城市污水处理设施的能源效率策略

城市污水处理设施的能源效率策略

J.昂和K.哈勒特(国家再生能源实验室),J.德沃尔夫和I.文纳

马尔科姆·皮尔尼(荷兰阿卡迪斯的水利厅)

执行摘要

水和污水处理系统是重要的能源消费者，据估计美国总电力消耗的3％-4％用于水和污水处理和调动[1,2]。水-能源的问题在水资源短缺，能源和原材料成本较高，气候变化的背景下显得日益重要。在这种经济环境下，无论在水和能源的利用上，效率都是公用事业上的最大利益。在水和污水处理设施方面的能源审计，是社会能源管理人员可以寻找机会来节省资金，能源和水的方法之一。

本文利用克雷斯特德比特，科罗拉多州的污水处理厂执行的过程中能量审计的一个案例研究，来说明了污水处理设施使用能源的重要性。能源审计从电源密集单位的过程，如泵进水，曝气，紫外线消毒，污泥处理等方面，鉴定了显著节约能源的机会。本案例研究介绍了在水和污水处理方面满足设施管理者节约能源和财政的追求，而很乐意被接受的最佳做法。本文的目的是提高社会能源管理者对于水和污水部门在一个社会能源消费总量中地位的认识。所描述的能源效率策略提供了节约能源机会的信息，可以用来作为一个讨论水与污水处理设备管理者的能源管理目标的基础。

第一章 引言

1.1水和污水部门的能源使用

供水和污水处理系统是重要的能源消费者。据估计美国电力消耗的3％-4％用于水及污水的调动和处理[1,2]。从一项功用到另一项，能源使用的确切成本会呈现很大的不同，估计范围在总运行成本的2%—60%[3,4]。能源代表了污水公用事业大体上的成本，因为从未经处理污水的收集到处理后污水的排放，在处理的各个阶段中都特别需要它。由于供水和污水处理厂在设计和运营时，主要关切的并不是能源效率，当能源的社区基金提高突出时，这些系统可以被忽略。

然而，通过业务的变化和供水和污水处理事业成本的改善，可发现大量的能源和财政节余。供水和污水设备的操作者和管理者有一个范围很广泛的优先次序，能源消费是其中之一[5]。其主要职责包括：

·遵守法规要求，以满足客户，公众健康和生态需求

·在合理的和可预测的利率上提供可靠的服务

·从长期债务，设备条件，日常运营和维护成本以及收入中平衡的维修和更换的需求

·优化运营和维护，以降低成本，并确保资产的长寿。

分配时间进行能源审计，并作出必要的物理和运营的变化，可以产生可观的效益。能源审计帮助确认在设备方面的最大能源消耗，显示改善运营的机会，检测设备老化和运行不佳的问题。审计结果可以帮助提高能源利用率，从而显示出市政府减少运行成本机会，同时也减少对环境和周边社会的影响。

1.2环保局8区的合作伙伴

美国环境保护署（EPA）地区8办公服务于西山间：科罗拉多州，蒙大拿州，北达科他州，南达科他州，犹他州和怀俄明州。2010年10月，环保局8区着手关于公共污水和饮用水公用工程项目的环保局8区公用工程合作能源管理倡议， 其重点是帮助市政供水和污水公用工程减少能源消费，提高可靠性和性能，并且减少对环境的影响。在这个方案中，8区办公室与10-15个社区供水与污水处理设施合作，来完成下列任务：

·当前和未来的基准使用于环保局组合管理工具[6]中

·执行工艺的能源审计

·利用环保局的确保可持续发展未来提升能源管理计划：一本污水与供水公用工程的能源管理指南

·与环保局8区共同致力于实施提高能源效率和共享结果。

为了提高这一方案的广度，向没参与的当局政府证明它的价值，环保局8区计划建立一个研究方案与其他横跨西山间的供水和污水公用工程分享，简单介绍一些参与进来的公用工程并且阐述优化能源性能的工艺，利益和挑战。

图1-1克雷斯特德比特，科罗拉多

出处：NREL/PIX 19943

第二章 案例研究：克雷斯特德比特

2.1背景

克雷斯特德比特参与该计划的支持，要求它们的污水处理厂（WWTP）在工艺中执行能源审计。通过工艺改造和改善运营，能源审计侧重于容易实现的节能减排的机会。审计考虑优化现有工艺来实现更好的控制，监测和污水处理厂的出水水质。审计还帮助市镇开始跟踪及评定了污水处理厂的能源利用。能源部的国家再生能源实验室（NREL）与克雷斯特德比特镇，马尔科姆皮尔尼，ARCADIS的水部门，资源利用率办公室，和甘尼森郡电力协会（GCEA）（担任评估小组）合作执行能源审计。这种合作关系为这些组织如何分析和实现节约能源效率以支持当地能力发展，社区的教育工作和水/污水公用工程创造了机会。本文的目的是分享从克雷斯特德比特和其他社区，帮助他们实现他们的节能减排和环保目标的工艺能源审计中得到的能源效率策略。

2.2克雷斯特德比特的污水处理厂

克雷斯特德比特是一个小镇，位于科罗拉多州的西坡，它是户外运动的一个主要旅游目的地。该污水处理厂建于1997年，服务于本镇，有常住人口1500人。污水处理厂处理住宅和商业客户的污水，并没有较大的工业污水排放到工厂。该工厂还接受从克雷斯特德比特山的水和卫生区的污泥。

这个镇有一个氧化沟污水处理厂，拥有以30天的每日平均流量，每天0.6百万加仑（MGD）的处理能力。该水厂由沉砂，进水泵，曝气，澄清，紫外线（UV）消毒，和污泥处理工艺组成。经处理的污水从水厂排入到石板河。污泥在水厂内进行增稠和脱水，运送到当地的垃圾填埋场处置。一个水厂简化的工艺流程图如图2所示。

图2-1克雷斯特德比特污水处理厂工艺流程图

出处：NREL

2.3能源审计

作为在环保局项目中城镇参与的一部分，其要求对处理工艺进行能源审计。虽然在这项研究中不包括建筑能源审计，但评估照明，加热，冷却和通风系统也可以在污水处理设施中节约大量的资金和能源。

由美国采暖，制冷和空调工程师协会（ASHRAE）协会概述的能源审计有三个级别。这些审计级别的不同，是由水平的复杂性，深入分析和审计的详细程度来规定。审计范围从一级（演练）到三级（计算机模拟）。

图2-2能源审计级别

出处：NREL

以克雷斯特德比特为例，一级审计，其中包括注重于集中处理工艺能源使用的水厂演练。一级审计：

·通过现场调查，以确定维修和/或运营需求和缺陷设备，评估能耗和效率

·使用能耗信息，以了解使用模式和发展能源基准

·以低或无措施为成本，估算能源和成本节约

2.4收集数据

工艺的能源审计由从图纸，操作记录，水电费和设备清单中编纂的数据着手，以提高对水厂能源使用模式的了解。评估小组对图纸进行磋商，以寻找可与水厂物理布局联系起来的任何操作或能源的问题。例如，图纸表明现有的溶解氧（DO）计，位于氧化沟的缺氧区。这样的构造并没有建立出一个理想的控制氧气或氧化沟性能的反馈。通常，在溶解氧水平大于零时，查找这种测量装置更有效果，比如在出水区。

操作记录和参数，如生物需氧量（BOD）和总悬浮固体（TSS），是用来区别原水水质的组成形式和污水处理厂的性能。水厂运行数据是用来建立具有鲜明原水条件的三个“作业时期”。这些时期反映了暂住人口的变化和全年收集系统的经验渗透。下面总结了与三个时期相关的条件：

·第一季（10月 - 3月）：低流量，低负荷（BOD，TSS在一英镑每天的基础上），污水温度低

·第二季（4月 - 6月）：高流动性，平均负载，污水温度低

·第三季（7月 - 9月）：平均流量，高负荷，污水温度较高。

评估小组审查设备清单来确定水厂设备的年龄和马力，并查明该设备的主要能源消耗。根据它们特有的操作和控制，镇污水处理厂的主要能源消耗简略清单总结如表1。这个信息用于将能源设计集中在水厂内工艺的主要能源消耗，来最大限度的得到节约能源的机会

表2-1克雷斯特德比特污水处理厂：主要能源消耗

2.5现有的工艺性能

水厂的操作人员对每一工艺进行了详细的讨论，来了解性能的倾向和重点部分。以下各段所述了污水处理厂的工艺性能和经营策略上的一般性意见。

2.5.1进水泵房/渠首

进水系统由三个泵组成：

·一个4.7马力（HP）泵（1号泵）

·两个17.5马力泵（2号和3号泵）。

2号泵在湿井水平检测的基础上连续运行。所有泵变频调速（VFDs）。

2.5.2曝气/氧化沟

镇上的污水处理厂有一个氧化沟，用来提供好氧条件以去除BOD和氨氮。氧化沟的缺氧部分用来进行反硝化，恢复碱度以及降低需氧量。氧化沟有一个75马力的运行于变频调速的曝气机，它的操作基于根据每天DO浓度读数的手动调整。通常情况下，从VFDs上节约的能源是来自于适应系统条件的自动调整，而不是手动调整。氧化沟在缺氧区还有两个连续运行的搅拌机。现有位于缺氧区的DO仪还无法运作。

2.5.3沉淀

该污水处理厂有两个沉淀池，一个连续运行，另一个在流量过大时进行补足沉淀。

2.5.4紫外线消毒

水厂的紫外线系统设计流量为1.3MGD（该设施允许容量的两倍）。该系统目前在两岸上线运行。水厂人员每年更换一次紫外线系统灯以进行预防性维护。

自2008年以来，平均污水大肠杆菌群浓度一直在8.3计数/100毫升（mL），每7天平均为214.3计数/100mL。污水允许大肠杆埃希氏菌（大肠杆菌群组的一部分）的浓度是1372 计数/100mL（平均30天）和2,744 计数/100mL（平均7天）。目前的操作方法使得大肠杆菌群水平显著低于允许要求。

2.5.5污泥处置

污水处理厂具有自热式高温好氧消化（ATAD）系统，但因为气味问题而无法运作。因此，目前污泥在贮泥池中增稠并转运到浓缩池中保存。由于现有厂房管道配置，污泥必须从浓缩池中抽取到ATAD贮存池中，以到达离心机来进行脱水作用。虽然这给予了额外的存储空间，并因此不必太频繁地前往垃圾填埋场，但它也需要与ATAD储罐相关的15马力的鼓风机保持运行状态。

40马力的离心机是由变频驱动控制，但通常是在一个恒定的速度下运行。离心机每周可填满一次一个20立方码的垃圾箱。来自离心机的离心机分离液通过管道输送到氧化沟，这可能会影响到氧化过程的性能。

2.6水厂演练

利用这个运行的见解，评估小组参观了污水处理厂进行的一级水厂演练。这个工作包括目视检查以确定操作或维护的问题，并从主要的水厂设备中收集能源数据。这些数据将用于城镇发展中关于运营和维护（O＆M）的节约费用估计以及设备的优先资金改善。

GCEA协助评估小组，在审计过程中，通过测量主要设备的实际功耗，包括污泥输送泵和风机，其中投产15分钟的增量用来记录实际功耗。使用一致的时间间隔来测量功耗让设备平稳启动功耗得到足够的时间。这些数据将会被视为城镇帮助制定的发展优化。

图2-3收集紫外线系统的功耗数据

出处： NREL/PIX 19941

在审计过程中，对溶解氧浓度进行测量以确定氧化沟曝气效果。这些浓度创建成一个DO的资料，用来更好地了解水厂运作。

图2-4测量溶解氧资料

出处：NREL/PIX 19942

为水厂而开发出的一个BioWin模型，利用了进水特性，温度，历史的溶解氧浓度，典型曝气机速度以及测量溶解氧资料。利用这个工艺模型，评估小组确定出现有的约使用15年的曝气机，相对于新的曝气机，其拥有较低的转移效率——这意味着要达到预计的溶解氧浓度，需要更多的能量来驱动曝气机。

2.7节约能源的首要机遇

基于水厂运行信息和在审计过程中收集的数据，评估小组为污水处理厂提出了节约能源的建议。

2.7.1进水泵房/渠首

污水处理厂提供的流量数据指出，第二季（4月—6月）期间的渗透和进水(I&I)是有问题的。为了减轻这些问题，在收集系统中识别由泄漏和断裂所造成的关键性的I&I区域是很有用的。这些信息将有助于区分修理或更换系统管道工作的优先次序。

2.7.2曝气/氧化沟

与运行数据一起，氧化沟中的溶解氧水平测量，指明曝气机并没有有效地运行。鉴于这是污水处理厂最大马力的电机，曝气机已接近结束其使用寿命，评估小组建议用一个更节能的模式取代它。该污水处理厂也可以考虑安装一个新的DO表和/或在氧化沟排污口附近安装氨气传感器，以提供给氧化沟更多有用的反馈性能。把仪表连接到水厂的监控和数据采集（SCADA）系统上，这将使其能够进行连续的监测和控制溶解氧水平。如果用这些读数来自动控制曝气机的速度，则可以节约额外的能源。

图2-5机械曝气氧化沟

出处：NREL/PIX 19944

2.7.3紫外线消毒

当前运行的UV系统与最终设计流量一直，为1.3MGD。与目前最大的工作流量0.6百万MGD相比（少于一半的UV系统的设计流量），污水处理厂超过了许可规定。因此，评估小组建议，污水处理厂只运作UV系统的一岸来代替运行两岸。由于该系统的目的是主要处理比污水处理厂现有收到的更多的污水，设备还可以与制造商一起进行可能的系统修改，通过卸下灯泡，翻新或将一些镇流器断电以节省能源。将UV系统连接到SCADA也将提高控制性能。

污水处理厂也可能考虑较少更换UV系统灯——制造商建议运作13,500小时后或每1.5年更换灯泡。目前的运行做法是计划每年都维修更换灯泡，无论运行多长时间。增加更换灯泡的时间间隔，将节省水厂的材料成本和浪费的运作。

2.7.4污泥处置

目前污泥处理工艺运行效率低下是由于为进行脱水作用，而使用现行的ATAD系统管道来到达离心机造成的。ATAD系统重新开始运作时，这种效率低下会有所提高。不过，污水处理厂也可以考虑管道改造，允许污泥直接从浓缩池移动到离心机，绕过ATAD系统。这种改变将淘汰污泥处理系统中的转移泵。

污水处理厂的主要产品之一，是污泥或生物固体[8]。直到二，三十年以前，8区污水处理厂的通常做法是通过填埋或焚烧处置污泥。不过，这些时间以来，更多的设施放入生物固体进行有益的回用，并且现在8区产生的85%的生物固体被回收利用[9]。最常见的做法是，生物固体作为土壤改良剂用于农业土地施肥，或用于土壤恢复。

参考文献

[1] Electric Power Research Institute (EPRI). Water & Sustainability (Volume 4): U.S. Electricity Consumption for the Water Supply & Treatment–The Next Half Century. Topical Report1006787. Palo Alto, CA: EPRI, March 2002.

[2] Galbraith, Kate. “How Energy Drains Water Supplies.” New York Times, September 18, 2011. Accessed September 22, 2011.

[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).

[8] U.S. Environmental Protection Agency (EPA). Biosolids: Targeted National Sewage Sludge Survey Report – Overview. EPA 822-R-08-014. January 2009.

[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.