城鎮(zhèn)污水收集處理系統(tǒng)在提質(zhì)增效過(guò)程中如何節(jié)能減排？
污水處理廠電費(fèi)約占日常運(yùn)行費(fèi)的40%，近年來(lái)，許多地方大力推進(jìn)城鎮(zhèn)污水處理廠提標(biāo)改造，進(jìn)一步增加了電耗，提高日常運(yùn)行費(fèi)用。分析了近10年城鎮(zhèn)污水處理廠的運(yùn)行數(shù)據(jù)，基于產(chǎn)污系數(shù)法測(cè)算了城鎮(zhèn)污水處理廠提標(biāo)到地表水準(zhǔn)Ⅳ類標(biāo)準(zhǔn)和改善污水收集管網(wǎng)兩種情形下削減BOD及新增能耗。結(jié)果顯示，若將全國(guó)城鎮(zhèn)污水處理廠全部提標(biāo)到準(zhǔn)Ⅳ類，可新增BOD削減7.75萬(wàn)t/年,同時(shí)新增能耗202100萬(wàn)kW·h/年;若將全國(guó)污水管網(wǎng)進(jìn)行修復(fù)改善，可新增BOD削減量306萬(wàn)t/年，同時(shí)新增能耗245170萬(wàn)kW·h/年，通過(guò)提高進(jìn)水濃度新增的BOD削減量，其單位能耗僅為目前單位BOD消減所需能耗的約1/2，節(jié)能效果顯著。
1研究背景
截至2010年底我國(guó)污水污泥處理產(chǎn)生的能耗已達(dá)到全國(guó)總能耗的1%。近年來(lái)，隨著人民群眾對(duì)美好生活環(huán)境的需求增加，我國(guó)城鎮(zhèn)污水處理規(guī)模不斷增加，目前處理能力已由2010年的1.2億m³/d提升到2億m³/d，《水污染防治行動(dòng)計(jì)劃》明確要求要因地制宜對(duì)現(xiàn)有城鎮(zhèn)污水處理設(shè)施進(jìn)行改造，2020年底前達(dá)到相應(yīng)排放標(biāo)準(zhǔn)或再生利用要求，現(xiàn)行《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB18918-2002)也啟動(dòng)了修訂計(jì)劃，擬在一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)上對(duì)部分指標(biāo)再做提升。北京市是較早一批提出污水處理廠提標(biāo)改造的城市，2013年北京市制定了加快污水處理和再生水利用設(shè)施建設(shè)三年行動(dòng)方案(2013~2015)，2016年又提出了第二個(gè)三年行動(dòng)方案，提出結(jié)合管網(wǎng)建設(shè)，開展污水處理提標(biāo)改造，推進(jìn)河道黑臭水體整治。污水處理廠出水執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)的提升等一系列工作將直接提高污水處理能耗。污水處理廠能耗的90%主要用于曝氣、污水推流等生化處理，污水提升和污泥處理等。此前，也有較多關(guān)于污水處理廠節(jié)能降耗方面的研究，但大都側(cè)重于污水處理廠內(nèi)，本文從城鎮(zhèn)生活污水收集管網(wǎng)提質(zhì)增效出發(fā)，從污水收集處理系統(tǒng)分析其對(duì)電耗的影響，并由此探討污水處理費(fèi)制定標(biāo)準(zhǔn)。
2研究對(duì)象和方法
結(jié)合全國(guó)城鎮(zhèn)污水處理管理信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)及公開發(fā)表的相關(guān)文獻(xiàn)，對(duì)近10年城市(不含縣城)城鎮(zhèn)污水處理廠能耗進(jìn)行分析，估算不同工藝、排放標(biāo)準(zhǔn)、處理規(guī)模，進(jìn)水濃度對(duì)處理能耗的影響，進(jìn)而提出在以綠色、可持續(xù)發(fā)展為理念的城市水環(huán)境提升過(guò)程中，污水收集處理所需要關(guān)注的內(nèi)容。
2.1影響污水處理廠能耗參數(shù)分析
根據(jù)全國(guó)城鎮(zhèn)污水處理管理信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)，剔除沒(méi)有標(biāo)明處理工藝、進(jìn)水量不穩(wěn)定以及規(guī)模小于1萬(wàn)m³/d的污水處理廠進(jìn)行了梳理(以下簡(jiǎn)稱“規(guī)模以上”)。經(jīng)分析，從2008~2017年，不同生物處理工藝、規(guī)模的污水處理廠數(shù)量情況如表1所示。
提升污水處理廠進(jìn)水BOD濃度，在同等曝氣強(qiáng)度下BOD負(fù)荷將提高，在保證出水水質(zhì)達(dá)標(biāo)的情況下，處理單位BOD能耗會(huì)有所下降。本文對(duì)2017年地級(jí)城市的1548座污水處理廠運(yùn)行情況進(jìn)行比較，按照出水水質(zhì)情況，結(jié)合網(wǎng)上公開的信息，對(duì)污水處理廠出水執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行校正，分析不同出水執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)、進(jìn)水濃度對(duì)能耗的影響。由于BOD更能反映生活污水實(shí)際情況，因此本文以BOD濃度作為主要水質(zhì)參數(shù)，計(jì)算出不同進(jìn)水BOD濃度(每10mg/L為一檔)噸水能耗，分析進(jìn)水濃度和噸水能耗的關(guān)系，以此計(jì)算每座城鎮(zhèn)污水處理廠(對(duì)應(yīng)城市理論污水BOD濃度)能耗增加量，見表2、圖1。
2.2城鎮(zhèn)污水處理廠提標(biāo)改造能耗分析
新增BOD消減能力理論值=(目前排放濃度-改造后排放濃度)×城鎮(zhèn)污水處理廠規(guī)模(1)
新增能耗估算=(改造后預(yù)估噸水能耗-目前噸水能耗)×城鎮(zhèn)污水處理廠規(guī)模(2)
2.3以管網(wǎng)為核心的污水處理系統(tǒng)提質(zhì)增效對(duì)能耗的影響
參照《第一次全國(guó)污染源普查城鎮(zhèn)生活源產(chǎn)排污系數(shù)手冊(cè)》，計(jì)算出每個(gè)城市產(chǎn)生的生活污水BOD濃度，并考慮在污水管網(wǎng)輸送過(guò)程中10%的降解，以此為基礎(chǔ)，將每座污水處理廠按照實(shí)際處理水量加權(quán)平均后，作為該省份的理論進(jìn)水濃度。
按照進(jìn)水BOD濃度與噸水能耗的關(guān)系方程，推算出每座污水處理廠進(jìn)水新增能耗，對(duì)于進(jìn)水BOD不小于理論值的，不計(jì)算新增能耗。計(jì)算見式(3)：
城鎮(zhèn)污水處理廠新增能耗估算=0.0008×(理論進(jìn)水BOD濃度-目前進(jìn)水BOD濃度)(3)
3結(jié)果分析
3.1城鎮(zhèn)污水處理廠能耗分析
近幾年污水處理廠出水水質(zhì)要求越來(lái)越高，從統(tǒng)計(jì)結(jié)果來(lái)看，2008年到2017年污水處理廠年均噸水耗電量從0.24kW·h/m³上升到了2017年的近0.3kW·h/m³，且主要是從2013年開始出現(xiàn)較為明顯的上漲趨勢(shì)。從統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果來(lái)看，隨著噸水耗能的提升，噸水COD的削減未能提高，反而有不斷下降的趨勢(shì)，從2008年的0.28kg/m³下降到2017年的0.26kg/m³。這些新增的能耗一方面用于AAO新增的消毒、污泥消化等耗能環(huán)節(jié)，另一方面用于城鎮(zhèn)污水處理廠提標(biāo)改造后，出水水質(zhì)提升。而噸水COD削減量降低，主要是由于近年來(lái)地方環(huán)境督查壓力大，很多地方沿河截污等措施把河水等一起截進(jìn)污水處理廠，另一方面管網(wǎng)質(zhì)量差，特別是地下水位高的地區(qū)，地下水?dāng)D占管網(wǎng)，導(dǎo)致污水處理廠清湯寡水，同時(shí)，近年來(lái)部分地區(qū)將工業(yè)廢水逐漸從城鎮(zhèn)污水處理系統(tǒng)中撥離出來(lái)，部分城鎮(zhèn)污水處理廠的進(jìn)水COD濃度會(huì)減少。
經(jīng)對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)，處理量小于5萬(wàn)m³/d的小規(guī)模污水處理廠，其噸水能耗明顯高于5萬(wàn)m³/d的中、大規(guī)模污水處理廠，這與此前的研究結(jié)果基本一致。但是，小型污水處理廠與中大型污水處理廠的噸水能耗差是在逐漸縮小，特別是在2012~2015年中大型城鎮(zhèn)污水處理廠能耗增加量要明顯快于小型污水處理廠。對(duì)于中大型城鎮(zhèn)污水處理廠是監(jiān)管的重點(diǎn)，也是最先進(jìn)行提標(biāo)改造的對(duì)象，出水水質(zhì)都有更高的要求，單位污水處理能耗也會(huì)隨之提高。同時(shí)隨著城鎮(zhèn)污水處理廠相關(guān)技術(shù)的成熟，小型污水處理廠單位能耗基數(shù)大，節(jié)能效果會(huì)比較明顯，見圖2。
而對(duì)于不同工藝來(lái)看(圖3、圖4)，從2009~2017年，SBR工藝的噸水能耗相對(duì)較低，但是規(guī)模多為中小型;其次為AAO工藝，占現(xiàn)運(yùn)行城鎮(zhèn)污水處理廠的近1/3，也是很多大型污水處理廠較為常用的工藝，不同規(guī)模單位能耗差異也較大。對(duì)比2009年及2013年的數(shù)來(lái)看，AAO、氧化溝、SBR等傳統(tǒng)工藝，不同規(guī)模污水處理廠之間噸水能耗也明顯縮減，F(xiàn)階段，很多污水處理廠提標(biāo)改造，原有的工藝經(jīng)過(guò)提標(biāo)改造后很多都結(jié)合了MBR等新工藝，如北京的肖家河污水處理廠，由原來(lái)的AAO工藝，轉(zhuǎn)變?yōu)锳AO+MBR的模式，出水水質(zhì)達(dá)到準(zhǔn)Ⅳ類。
3.2不同出水標(biāo)準(zhǔn)對(duì)能耗的影響分析
依據(jù)表3估算結(jié)果，若污水處理廠全面提標(biāo)到準(zhǔn)Ⅳ類，新增能耗需20.1億kW·h/年，較現(xiàn)用電量增加24%，而BOD削減量?jī)H增加1%。
如表4所示，改造污水管網(wǎng)提高進(jìn)水濃度，污水處理廠新增BOD消減量306萬(wàn)t/年，較現(xiàn)有處理量提升60%;新增能耗約24.5億kW·h/年，較現(xiàn)用電量增加29%，其單位BOD消減量所用能耗約為現(xiàn)在的1/2。從表4數(shù)據(jù)來(lái)看，南方城市，進(jìn)行管網(wǎng)進(jìn)行改造后，對(duì)BOD進(jìn)水濃度的提升效果更因?yàn)轱@著。而北京、內(nèi)蒙、甘肅、新疆等省市，平均BOD進(jìn)水濃度基本接近理論值，僅個(gè)別污水處理廠進(jìn)水濃度還需進(jìn)一步提升。
4討論
4.1廠網(wǎng)一體的運(yùn)營(yíng)模式對(duì)污水收集處理能效分析
2010年以來(lái)，北京實(shí)行廠網(wǎng)一體化運(yùn)營(yíng)管理模式，通過(guò)實(shí)行廠網(wǎng)一體的模式，激發(fā)運(yùn)營(yíng)單位做好管網(wǎng)的日常維護(hù)，從而有效控制污水外滲，清水滲入管內(nèi)，從而提升污水收集處理效能。選取了北京市5座從2008~2017年數(shù)據(jù)相對(duì)完整，且已實(shí)行廠網(wǎng)一體運(yùn)行的污水處理廠進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)這些污水處理廠的進(jìn)水濃度相較為實(shí)現(xiàn)廠網(wǎng)一體運(yùn)營(yíng)的污水處理廠，其進(jìn)水水質(zhì)及水量相對(duì)更為穩(wěn)定，且BOD濃度也與理論值基本相符(見圖5)。同時(shí)，這種廠網(wǎng)一體的運(yùn)營(yíng)模式，在雨天通過(guò)合理調(diào)度，還能有效應(yīng)對(duì)汛期因排水不暢而形成城市內(nèi)澇等問(wèn)題。實(shí)現(xiàn)“水質(zhì)保障、水量均衡、水位預(yù)調(diào)”的系統(tǒng)化運(yùn)營(yíng)，從而進(jìn)一步有效利用管網(wǎng)，還能減少雨天對(duì)污水處理廠的沖擊。
4.2污水處理運(yùn)營(yíng)成本分析
污水管網(wǎng)改造及日常運(yùn)營(yíng)費(fèi)用分析見表5。在不新增管網(wǎng)、不新建污水廠的前提下，若將現(xiàn)有城市污水處理廠均提標(biāo)到，一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行，按照平均運(yùn)營(yíng)成本是1.50元/m³計(jì)算，加上改造已有管線折合噸水費(fèi)用為0.22元/m³(按照30年使用壽命折算)以及每年管網(wǎng)維護(hù)費(fèi)用0.15元/m³，污水處理費(fèi)用將達(dá)到1.87元/m³。若加上管網(wǎng)建設(shè)費(fèi)用，噸水運(yùn)營(yíng)成本將再增加1.24～1.64元/m³。對(duì)于一些執(zhí)行更高標(biāo)準(zhǔn)的污水處理廠(準(zhǔn)Ⅳ類)，提標(biāo)改造費(fèi)用折合后噸水處理費(fèi)用增加0.05元/m³(按照500元/m³改造費(fèi)用，使用壽命30年折算)，噸水能耗將增加10%，按照1元/(kW·h)計(jì)算，同時(shí)，能耗占污水處理廠日常運(yùn)行費(fèi)用的40%，相應(yīng)折算日常運(yùn)行費(fèi)用至少增加0.12元/m³，執(zhí)行準(zhǔn)Ⅳ類標(biāo)準(zhǔn)的污水處理廠運(yùn)營(yíng)費(fèi)用至少為2.04元/m³(不包含管網(wǎng)建設(shè)費(fèi)用)。
2015年，發(fā)改委印發(fā)《關(guān)于制定和調(diào)整污水處理收費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)等有關(guān)問(wèn)題的通知(發(fā)改委2015)》)中規(guī)定我國(guó)污水處理費(fèi)征收標(biāo)準(zhǔn)將上調(diào)至2016年底居民價(jià)格應(yīng)不低于0.95元/m³，非居民價(jià)格應(yīng)不低于1.4元/m³。北京市2018年出臺(tái)了《污水處理費(fèi)征收使用管理辦法》，明確將用于污水管網(wǎng)、污水處理設(shè)施的建設(shè)和運(yùn)行以及污泥處理處置，目前北京市的污水處理費(fèi)為1.7元/m³，遠(yuǎn)高于全國(guó)平均水平。按照現(xiàn)行污水處理費(fèi)征收標(biāo)準(zhǔn)，很多污水處理費(fèi)是難以覆蓋整個(gè)污水收集處理系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)費(fèi)用的，污水處理廠的運(yùn)行仍需要依靠政府補(bǔ)貼。
5對(duì)策和建議
(1)從源頭削減污染物。應(yīng)運(yùn)用海綿城市理念，對(duì)建筑小區(qū)、道路、廣場(chǎng)綜合采用“滲、滯、蓄、凈、用、排”等進(jìn)行改造，從源頭上盡可能的消納地表徑流，減少污染物進(jìn)入水體造成水體水質(zhì)惡化;進(jìn)行消峰、錯(cuò)峰，減少排水管網(wǎng)的負(fù)荷及對(duì)污水處理廠的沖擊。
(2)加快以管網(wǎng)改造，推進(jìn)廠網(wǎng)一體化。管網(wǎng)的收集水平對(duì)整個(gè)污水處理系統(tǒng)起著核心的作用，特別是對(duì)于南方河網(wǎng)、地下水位較高、豐水的地區(qū)，要加強(qiáng)對(duì)現(xiàn)有管網(wǎng)的改造，防止清水進(jìn)入污水管網(wǎng)。同時(shí)可以通過(guò)推進(jìn)廠網(wǎng)一體的運(yùn)營(yíng)模式，加快建立起管網(wǎng)的日常運(yùn)維機(jī)制，保障管網(wǎng)能高效運(yùn)行。
(3)合理調(diào)整污水處理費(fèi)。從本文分析來(lái)看，若采用廠網(wǎng)一體的模式，一方面有效提高污水處理廠進(jìn)水濃度，另一方面能較好的調(diào)度污水、雨水，實(shí)現(xiàn)污水處理廠效能提升，在提升水環(huán)境質(zhì)量和節(jié)能減排都能起到關(guān)鍵性作用，而管網(wǎng)修建、管理的費(fèi)用是整個(gè)污水體制增效的重要部分，因此，需建立與之相適應(yīng)的污水處理費(fèi)征收體系，逐步提高生活污水處理費(fèi)，應(yīng)補(bǔ)償?shù)秸＿\(yùn)營(yíng)并合理盈利，進(jìn)而推進(jìn)廠網(wǎng)一體化運(yùn)作模式。
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