北排清河第二再生水廠低碳運行實踐
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節能降耗與泥區消化產能提升重點工作，包括：發揮流域化運營優勢，通過流域水量聯調，穩定進水負荷；對鼓風機、進水泵等重點耗能設備開展節能優化，保障設備工況與工藝需求及時匹配，實現藥耗、電耗雙降，水區日均電耗0.353 kW·h/m3，較2020年降低20.7%，節電對應CO2減排比例26.1%；針對泥質與消化池氨氮負荷變化，通過保證初沉泥比例、穩定消化負荷、調控進泥含水率等措施，消化系統沼氣產量穩步提升，9月—11月沼氣產量均值298m3/tDS，較1月—8月增幅為21.6%，沼氣發電、光伏發電、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以節能降耗與可再生能源利用為抓手引領行業綠色低碳轉型。
在碳減排的驅動下，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，但由于區位、設計規模、處理工藝、運行負荷及進、出水水質等諸多客觀因素的不同，導致污水處理廠的能耗呈現一定差異，且某些差異難以通過工藝優化調控來彌補，因此，能耗水平的評估需結合污水廠的實際工況。能耗高低雖不能完全體現污水廠的運營水平，但決定著污水廠能源中和的實現路徑。根據美國能源部統計，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計分析結果顯示，截至2013年，全國執行一級A出水標準的污水處理廠平均電耗為0.35 kW·h/m3，包括北京在內的北方污水處理廠平均電耗為0.439 kW·h/m3。
北排集團結合首都水資源特點，建成基于地表Ⅳ類水標準的再生水生產利用系統以及配套的污泥資源化處理處置中心，水質與泥質標準均處于行業領先水平。2021年，北排在全國污水處理行業內率先發布碳中和規劃與實施方案。北排清河第二再生水廠（以下簡稱“清河二廠”）作為生態環境部“首批十佳城鎮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，統籌水、泥兩個生產板塊，聚焦水區節能降耗與泥區生物質能開發利用等重點任務，全力推進碳減排工作。結合清河二廠碳減排工作具體實踐，重點介紹水區節能降耗與泥區沼氣產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與污泥處理兩大業務板塊。其中水區設計處理規模為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”。再生水出水水質執行北京市《城鎮污水處理廠水污染物排放標準》（DB 11/890—2012）的Ｂ標準。高品質再生水主要用作清河河道生態補水。泥區處理能力為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。水區排泥經過無害化、減量化、穩定化處理后，進入園林綠化等領域，實現資源化利用。
清河二廠各工藝系統電能消耗情況見圖1。
2021年1月—11月，清河二廠平均電耗為0.439 kW·h/m3，其中水區電耗為0.353 kW·h/m3，占全廠電單耗的80.48%。如圖1所示，水區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，約占水區電單耗的53%。泥區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的64%。除臭系統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 水區節能降耗工作進展
清河二廠作為管網末端污水廠，與上游３座污水廠共同服務近150km2流域面積。受管網來水與上游污水廠抽升的疊加影響，其進水流量呈現顯著變化。進水負荷波動成為水區工藝調控與節能降耗需要解決的首要問題。
2.1 發揮流域水量聯調優勢
為充分發揮北排廠網一體化運營優勢，強化了流域內污水廠聯動聯調。2021年初，清河流域啟動管網上游清河污水廠與管網末端清河二廠水量聯調工作。根據流域內水量變化情況，結合兩廠柵前液位變化規律，制定相應的抽升策略。在清河污水廠穩定抽升的前提下，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水或者加大抽升，以降低后者的水力沖擊負荷。流域水量聯調前、后水區處理水量的時變化如圖2所示。
由圖2可以看出，3月16日—19日（72h）流域水量聯調前，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。流域水量聯調后，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，較流域聯調前降低近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，較流域聯調前降幅達64.4%，為水區工藝設備的運行提供了更為平穩的水力負荷。
2.2 鼓風機、進水泵優化調控
鼓風機能耗占全廠電耗的27%，鼓風機調控優化是水區節能降耗的重點工作。堅持風量與水量及時匹配原則，結合鼓風機導葉開度與風量、單耗相關性分析，明確導葉優選開度區間為35%～55%，投運鼓風機2～3臺，聚焦每天增水、減水兩個密集調控時段，開展鼓風機精細化調控。
鼓風機調控前，由于風量調節難以適應水量變化，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，生物池好氧區中段DO呈現顯著波動。每天凌晨至第二天上午低水量期，DO出現峰值，最高可達6～8mg/L。而每天下午至夜間高水量期，DO又出現低值，低于0.5mg/L。鼓風機調控后，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）。鼓風機調控優化后氣量降幅近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，結合流域水量聯調，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，利用后者降頻實現梯度減水，且頻率維持在45Hz以上。水力條件與抽升策略的優化為進水泵節電創造了條件。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：① 由于水泵葉輪口環磨損，葉輪與泵體間隙增加，水泵內部泄漏損失升高，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，降雨前進水泵執行低液位抽升，為上游管網騰容，柵前液位長時段維持低位（≤1.5m），導致進水泵能耗增加。
2.3 水區節能降耗初步成效
2019年—2021年水區月度電單耗見圖4。
受汛期集中降雨的影響，夏、秋季節管網進廠水量較大，污染物濃度偏低，月度電單耗水平低于冬春季節。2020年初突發新冠疫情，春節期間北排各廠長期處于低負荷運行，其間為了保障工藝穩定運行，以及再生水和污泥產品的安全性，采取了大量調控措施。受此影響，2020年清河二廠水力負荷率僅為64.8%，水區電單耗值較2019年有所上升。2021年日均水力負荷恢復到84.6%，隨著節能降耗專項工作的開展，水區電單耗值明顯降低。2019年、2020年、2021年1月—11月，水區日均電單耗分別為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生物脫氮除磷的促進作用，將鼓風機精細化控制與內回流比調節相結合，提高內碳源反硝化效率。2021年5月基本實現零碳源投加，前三季度甲醇投配率15.9mg/L，較2020年降低38.6%。以生物池沿程數據為依據分析，借助生化耦合除磷系統聚合氯化鋁理論投配率計算，構建了汛期與非汛期雙模式下除磷藥劑的動態投加策略，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 泥區沼氣產量提升工作進展
2021年泥區完成沼氣發電機組及余熱利用系統建設。泥區沼氣產量是制約沼氣發電量的關鍵因素。泥區沼氣產量主要受泥質、熱水解和消化系統運行效率的影響。其中，泥質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穩定運行。與之相比，消化系統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 泥質對沼氣產量的影響
脂肪較碳水化合物和蛋白質，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，而剩余污泥蛋白質含量高。清河二廠污泥樣品元素分析結果顯示，初沉污泥N/C為0.10，剩余污泥N/C為0.15，與上述規律一致。由于目前泥區執行優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年前三季度泥質與沼氣產量如圖5所示。
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，沼氣產量明顯提升。兩者的泊松系數為0.614，呈中度正相關，可以推斷水區初沉排泥量增加是促進沼氣產量升高的主要原因。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，產氣量仍未見明顯提升。
3.2 消化池運行狀態對沼氣產量的影響
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），揮發性脂肪酸含量為1 472～3264mg/L。消化溫度維持在42℃，消化池內氨氮均值為2032mg/L，酸堿比維持在0.1左右。泥質與沼氣產量變化如圖6所示，入汛前（4月—6月）水區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含量較高，導致消化池進泥氨氮負荷與消化池內游離氨濃度明顯上升，短期內游離氨濃度>600mg/L。對應時段內游離氨抑制導致沼氣產量呈現下降趨勢。
3.3 泥區沼氣產量提升初步成效
針對上述泥質變化與消化系統運行參數波動導致的產氣量下降問題，將泥區與水區強化聯動，在對剩余污泥負荷合理管控的基礎上，提出“穩消化負荷、控進泥含水率、保初沉比例”的工藝優化調控總體方針，以及3條具體措施：①優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，降低消化系統的游離氨濃度至300mg/L以下；②對消化池負荷開展精細化調控，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；③結合泥質有機物含量變化，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、措施的執行，以及水區排泥有機物含量的回升，沼氣產量穩步提升。
2021年1月—11月的沼氣產量如圖7所示。9月沼氣產量為266m3/tDS，10月沼氣產量提升為293m3/tDS，11月沼氣產量進一步提升為309m3/tDS。盡管11月中旬由于水區剩余排泥量波動，引發消化池產氣量短暫下降，待消化池進泥負荷穩定后，11月下旬沼氣產量恢復到319m3/tDS的較高水平。9月—11月沼氣產量達298m3/tDS，較1月—8月均值（245m3/tDS）增幅達21.6%。1月—11月沼氣產量均值為261m3/tDS。
04 清河二廠碳減排潛力分析
2021年清河二廠通過提質增效與節能降耗工作的開展，碳減排潛力得到進一步釋放。以實際處理水量42×104m3/d核算，水區全年節電對應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%。
結合泥區現況261m3/tDS的沼氣產量，扣除熱水解自用蒸汽與冬季供暖蒸汽消耗沼氣量，可發電沼氣量以5500m3/d測算，發電量約1.0×104kW·h/d，約占全廠用電量的5.6%。預估年度節電對應CO2減排量為2205t。即將建設的光伏發電項目，若按高壓并網方式核算，裝機容量為6.9MW，理論可發電量約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%。預估年度節電對應CO2減排量為4189t。水源熱泵系統運行穩定，廠區3臺單螺桿水源熱泵機組總裝機容量為2800kW，為廠區綜合辦公樓、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，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%。
根據目前的數據推斷，隨著水區節能降耗與泥區沼氣產能提升工作的持續推進，以及沼氣發電、光伏發電順利并網投運，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 結論
① 通過流域水量聯調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調前分別降低37.9%、64.4%。鼓風機、進水泵等主要耗能設備節能優化效果顯現。2021年1月—11月，水區電單耗為0.353kW·h/m3，較2020年同期降幅為20.7%。水區節電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 結合泥質、消化系統運行參數與產氣量相關性分析，明確了泥質有機物含量、初沉污泥占比、剩余污泥負荷等產氣量主要影響因素。提出提升沼氣產量3項具體舉措，自8月下旬措施實施以來，9月—11月沼氣產量達298m3/tDS，較1月—8月的增幅為21.6%。
③ 核算沼氣發電、光伏發電、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%。清河二廠將持續引領行業綠色低碳轉型。
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