城市污水处理厂运行技术研究-以高新北区 污水处理厂为例

来源: 未知 作者:paper 发布时间: 2020-04-24 19:40
论文地区:中国 论文语言:中文 论文类型:土木工程
近年来,水资源短缺、水污染严重,已经成为制约世界各国经济社会发展的关 键,我国也是如此,建造污水处理厂是当前解决水污染问题的最佳措施,也是缓解 水资源短缺的有效措施
摘 要
近年来,水资源短缺、水污染严重,已经成为制约世界各国经济社会发展的关 键,我国也是如此,建造污水处理厂是当前解决水污染问题的最佳措施,也是缓解 水资源短缺的有效措施。污水处理厂的建造能够取得良好的社会、经济和环境效益, 但是此类工厂的建造和运行过程中不仅需要消耗大量的能源,而且还需要大量的 资金给予支持,因此污水处理厂建造过程面临着重重困难,特别是能耗过大,已经 成为制约该行业发展的障碍。我国属于资源短缺型国家,特别是电力资源,供需严 重失衡。只有建造能源利用效率高的污水处理厂,才能够缓解当前资源短缺的现象, 实现我国社会的可持续发展。在调查中发现,我国一直以来把污水处理厂的设计建 设和处理成果作为管理的重点,污水厂的后续运行成本往往被忽略,很多污水厂设 计建设虽然取得了良好的成果,但是在后续运作过程中因为资金不到位等因素,导 致污水处理厂的利用效率不高,出水指标并没有达到理想状况,久而久之,污水处 理厂就会因为成本过高、效益低而停止运营,起到持续有效的污水治理效果。所以, 在分析处理单元能量转换的基础上,对于当前已经建成的污水处理厂节能改造问 题进行全面研究和分析,重新设计新建污水厂节能等方面的问题,有利于实现污水 处理厂的持续运行。本论文选择了高新北区污水厂作为研究对象,深入的分析了该 污水厂工艺和作用设备的运行状况,基于节能提出了优化运行的具体方案,并得到 以下结论:
(1)本次研究的高新北区污水处理厂,生化处理单元能耗占总能耗 71.65%,预处理单元占10.32%,污泥处理单元占11.37%,其中对于单体构筑物 电耗主要在于提升水泵间、曝气系统和污泥脱水机器。所以应该选择以下三个单 元作为优化运行的重点:生化、污水和污泥处理单元。
(2)高新北区污水处理厂污水提升部分占总能耗10%左右,此次设计中, 在进水泵房位置,新增超声波液位计,由此对进水水位进行监控,准确查看水位 变化情况,并且在流量计的协同作用下,对潜水泵变频的优化情况进行判断和分 析,保证潜水泵的稳定运行,以降低提升潜水泵的电能消耗;同时对厂区内已安 装的粗格栅机、细格栅机进行一次整体性的维修工作。
(3)对于占目标厂总能耗70%以上的生化处理单元,在厂区建立网络控制 系统,利用计算机功能对曝气设备运行、污泥回流泵进行精准控制。网络控制系 统有自动控制模式、人工手动控制模式,可以根据厂区进水的实际需求任意切
换。利用网络控制系统,能够提高设备运行的效率,从而实现能耗的降低。
(4)污泥处理过程耗能占目标厂总能耗11%左右,本文为了加强对脱泥机 房的管理,实现该单元能耗水平的降低,优化了两个关键环节,一是优化已有的 脱水机器,使用带式浓缩压滤设备的纠偏阀,二是优化冲洗水管等部件。
(5)经过检验,优化运行后的各项出水指标满足国家标准,明显的提升了 污染物的去除率,吨水电耗降低,吨水电耗降低为0.0412 kW h/m3o本文对优化 运行后水厂整体处理效果检测过程中运用了模糊综合评价法,共设置了 5个评价 等级,评价的结果显示,其运行效果为良好。
目 录
摘要
Absrtact
第1章绪论 1
1.1 国内外城市污水处理厂运行现状 
1.1. 1城市污水处理厂运行现状 
第2章 污水处理厂运行优化分析 
2.1 高新北区污水处理厂情况 
2.1. 1污水处理厂概况 
2.1.2工艺流程 
第3章 优化运行措施研究 
3.1 预处理单元优化运行措施 
3.1. 1预处理单元优化运行措施 
第4章 运行优化效果分析 
4.1 优化运行后生化处理单元处理效果 
第5章结论与展望 
5.1 结论 
第偉绪论
1.1国内外城市污水处理厂运行现状
1.1.1城市污水处理厂运行现状
“十二五”期间,党和国家把城镇污水处理作为生态环境管理的重点,为此 投入了大量的人力物力财力,大陆地区城镇污水处理设施建设取得了显著成效, 城市污水处理率、现场污水处理率分别从82.31%、60.12%提升到91.9%、 85.22%O 2015年,城镇污水处理厂全年Cod的削减量、5万吨水cod削减量、全 年氨氮削减量、万吨水氨氮削减量分别达到1264万吨、2.7吨、118万吨、0.23 吨,和2010年相比,全年cod的削减量增加了 40.44%,增加的具体数额为364 万吨。根据上述数据可以看出,城市污水处理厂处理能力近年来得到了大幅度提 升。
根据住建部公告,截止到2015年底,全国建成的运行污水处理厂、总污水 处理能力,分别达到3 543座、1.7亿m*d,其中,达到二级及其以上处理标准 的处理能力、年处理污水总量分别为1.47亿m*d、507.78亿m3/d,虽然全国各 个城市都在不断的提高城市污水处理能力,但仍然有47个城市在此方面能力不 足,缺乏完善的污水处理设施,和我国的东北部和西部相比,东部地区和中部地 区污水处理率明显偏高;和县城相比,市级城市、大城市的污水处理率相对偏 咼。
据相关数据显示,发达国家非常重视城镇污水处理问题,城镇污水处理率超 过了 90%,比如瑞士、德国和英国等等。早在2003年,日本的城镇污水处理率 就已经达到84.8%.韩国的这一指标为78.8%o我国虽然非常重视城镇污水处理方 面的问题,近年来城镇污水处理率也在大幅度提升,但和发达国家相比,我国此 方面的处理能力仍然偏低,2010年底,我国的这一指标达到77.4%,但很多农 村、村镇污水处理问题没有纳入其中,甚至处于污水尚未处理、无序排放状态。 所以,和发达国家相比,我国污水处理率偏低,污水处理设施不健全,设施运行 负荷率偏低。根据《城市黑臭水体整治一排水口、管道及检查井治理技术指 南》,其中明确指出,管道设在地下水位以下地区,污水处理厂旱天cod不能低 于260 mg/L,并且这些指标需要每年提成20%;排水管道设在地下水位以下的地 区,污水处理厂年均cod指标不能低于350mg/Lo事实上,我国约有62%的城镇 尚未达到指南所要求的最低指标。
影响污水处理另一个重要因素就是同时处理过程中单位水量电报偏高,至于 结婚视频显示,我国城镇污水处理厂平均电耗为每立方米0.246千瓦时,而美国 和日本的这一指标分别为0.2kwh/m\ 0.26kwh/m3o我国投运的城镇污水处理 厂2015年的复合率为78.48%,如果按这一指标进行计算,污水处理厂日平均、 年平均要分别为4800万千瓦时、100亿千瓦时,数量如此庞大,污水处理能耗 高、成本一直居高不下,难以实现国家节能减排目标,也不利于污水处理厂的可 持续发展。
污水再生利用率不高,是制约我国污水处理厂有效运行的另一个原因。以色 列和新加坡污水再生利用率非常高,能够帮助污水处理厂创造出更高的经济效 益。根据《城镇排水统计年鉴》(2016)的数据分析,我国此方面的指标只有 9.56%O污水利用率过低,不利于缓解我国当前水资源匮乏的局面。特别是在广 大缺水地区,大多数污水都没有得到充分利用,进一步加剧了这些地区的缺水程 度。此外,很多污水虽然经过处理没有达到了国家标准,也没有得到充分利用; 还有部分严重污染的地表水没有经过有效处理,就直接流入了农田,或者成为工 业企业的水源,此种状况会直接影响到生态环境,威胁到居民的身心健康,增加 企业的成本。
污泥处置问题严重,导致污水处理厂成本增加、利润空间被压缩,困扰着污 水处理厂的正常运行。污泥利用率偏低,同时对于环境生态环境来说是一种严重 威胁。根据《城镇排水统计年鉴》(2016)的数据分析,我国这一指标只有 11.01%,其中49%的污泥通过填埋处置的方法进行处置,还有一部分污泥没有得 到有效处置。49%的填埋处置的污泥当前也存在着很多问题,比如含水率过低、 运输成本高等等,影响了处理效果。
“十一五”以来,为了进一步加强对城市污水的处理,我国针对污泥处理处 置,出台了一系列的标准、并推出了各种技术政策,但是我国此方面处置仍然处 于发展到初级阶段,在实践中还存在着很多问题,比如价格昂贵、技术投资不到 位、责任不明、技术路线不精确等,影响着我国城市污泥的有效处理。
1. 1.2城市污水处理厂运行存在的问题
科技的进步促使污水处理水平也不断提升,很多发达国家在上世纪的90年 代就实现并充分利用二级生物处理,还采用深度处理的设施处理污水。不过由于 城市在处理污水上费用支出,尤其是基础建设有着很高的成本,又需要高成本实 现维护,使得其发展受到制约。以发达国家美国为例,这样的问题也是存在的。 美国在污水处理方面,仅二级生物处理厂消耗的费用平均每年就可达10亿美 元。费用对于发展中国家更是严重的问题,本身经济水平就不如发达国家,而其 污水处理的水平也相对落后,为了处理污水常常需要利用别国的技术和手段,并 需要使用国外的贷款,所以很多发展中国家虽然能够建设污水处理厂,但是并不 能真正养得起,从而产生了建立污水处理厂却停运的情况,这是因为维护运行成 本太高。产生的后果便是水体环境越来越糟糕。
由于上述问题的存在和阻碍,污水处理厂的扩大明显受阻,所以各个国家都 在寻找低成本、节能的新处理技术和更完善的工艺,针对成本、工艺、能耗低研 究也不断开展。只有拥有了更加高效,成本和能耗更低的处理技术和更完善的工 艺,才能大大降低成本,防治环境遭受破坏,提高污水处理厂的处理效率,促进 城市生态不断向好,促进人与自然的和谐发展。
如何在保证出水水质的前提下,优化污水处理厂的运行,不断减少成本和能 耗支出,高效利用资源是一个备受关注的问题,目前国外有相关的研究,而国内 也迫切需要相关研究。美国的环保署就针对本国的若干污水处理厂加以调查,结 果是污水处理厂处理后的水不能达到标准的高达50%,这是运行和设计上的不完 善所导致。对于处理效果的影响存在诸多因素,而对60个因素的调查显示,在 前十个因素中,经营者问题占据了 4个,设计方面相关的问题占据6个,其余的 50个则跟空间限制、管理情况、经济成本及设备的运行情况关联。在我国,城市 污水处理厂存在着管理运行不完善的情况,所以无法在设计上符合要求。所以说 设计关系污水处理厂的运行和最后的成效,管理运营也是重要因素,和出水水质 的改善密切相关。
在污水处理厂,最核心、最重要的就是技术,处理技术的优化一直是人们关 注的焦点。在进行处理时使用到的处理工艺,与出水要求、水质、成本、处理的 能力、气候等多方面紧密相联。目前的工艺技术各种各样,但是国外主要还是使 用活性污泥法,其他的低成本的工艺也有应用,女山氧化塘工艺、土地处理等。 在污水处理方面,二级处理水平渐渐朝着三级方向变化。目前水资源不断减少, 污水回用技术逐步受到关注。所以现代的需求给污水处理厂提出了新的要求,即 拥有双重功能。一方面处理污水从而降低污染,而另一方面,还要通过污水净化 为水资源匮乏出力。
上述的活性污泥法在国外污水处理的应用中有着悠久的历史。同时,各种其 他的活性污泥工艺和相关技术不断出现,最终除了以往传统的活性污泥法,又出 现了 A/O工艺、生化池工艺、A2/OX艺。活性污泥法在各个城市担当着主要的 角色,30年来并未发生较大的改变。在芬兰,1988年时运行着的污水处理厂达 到了 570座,处理的工艺中86%都是生物处理,而最主要使用的手段还是上述的 活性污泥法。
同年的日本运行着的污水处理厂达到736座,用活性污泥法居多,占据 74%O不过,常规技术存在的问题在于其处理废水会消耗的更多动力,成本也更 高,即便是在经济发达的西方发达国家,都难以推广应用,对于发展中国家就更 难了。氧化塘工艺、土地处理的优势,就是低消耗、先进的处理功能和生态处理 相结合,这样的方式受到加拿大、美国等国家的推崇。所以以这种工艺为基础的 污水处理厂的量在这些国家将有可能超过生物滤池法及活性污泥法。除此之外人 工湿地生态系统被认为能够处理规模不大的城市产生的污水。这是因为这一系统 成本相对常规处理工艺来说,在管理运行、基础建设等方面费用都比较低。
在澳大利亚,污水处理比较成功的城市墨尔本,其建成的土地和氧化塘污水 处理厂在全球范围内规模最大。超半数的污水利用土地处理的方式,完成处理后 流入了菲利普湾。这样的方式经济效益比较高,因为其成本比较低,且处理质量 也比较高。不过这样的方式处理工业废水较少,所以较难处理的有害物和难降解 的物质占比很小。
目前国际上的污水处理厂的另外一大特点,就是其自动化水平高。不管是大 规模的处理厂,还是规模较小的氧化塘,全都可以实现计算机技术引入,从而自 动控制,其他的科技手段如闭路电视、遥控等也广泛被使用。管理自动化设备
(ICA)在1980年被安装和使用,整个污水处理的流程实现了计算机自动化控 制,只有两人便能完全足够管理,使其正常运行。美国也通过现代技术手段建成 氧化塘,常常仅需一人完成管理,或者全程实现自动化运作,大幅度的降低了成 本。
第2章 污水处理厂运行优化分析
实施污水处理运行优化,最关键的环节就是对污水处理厂能耗进行分析和计 算,然后结合计算结果,找出能耗最大的单元作为重点节能对象,最后提出具体 的节能措施。本文选取了高新北区污水处理厂作为研究对象,并对此进行全面能 耗分析,对水厂的运行技术研究有着重要意义。
2.1高新北区污水处理厂情况
2. 1. 1污水处理厂概况
随着长东北核心区(长春高新技术产业开发区北区)的成立,该区的规模不 断扩大,常住人口急剧增加,生活和生产的用水量与排水量也随之急剧增加。在 城市发展的过程中,污水数量、规模随着城市的发展也大幅度提升。如果这些城 市污水不经处理直接排放,首先会直接影响到合体水质,其次会影响到区域内生 态环境。为了避免该地区生态环境的损害,为了配合伊通河水系建设,给人民一 个良好的工作和生活环境,长春高新技术产业开发区北区污水处理厂即高新北区 污水处理厂于2012年建设并投产,一期设计规模为5万m*d。
2016年,长春高新技术产业开发区北区更名为长春新区北湖科技开发区,长 春高新技术产业开发区污水处理厂也随之更名为长春新区北湖科技开发区污水处 理厂。随着长春新区北湖科技开发区开发的加速,来投资的企业、房地场开发等 项目逐渐增多,入驻人口也逐年增加,入区企业和生活人员产生的工业废水和生 活污水将迅速增加,现阶段污水厂规模已不能满足区域迅速发展的要求,急需扩 容。二期工程于2018年开始建设,2019年正式投产。
污水厂近期规模10万m*d, —期已建5万m*d,二期建设规模5万m*d, 远期总体规模达到25万以适应北湖科技开发区的污水量的逐步增加.本研 究以为一期5万工程为研究对象。

第3章优化运行措施研究
经过第三章的计算分析显示,高新北区污水处理厂耗能最大处理单元为鼓风 曝气系统、污水提升单元、污泥处理单元,所以本章节针对该单元进行优化分 析。本章节结合城市污水处理具体需求,根据全流程节能降耗技术理念,制定了 一套节能降耗措施方案,其目的是在保障出水水质达标的基础上实现节能减耗。
3.1预处理单元优化运行措施
该环节优化节能重点在于如何降低污水提升泵能耗。提升泵站在最初设计的 时候,受设计理念、设计人员主观因素等影响,往往会设计最大功率的提升水 泵,其目的是为了保障未来水泵的功率仍然符合需求,但是在实际运行的过程 中,进水水量远远低于设计水量,这就造成了提升水泵一直处于低效运行状态, 其功能没有得到充分发挥,导致大量的电能被浪费。
在高新北区污水处理厂总能耗中,该单元的能耗所占比重为26.55%,其中预 处理单元中预处理构筑物能耗最大的就是提升泵站中的潜水泵,所以对提升水泵 节能状况进行全面管理,直接决定着该单元能耗的比率。
根据当前城市污水处理厂通用做法,结合国内相关研究,针对提升泵的节能 设计和优化控制,可以从以下几方面进行:
(1) 进行提升泵的节能设计
污水处理厂首先要对自己的进水量进行准确判断,然后确定提供水泵运行的 台数,并对其运行状况进行合理调整。在确定提升水泵过程中,要结合水厂处理 流量、扬程等因素,选择合适的水泵型号和数量。在选择过程中应该基于维护管 理的便捷性出发,尽可能的选择相同型号的设备。在调查中发现,大多数污水厂 设计处理流量均存在着偏高问题,因此选择的水泵设备型号偏高,导致水泵长期 低效率运行,甚至需要通过电动阀门节流,此种状况会造成电能的严重浪费。针 对此种状况,污水厂可以根据进水量的变化情况进行设计,引入变频调速技术、 优化组合控制技术,两项技术的综合运用,能够明显的降低该单元的能耗。
(2) 污水厂高程布置优化
多次提升污水需要耗费大量的资源,所以污水处理厂在此方面设计时尽可能 的做到一次提升,然后通过重力流等措施,让污水不需要能耗的情况下自动流过 污水处理构筑物。要想实现这一目标,必须对构筑物之间进行合理布置,比如, 采取直线设计、减少连管长度、保持水流通畅等。
(3)强化该单元运行管理
提升水泵要尽可能的提高合理利用效率,比如确保水泵在高水位运行,提高 水泵的运行效率,才能够有效的控制电能损耗。另外还要设置备用水泵,不同水 泵交替使用,避免某一水泵频繁运行导致寿命缩短。
第4章运行优化效果分析
在第3章中,本文根据高新北区污水处理厂预处理单元、生化处理单元、污 泥处理单元进行了优化运行方案讨论,该水厂于2018年10月进行优化运行,本 章节主要是对该水厂在优化运行方式启动后的部分处理数据进行分析对比,由此 讨论该优化运行方式的可行性。显示处理效果主要体现在生化段的去除效率。
第5章结论与展望
5. 1 结论
提高污水处理厂运行质量和效率,是污水行业未来发展的普遍态势。污水处 理厂只有不断提升自身的专业水平、管理能力,为社会公众创造一个良好的水环 境,实现节能降耗的目标,才能实现自身的快速发展,才能推动行业的健康有效 发展。
(1)对各处理单元门后进行对比发现,能耗最高的就是生物处理单元,在污水 厂总能靠中,该单兀的能耗所占比重咼达71.65%,总功率咼达979.8千瓦。能耗 位居第二的是预处理单元,该单元能耗所占比重为15.35%;能耗位居第三的是污 泥处理单元,该单元能耗所占比例为10.32%;能耗位居第4个是深度处理单元, 该单元的能耗所占比重为6.66%O因此应该把生物处理单元作为此次节能降耗的 重点。
(2)在污水提升单元,为了提升潜水泵的电能效率,本研究在进水泵房内增设 了超声波液位计,该设备能够对进水水位高低变化进行准确监测,然后和流量计 相互配合使用,能够对潜水泵变频进行全面优化管控。
(3)在生化处理单元,为了实现该单元的节能降耗,引入了网络控制系统、 PLC、操作面板等技术,通过自动化对相关设备进行优化和科学控制。工作人员 只要在网络控制系统中轻轻一点,就能够自动控制曝气设备、污泥回流泵。
(4)在污泥处理单元,本研究结合目标污水厂已经建成的带式浓缩压滤设 备,对该设备的纠偏法、冲洗水管等关键部件进行了优化,提升了污泥脱水机房 的管理能力,实现了单元能耗水平的有效降低。该厂在后续管理中,可以引入先 进的污泥厌氧消化技术进一步降低该单元的能耗,但该技术当下成本偏高、管理 难度大,在引入过程应该谨慎考虑。
(5)衡量处理效果的指标包括生化段的去除效率、各项出水指标均有提高。经 过计算发现,优化后运行电耗、每吨水电费分别为0.2117kW h/m3 > 0.02元,和 之前相比有了大幅度的降低。
(6)针对水厂运行管理、构筑物设备运行、水质处理、污泥处置等情况的评 价,本研究引入了模糊综合分析法,构建了模糊评价模型,对其实际运行效果进 行综合分析。该模型评价标准共分为5个等级,从良好到很差,分析过程中遵循 最大隶属度原则,分析的结果表明,该厂综合评价等级为“良好”。