較2019年有所上升。2021年日均水力負荷恢復到84.6%,隨著節(jié)能降耗專項工作的開展,水區(qū)電單耗值明顯降低。2019年、2020年、2021年1月—11月,水區(qū)日均電單耗分別為0.397、0.445、0.353 kW·h/m3,2021年電單耗較前兩年同期分別下降了11.1%和20.7%。

與此同時,充分利用改良A2O工藝前置預缺氧段對后續(xù)生物脫氮除磷的促進作用,將鼓風機精細化控制與內(nèi)回流比調(diào)節(jié)相結(jié)合,提高內(nèi)碳源反硝化效率。2021年5月基本實現(xiàn)零碳源投加,前三季度甲醇投配率15.9mg/L,較2020年降低38.6%。以生物池沿程數(shù)據(jù)為依據(jù)分析,借助生化耦合除磷系統(tǒng)聚合氯化鋁理論投配率計算,構(gòu)建了汛期與非汛期雙模式下除磷藥劑的動態(tài)投加策略,前三季度聚合氯化鋁投配率9.7mg/L,較2020年降低19.2%。提高紫外消毒系統(tǒng)設備保障度,形成了以紫外消毒為主體、兼顧臭氧氧化衍生消毒效果、維持低劑量補氯的聯(lián)合消毒新方案,前三季度NaClO投配率基本維持在2mg/L,較2020年降低23.1%。

03 泥區(qū)沼氣產(chǎn)量提升工作進展

2021年泥區(qū)完成沼氣發(fā)電機組及余熱利用系統(tǒng)建設。泥區(qū)沼氣產(chǎn)量是制約沼氣發(fā)電量的關鍵因素。泥區(qū)沼氣產(chǎn)量主要受泥質(zhì)、熱水解和消化系統(tǒng)運行效率的影響。其中,泥質(zhì)主要指標為污泥有機物含量、初沉污泥與剩余污泥比例。熱水解單元投運以來嚴格按照康碧公司提供的技術參數(shù)穩(wěn)定運行。與之相比,消化系統(tǒng)的運行效率受進泥負荷、溫度、酸堿比等因素的影響較為明顯。

3.1 泥質(zhì)對沼氣產(chǎn)量的影響

脂肪較碳水化合物和蛋白質(zhì),具有更高的沼氣生成潛力。通常情況下,初沉污泥脂肪含量高,而剩余污泥蛋白質(zhì)含量高。清河二廠污泥樣品元素分析結(jié)果顯示,初沉污泥N/C為0.10,剩余污泥N/C為0.15,與上述規(guī)律一致。由于目前泥區(qū)執(zhí)行優(yōu)先接收剩余污泥的策略,導致初沉泥量與占比均波動較大。

2021年前三季度泥質(zhì)與沼氣產(chǎn)量如圖5所示。

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6月1日—7月4日,隨著初沉污泥干固占比由不足10%躍升到30%左右,沼氣產(chǎn)量明顯提升。兩者的泊松系數(shù)為0.614,呈中度正相關,可以推斷水區(qū)初沉排泥量增加是促進沼氣產(chǎn)量升高的主要原因。而隨著主汛期的到來,大水量沖擊導致水區(qū)排泥有機物含量顯著降低,近兩個月(7月初—8月底)剩余污泥與初沉污泥有機物含量長期處于低值,均值分別為52.7%、41.7%。初沉污泥有機物含量的降低,導致即使其干固占比維持在30.4%的較高水平,產(chǎn)氣量仍未見明顯提升。

3.2 消化池運行狀態(tài)對沼氣產(chǎn)量的影響

2021年前三季度消化池進泥量在543~905m3/d范圍波動,日均進泥量為713m3/d,對應停留時間近30d。進泥含水率為90.3%~92.3%,有機負荷為0.89~1.86kgVSS/(m3·d),揮發(fā)性脂肪酸含量為1 472~3264mg/L。消化溫度維持在42℃,消化池內(nèi)氨氮均值為2032mg/L,酸堿比維持在0.1左右。泥質(zhì)與沼氣產(chǎn)量變化如圖6所示,入汛前(4月—6月)水區(qū)剩余泥排放量長期維持在高位,而初沉污泥占比較低。由于剩余污泥蛋白質(zhì)含量較高,導致消化池進泥氨氮負荷與消化池內(nèi)游離氨濃度明顯上升,短期內(nèi)游離氨濃度>600mg/L。對應時段內(nèi)游離氨抑制導致沼氣產(chǎn)量呈現(xiàn)下降趨勢。

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3.3 泥區(qū)沼氣產(chǎn)量提升初步成效

針對上述泥質(zhì)變化與消化系統(tǒng)運行參數(shù)波動導致的產(chǎn)氣量下降問題,將泥區(qū)與水區(qū)強化聯(lián)動,在對剩余污泥負荷合理管控的基礎上,提出“穩(wěn)消化負荷、控進泥含水率、保初沉比例”的工藝優(yōu)化調(diào)控總體方針,以及3條具體措施:①優(yōu)先適當增加稀釋水用量(6月底—8月中),提高消化池進泥含水率,降低消化系統(tǒng)的游離氨濃度至300mg/L以下;②對消化池負荷開展精細化調(diào)控,9月消化池進泥量標準差較4月—8月進泥量標準差月均值降低近19%,為半年來最低值,消化進泥負荷日趨平穩(wěn);③結(jié)合泥質(zhì)有機物含量變化,保證初沉污泥接收比例。工況Ⅰ,有機物含量60%左右,初沉污泥干基投加比需高于10%;工況Ⅱ,有機物含量50%左右,初沉污泥干基投加比需達到30%。隨著該方針、措施的執(zhí)行,以及水區(qū)排泥有機物含量的回升,沼氣產(chǎn)量穩(wěn)步提升。

2021年1月—11月的沼氣產(chǎn)量如圖7所示。9月沼氣產(chǎn)量為266m3/tDS,10月沼氣產(chǎn)量提升為293m3/tDS,11月沼氣產(chǎn)量進一步提升為309m3/tDS。盡管11月中旬由于水區(qū)剩余排泥量波動,引發(fā)消化池產(chǎn)氣量短暫下降,待消化池進泥負荷穩(wěn)定后,11月下旬沼氣產(chǎn)量恢復到319m3/tDS的較高水平。9月—11月沼氣產(chǎn)量達298m3/tDS,較1月—8月均值(245m3/tDS)增幅達21.6%。1月—11月沼氣產(chǎn)量均值為261m3/tDS。

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04 清河二廠碳減排潛力分析

2021年清河二廠通過提質(zhì)增效與節(jié)能降耗工作的開展,碳減排潛力得到進一步釋放。以實際處理水量42×104m3/d核算,水區(qū)全年節(jié)電對應CO2減排量為8519t,約占2020年全廠能源消耗對應CO2排放量的26.1%。

結(jié)合泥區(qū)現(xiàn)況261m3/tDS的沼氣產(chǎn)量,扣除熱水解自用蒸汽與冬季供暖蒸汽消耗沼氣量,可發(fā)電沼氣量以5500m3/d測算,發(fā)電量約1.0×104kW·h/d,約占全廠用電量的5.6%。預估年度節(jié)電對應CO2減排量為2205t。即將建設的光伏發(fā)電項目,若按高壓并網(wǎng)方式核算,裝機容量為6.9MW,理論可發(fā)電量約2.3×104kW·h/d,自用率取83.8%,則對應實際使用電量為1.9×104kW·h/d,約占全廠用電量的10.6%。預估年度節(jié)電對應CO2減排量為4189t。水源熱泵系統(tǒng)運行穩(wěn)定,廠區(qū)3臺單螺桿水源熱泵機組總裝機容量為2800kW,為廠區(qū)綜合辦公樓、車間等(總建筑面積近22000m2)提供冬季供暖、夏季制冷服務,每年可節(jié)約天然氣消耗36×104m3,對應CO2減排量約783t。以2020年全廠能源消耗對應CO2排放量為基數(shù),上述3項可再生能源利用項目預估CO2減排量分別為6.8%、12.8%和2.4%,合計減排量約22%。

根據(jù)目前的數(shù)據(jù)推斷,隨著水區(qū)節(jié)能降耗與泥區(qū)沼氣產(chǎn)能提升工作的持續(xù)推進,以及沼氣發(fā)電、光伏發(fā)電順利并網(wǎng)投運,清河二廠CO2減排量有望達到其2020年能源消耗對應CO2排放量的40%~50%。

05 結(jié)論

① 通過流域水量聯(lián)調(diào)有效減緩了清河二廠水力負荷波動幅度,時處理水量離散程度與峰谷水量比值較聯(lián)調(diào)前分別降低37.9%、64.4%。鼓風機、進水泵等主要耗能設備節(jié)能優(yōu)化效果顯現(xiàn)。2021年1月—11月,水區(qū)電單耗為0.353kW·h/m3,較2020年同期降幅為20.7%。水區(qū)節(jié)電CO2減排量約占2020年全廠能源消耗對應CO2排放量的26.1%。此外,前三季度碳源與化學除磷藥劑投配率降幅分別為38.6%、19.2%。

② 結(jié)合泥質(zhì)、消化系統(tǒng)運行參數(shù)與產(chǎn)氣量相關性分析,明確了泥質(zhì)有機物含量、初沉污泥占比、剩余污泥負荷等產(chǎn)氣量主要影響因素。提出提升沼氣產(chǎn)量3項具體舉措,自8月下旬措施實施以來,9月—11月沼氣產(chǎn)量達298m3/tDS,較1月—8月的增幅為21.6%。

③ 核算沼氣發(fā)電、光伏發(fā)電、水源熱泵等三項可再生能源利用項目CO2減排量,約占全廠2020年能源消耗對應CO2排放量的22%。節(jié)能降耗與可再生能源利用對應的CO2減排總量占比有望達到40%~50%。清河二廠將持續(xù)引領行業(yè)綠色低碳轉(zhuǎn)型。

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