基于统计学方法的城市污水处理厂能耗变化研究

汪雪格,吴沛霖,李晓丹,孙苏洋,边德军

(1.长春工程学院水利与环境工程学院,长春 130012;2.中国市政工程东北设计研究总院有限公司,长春 130026)

长期以来,城市污水处理厂的作用主要是降低污水被直接排放对受纳水体的污染,其主要目标是使水质达标。为了达到设定的水质目标,污水处理过程实际上是一个能源置换、污染转移的过程[1]。随着污水处理厂出水水质标准的提高,污水处理厂在原有工艺的基础上增加了深度处理,相应的电耗也增加。电耗增加不仅导致企业成本增加[2],还加重生态破坏、加速能源危机、增大碳排放量[3-7]等。虽然在一定程度上使水环境质量得到改善,但这种改善是以增加经济成本和破坏生态环境为前提的,因此,应综合考虑水质达标、能耗等,同时实现污水处理厂节能降耗和水质达标,这是污水处理行业亟需解决的课题。其中,提高能源的使用效率是解决该矛盾的一种有效方式。因此,本研究在传统能耗评价[8-12]的基础上,采取统计分析的方式,分析能耗变化的规律和特征,寻求能耗使用效率高的条件和前提,以期指导污水处理厂运行实践。

1.1 数据来源

东北城市D污水处理厂为三级处理,日均处理能力为40万m3/d,主体工艺采用A2O处理工艺,工艺流程如图1所示。设计进水指标:CODcr(以下简称COD)为360 mg/L,氨氮为30 mg/L,总磷为6 mg/L,总氮为40 mg/L,SS为280 mg/L。出水执行 GB 18918—2002《城镇污水处理厂污染物排放标准》一级A标准。

图1 D污水处理厂工艺流程及主要能耗节点图

本研究以D污水处理厂提供的2018年—2020年逐日进水量、进水COD浓度、出水COD浓度及日耗电量等实测数据为研究对象,采用SPSS统计分析软件进行统计学分析,主要分析进水量、进水COD浓度、COD处理总量、能耗的月变化规律和特征,以及分析耗电量随进水量、进水COD浓度以及COD处理总量的变化规律,探索耗能高低的前提和条件。

1.2 研究方法

通常评价污水处理厂耗电量情况,是以单位水量耗电量平均值来表征的[13-14]。单位水量耗电量受到进水水量、水质、污水处理工艺和处理程度等的影响。本研究是在A2O工艺基础上,针对不同的进水量、不同的进水水质以及处理程度,分析各种情况下单位水量耗电量的变化情况。本研究用进水COD浓度表征进水水质,用COD处理总量表征处理程度,同时为了分析的方便,提出了进水量等级、进水COD浓度占比等级以及COD处理总量占比等级的概念。

单位水量耗电量、进水量百分比、进水COD浓度占比以及COD处理总量占比计算如式(1)～(4):

(1)

(2)

(3)

(4)

式中:q为进水量;m为设计规模x为进水量百分比;y为进水COD浓度占比;z为COD处理总量占比;d为耗电量;Dw为单位水量耗电量。

进水量等级、进水COD浓度占比等级和COD处理总量占比等级的划分见表1～3。

表1 进水量等级划分表

表2 进水COD浓度占比等级划分表

表2(续)

表3 COD 处理总量占比等级划分表

数据分析软件:SPSS软件是面世最早的一款应用于统计学分析运算和数据挖掘的软件,该软件具有操作简单、编程方便等特点,其功能非常强大,具有完善的数据统计、数据输入、编辑、图表制作等功能,还自带上百种不同类型的函数,可以对数据进行各种类型分析,并且其输入和输出格式多样性,可以将不同格式的文件输入及输出,是一款运行稳定且应用面极广的软件。

2.1 月分布规律分析

通过SPSS软件,按照式1～3和表1～3对进水量等级、进水COD浓度占比等级、COD处理总量占比等级以及单位水量耗电量进行统计分析,得出月分布规律如图2所示。

(a)

从图2(a)可知,D污水处理厂的进水量基本处在5～10级,亦即进水量在40%～100%的设计规模范围内变化,其中污水厂进水量等级为8级时出现频率最多,在12个月中进水量等级为8级均属于频率高的,也就是进水量为设计规模的70%～80%最常出现;其次是10级,即进水量为90%～100%的设计规模,出现在1月—8月中,9月—12月中没有出现,亦即9月—12月没有偏大的进水量;进水量等级为9级时各月的出现频率均较低,仅8月—12月出现稍高的频率;进水量等级为7级时,各月都会出现,但仅在4月—9月出现稍高的进水量,其中6月份出现的频率最高;进水量等级为6级时各月出现的频率都很低,其中3月和9月没有出现这个等级的进水量;进水量等级为5级时,1月、2月、10月、11月、12月出现的频率较高,而6月、7月没有出现,5月、8月、9月仅出现很低的频率,即冬季出现进水量较低的情况较多;进水量等级为3级和4级的情况仅出现在9月,且概率极低。

从图2(b)进水COD浓度占比等级可知,进水COD浓度占比等级分布范围为3～17级。其中进水COD浓度占比等级出现频率最高的是11级,即在100%～110%的进水COD浓度设计范围,各月份均出现该级别的进水COD浓度,除9月—11月外,其余月份出现该级别的频率较高;其次为10级,各月份均出现,其中6月频率最高、11月最低;进水COD浓度占比等级为9级时,各月份均出现但频率均较低,仅7月、8月出现稍高频率;进水COD浓度占比等级为12级时,仅5月、6月、12月出现的频率稍高,其他月份出现的频率均较低;其余等级的进水COD并不是所有月份都出现,等级为8级时,1月—3月出现的频率较高,而4月—6月、12月未曾出现;等级为13级的仅在1月、5月—7月、11月—12月中偶尔出现;对于高级别(14～17级),属于极端情况,在一年中偶尔出现;而对于低级别(3～7级),只在8月—11月出现。这表明虽然污水进水水质变化范围较大,但是主要集中在9～12级。

从图2(c)可知,在COD处理总量占比等级中,等级分布为1～13级。其中,出现频率最高的是8级,即通过污水处理厂COD去除量占设计去除量的70%～80%属于常态,在各月份中均出现,其中1月—8月出现的频率均偏高,3月的频率最高;其次,COD处理总量占比等级为7级,5月—8月出现的频率较高,9月份没有出现,其余月份出现的频率均不高;COD处理总量占比等级为9级时,各月均出现,且频率较低;等级为10级时,除2月份没有出现外,其余月份频率也较低;等级为6级时,仅7月、8月、12月出现稍高的频率;等级为5级时,在12月、1月—3月出现较高的频率;等级较高的级别(11～13级)仅出现在4月—8月,等级较低的级别仅出现在8月—11月。

从图2(d)可知,单位水量耗电量和进水量、进水COD浓度一样是变化的,在各月份中多数频率的单位水量耗电量处于较低水平的,通过统计分析得到单位水量耗电量的均值为0.26(kW·h)/m3,低于东北地区的平均水平0.269 6(kW·h)/m3[15]。为了方便分析,将单位水量耗电量分为高值(0.4～0.5 (kW·h)/m3)、中高值(0.3～0.4 (kW·h)/m3)、中值(0.25～0.3(kW·h)/m3)和低值(<0.25(kW·h)/m3)4类。单位水量耗电量高值主要出现在1月—3月中,出现耗电量>0.4(kW·h)/t的概率较高,同时可以看出在1月—3月,单位耗电量水平较高,而进水量等级处于5～10级的变化且5级的频率较高,进水COD浓度占比等级基本分布在比较集中的8～12级且8级频率较高,COD处理总量占比等级主要集中的4～9级。4月—12月耗电量水平均低于0.4(kW·h)/t,而且各月耗电量集中分布范围是变化的,低值和中高值的频率较高,而中值的频率较低。对于特定A2O工艺的污水处理厂,要想降低耗电量水平,实现节能降耗,可以降低高值、中高值出现概率,增加中值、低值出现频率。

2.2 二维相关分析

在D污水处理厂内,最主要的耗能方式就是电耗,单位水量耗电量是变化的,耗电量受到各种因素的影响,究竟在什么条件下单位水量能耗较低,本研究通过SPSS统计分析软件,分析了单位水量耗电量随进水量等级、进水COD浓度占比等级以及COD处理总量占比等级的变化规律,分析得出能耗使用效率高低的情况,结果如图3所示。

从图3(a)可知,在进水量等级为5级时,单位水量耗电量最大值为0.47(kW·h)/m3,最小值约为0.2(kW·h)/m3,分布比较分散;进水量等级为6级时,耗电量变化范围较小,出现的概率较低,主要分布在0.22～0.4(kW·h)/m3;进水量等级为7时,耗电量变化范围为0.2～0.4(kW·h)/m3,和等级为6时接近,但是频率较多;进水量等级为8级时,最大值和7级差不多,但是主要分布在0.2～0.3(kW·h)/m3;进水量等级为9级时,最大值较8级减少较多,最大值<0.3(kW·h)/m3;进水量等级为10级时,出现频率也较多,主要分布在0.19～0.23(kW·h)/m3;进水量等级为3级、4级时,耗电量也偏低,可能出现这种情况的原因是进水量偏低或者是检修期,污水处理厂仅启用了两个相同的生化系统中的1个,且结合图2(a)可知3～4级出现的概率较低,属于异常情况,本文不做过多的分析。从整体耗电量水平可以看出,进水量等级5级与10级的耗电量最高值的差距约为一半,随着进水量等级的提高,最大耗电量也相应地减少,耗电量均值也处于逐渐减少的状态。因此,可以得出单位水量耗电量随进水量的增加而减小。

从图3(b)可知,进水COD浓度占比等级在3～7级时,耗电量水平较低,出现的频率不高,且单位水量耗电量均值随进水COD浓度占比等级的提高而提高,结合图2可知,进水COD浓度占比等级3～7级出现频率很低,不能反映污水处理厂主要的规律;当进水COD浓度占比等级为8～12级时,单位水量耗电量随进水COD 浓度占比等级的变化规律不明显,单一级别的单位水量耗电量的变化幅度较大,最低时单位水量耗电量约为0.15(kW·h)/m3,最高时达到0.45(kW·h)/m3,差距为3倍之多;且出现耗电量高值的频次较少,高频次耗电量水平主要集中的0.2～0.3(kW·h)/m3。

从图3(c)可知,在COD处理总量占比等级为1～3级时,单位水量耗电量随COD处理总量占比等级变化的规律不明显;当COD处理总量占比等级为4～13级时,单一COD处理总量占比等级的单位水量耗电量最大值均随着COD处理总量占比等级的提高而降低,最大值从5级的0.47 (kW·h)/m3降至13级时的0.26(kW·h)/m3,差距接近2倍。亦即COD处理总量越高,单位水量耗电量最大值越低,耗电量分布越集中。

2.3 三维相关分析

从以上统计分析可知,单位水量耗电量随着进水量、进水水质及污水处理程度的变化而产生变化。进水量相同,污染物浓度不同或污染物处理程度不同,单位水量耗电量也不同;污染物浓度相同,进水量不同或污染物处理程度不同,单位水量耗电量也不同;污染物处理程度相同,进水量不同或污染物浓度不同,单位水量耗电量也不相同。那么,什么情况下单位水量耗电量出现高值、中值和低值,接下来通过单位水量耗电量与进水量等级、进水COD浓度占比等级和COD处理总量占比等级三维相关关系图(图4)来分析。

(a)

在图4(a)中,在进水量等级和进水COD浓度占比等级综合作用下,单位水量耗电量均值在进水等级为5～7级和进水COD浓度占比等级为9级～11级交汇处是最大的;进水量等级在8～10级与进水COD浓度占比等级8～13级交汇处,单位水量耗电量低。在进水COD浓度占比等级为10级、11级、13级、14级时,随着进水量等级从5～10级,耗电量是逐渐减少的;进水COD浓度占比等级为6级、9级和12级时,单位水量耗电量随进水量等级的增加出现先增加后减小的趋势。整体上单位水量耗电量随进水量等级的提高而降低;同一级别的进水量等级,单位水量耗电量随进水COD浓度占比等级的增加出现不规则的变化。

在图4(b)中,单位水量耗电量最大值主要集中在进水量等级为5～7级和COD处理总量占比等级为3～8级交汇处;单位水量耗电量最小值主要集中在进水量等级为8～10级和COD处理总量占比等级为7～13级交汇处。同一级别的COD处理总量占比等级,随着进水量等级的增加,单位水量耗电量均值基本上呈现减少的趋势;而同一进水量等级,随着COD处理总量占比等级的增加,单位水量耗电量的变化不规则。

在图4(c)中,单位水量耗电量最大值主要集中在进水COD浓度占比等级为10～11级和COD处理总量占比等级的4级、5级交汇处;单位水量耗电量最小值主要集中在进水COD浓度占比等级为8～13级和COD处理总量占比等级的7～13级交汇处的COD处理总量占比等级较大值的范围。同一级别的进水COD浓度占比等级,单位水量耗电量基本上是随着COD处理总量占比等级的提高而减小的,而同一级别的COD处理总量占比等级,单位水量耗电量基本随着进水COD浓度占比等级的提高而增加的。

通过前述分析,可知单位水量耗电量高值主要出现在进水量等级为5级～7级、进水COD浓度为10～11级、COD处理总量占比为4～5级交汇处。这正好与图2中,1月—3月单位耗电量水平较高,而进水量等级处于5～10级的变化且5级的频率较高,进水COD浓度占比等级基本分布在比较集中的8～12级且8级频率较高,COD处理总量占比等级主要集中在4～9级这一现象相吻合。耗电量水平低值主要集中在进水量等级为8～10级、且进水COD浓度占比等级为8～13级与COD处理总量占比等级为7～13级交汇处的COD处理总量占比等级的较大级别处。

1)东北地区D污水处理厂进水量等级为8级时频率最高;进水COD浓度占比等级出现频率最高的是11级;COD处理总量占比等级出现频率最高的是8级,单位水量耗电量的均值为0.26(kW·h)/m3,略低于东北地区的平均水平。

2)1月—3月单位水量耗电量较高,相应的进水量等级处于5～10级的变化且5级的频率较高,进水COD浓度占比等级基本分布在比较集中的8～12级且8级频率较高,COD处理总量占比等级主要集中的4～9级。4月—9月耗电量水平整体较低,中高值和低值出现的频率较高,而中值出现的频率较低。

3)单位水量耗电量随着单位时间进水量、进水水质及污水处理程度的变化而产生变化。随着进水量等级从5级提高到10级,单位水量耗电量随之减小;COD处理总量越高,单位水量耗电量最大值越低,耗电量分布越集中。

4)单位水量耗电量高值主要出现在进水量等级为5～7级、进水COD浓度为10～11级、COD处理总量占比为4～5级交汇处。耗电量水平低值主要集中在进水量等级为8～10级、且进水COD浓度占比等级为8～13级与COD处理总量占比等级为7～13级交汇处的COD处理总量占比等级较大值的范围。

5)本研究统计分析出能耗及其相关关系的变化规律,揭示了高能耗、低能耗发生的条件和时间,对于污水处理厂运行实践具有理论参考作用。

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