基于统计学方法的城市污水处理厂能耗变化研究_汪雪格.pdf

I S S N 1 0 0 9-8 9 8 4C N 2 2-1 3 2 3/N长春工程学院学报(自然科学版)2 0 2 2年 第2 3卷 第4期J.C h a n g c h u n I n s t.T e c h.(N a t.S c i.E d i.),2 0 2 2,V o l.2 3,N o.4 1 3/2 57 1-7 6d o i:1 0.3 9 6 9/j.i s s n.1 0 0 9-8 9 8 4.2 0 2 2.0 4.0 1 3基于统计学方法的城市污水处理厂能耗变化研究收稿日期:2 0 2 2-0 5-1 1基金项目:长春市科技计划项目(2 1 Z GM 1 2)作者简介:汪雪格(1 9 7 8-),女(汉),河北新乐人,博士,教授主要研究污水处理理论与技术。通讯作者:边德军,博士,教授汪雪格1,吴沛霖1,李晓丹2,孙苏洋1,边德军1(1.长春工程学院水利与环境工程学院,长春 1 3 0 0 1 2;2.中国市政工程东北设计研究总院有限公司,长春 1 3 0 0 2 6)摘 要:采用统计学方法统计分析单位水量耗电量随进水量等级、进水C O D、C O D处理总量的变化规律。结果表明:随进水量等级从5级变到1 0级,单位水量耗电量随之减小;C O D处理总量越高,单位水量耗电量越低。单位水量耗电量高值在进水量等级57级、进水C O D浓度占比等级1 01 1级、C O D处理总量占比等级45级交汇处。单位水量耗电量低值在进水量等级为81 0级、且进水C O D浓度占比等级为81 3级与C O D处理总量占比等级为71 3级交汇处的C O D处理总量占比等级较大的范围。关键词:污水处理厂;单位水量耗电量;能耗;统计分析中图分类号:X 5 0 5文献标志码:A 文章编号:1 0 0 9-8 9 8 4(2 0 2 2)0 4-0 0 7 1-0 6 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8-1 2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 材料与方法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4 0万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:C O D c r(以下简称C O D)为3 6 0 m g/L,氨氮为3 0 m g/L,总磷为6 m g/L,总氮为4 0 m g/L,S S为2 8 0 m g/L。出水执行 G B 1 8 9 1 82 0 0 2 城镇污水处理厂污染物排放标准 一级A标准。本研究以D污水处理厂提供的2 0 1 8年2 0 2 0年逐日进水量、进水C O D浓度、出水C O D浓度及日耗电量等实测数据为研究对象,采用S P S S统计分析软件进行统计学分析,主要分析进水量、进水C O D浓度、C O D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C O D浓度以及C O D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1 3-1 4。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C O D浓度表征进水水质,用C O D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C O D浓度占比等级以及C O D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C O D浓度占比以及C O D处理总量占比 计算如式(1)(4):x=qm1 0 0%,(1)y=进水CO D浓度设计进水CO D浓度1 0 0%,(2)z=(进水C O D浓度-出水C O D浓度)q(设计进水C O D浓度-出水标准C O D浓度)m1 0 0%,(3)Dw=dq,(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C O D浓度占比;z为C O D处理总量占比;d为耗电量;Dw为单位水量耗电量。图1 D污水处理厂工艺流程及主要能耗节点图 进水量等级、进水C O D浓度占比等级和C O D处理总量占比等级的划分见表13。表1 进水量等级划分表进水量百分比/%进水量等级01 011 02 022 03 033 04 044 05 055 06 066 07 077 08 088 09 099 01 0 01 0表2 进水C O D浓度占比等级划分表进水C O D浓度占比/%进水量等级01 011 02 022 03 033 04 044 05 055 06 066 07 077 08 088 09 099 01 0 01 01 0 01 1 01 11 1 01 2 01 21 2 01 3 01 31 3 01 4 01 41 4 01 5 01 5表2(续)进水C O D浓度占比/%进水量等级1 5 01 6 01 61 6 01 7 01 7表3 C O D 处理总量占比等级划分表C O D处理总量占比/%进水量等级01 011 02 022 03 033 04 044 05 055 06 066 07 077 08 089 01 0 091 0 01 1 01 01 1 01 2 01 11 2 01 3 01 21 3 01 4 01 3数据分析软件:S P S S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。27长春工程学院学报(自然科学版)2 0 2 2,2 3(4)2 结果与讨论2.1 月分布规律分析通过S P S S软件,按照式13和表13对进水量等级、进水C O D浓度占比等级、C O D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)(b)(c)(d)图2 耗电量及进水量等级、进水C O D浓度占比等级、C O D处理总量占比等级月际分布图 从图2(a)可知,D污水处理厂的进水量基本处在51 0级,亦即进水量在4 0%1 0 0%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1 2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7 0%8 0%最常出现;其次是1 0级,即进水量为9 0%1 0 0%的设计规模,出现在1月8月中,9月1 2月中没有出现,亦即9月1 2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1 2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、1 0月、1 1月、1 2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C O D浓度占比等级可知,进水C O D浓度占比等级分布范围为31 7级。其中进水C O D浓度占比等级出现频率最高的是1 1级,即在1 0 0%1 1 0%的进水C O D浓度设计范围,各月份均出现该级别的进水C O D浓度,除9月1 1月外,其余月份出现该级别的频率较高;其次为1 0级,各月份均出现,其中6月频率最高、1 1月最低;进水C O D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C O D浓度占比等级为1 2级时,仅5月、6月、1 2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C O D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、1 2月未曾出现;等级为1 3级的仅在1月、5月7月、1 1月1 2月中偶尔出现;对于高级别(1 4 1 7级),属于极端情况,在一年中偶尔出现;而对于低级别(37级),只在8月37 汪雪格,等:基于统计学方法的城市污水处理厂能耗变化研究1 1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 1 2级。从图2(c)可知,在C O D处理总量占比等级中,等级分布为11 3级。其中,出现频率最高的是8级,即通过污水处理厂C O D去除量占设计去除量的7 0%8 0%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,C O D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;C O D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1 0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、1 2月 出 现 稍 高 的 频 率;等 级 为5级 时,在1 2月、1月3月出现较高的频率;等级较高的级别(1 11 3级)仅出现在4月8月,等级较低的级别仅出现在8月1 1月。从图2(d)可知,单位水量耗电量和进水量、进水C O D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0.2 6(k Wh)/m3,低于东北地区的平均水平0.2 6 9 6(k Wh)/m31 5。为了方便分析,将单位水量耗电量分为高值(0.40.5(k Wh)/m3)、中 高 值(0.30.4(k Wh)/m3)、中 值(0.2 5 0.3(k Wh)/m3)和低值(0.4(k Wh)/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 1 0级的变化且5级的频率较高,进水C O D浓度占比等级基本分布在比较集中的81 2级且8级频率较高,C O D处理总量占比等级主要集中的49级。4月1 2月 耗 电 量 水 平 均 低 于0.4(k Wh)/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S P S S统计分析软件,分析了单位水量耗电量随进 水 量 等 级、进 水C O D浓 度 占 比 等 级 以 及C O D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。(a)(b)(c)图3 单位水量耗电量与进水量等级、进水C O D浓度占比等级和C O D处理总量占比等级二维相关关系图从图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0.4 7(kWh)/m3,最小值约为0.2(kWh)/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0.2 20.4(kWh)