Системы водоотведения
Энергетическое обследование систем водоотведения позволяет определить, сколько электроэнергии расходуется на перекачку сточных вод, биологическую очистку, аэрацию, перемешивание и обработку осадка. Эти процессы связаны между собой, но их энергетическая нагрузка формируется по-разному. Работа канализационных насосов зависит прежде всего от объёма поступающих стоков и условий их подъёма, а потребление воздуходувного оборудования — от загрязняющей нагрузки и необходимого режима очистки.
Поэтому высокий расход электроэнергии на кубический метр сточных вод не всегда означает неэффективную работу очистных сооружений. При одинаковом объёме притока состав загрязнений может существенно различаться. Кроме того, после сильных осадков объём поступающей воды способен увеличиться без пропорционального роста органической нагрузки. Задача обследования — разграничить эти изменения и установить, какие энергетические затраты необходимы для выполнения технологических процессов, а какие требуют дополнительной проверки.
Какие процессы формируют энергопотребление водоотведения
Система водоотведения обеспечивает приём, транспортирование и обработку сточных вод. В зависимости от состава объекта электрическую нагрузку создают канализационные насосы, воздуходувки, мешалки, оборудование очистных стадий и установки обработки осадка.
Эти потребители нельзя оценивать только по общему объёму стоков. Для насосов определяющее значение имеет гидравлическая работа. Для биологической очистки — количество поступающих загрязнений и условия их удаления. Для перемешивания — необходимость поддерживать предусмотренный технологический режим. Для обработки осадка — фактическая нагрузка соответствующей стадии.
Часть оборудования работает при изменении притока, другая часть может сохранять потребление независимо от кратковременных колебаний объёма воды. Например, перемешивание может продолжаться в период небольшого притока, если это необходимо для технологического процесса.
Поэтому энергетический баланс следует формировать отдельно по перекачке, очистке и обработке осадка. Только после такого разделения можно определить, с какой производственной задачей связано потребление каждой группы оборудования.
Перекачка сточных вод и переменный приток
Канализационные насосные станции работают с притоком, который может изменяться в течение суток и в зависимости от внешних условий. Электрическая энергия расходуется на подъём и перемещение сточной воды при необходимом напоре.
При обследовании специалист сопоставляет объём перекачки, уровни жидкости и гидравлический профиль системы с электрическим потреблением насосов.
Гидравлический профиль характеризует условия движения жидкости и требуемого подъёма между участками системы. Он необходим для оценки того, какую работу выполняет насосное оборудование при фактическом притоке.
Если объём поступающих стоков увеличился, может возрасти продолжительность работы насосов или измениться количество одновременно включённых агрегатов. В таком случае увеличение общего электропотребления не обязательно свидетельствует о снижении эффективности насосной станции.
Для корректного сравнения необходимо определить, сколько воды было перекачано и при каких уровнях и режимах работало оборудование.
Если расход электроэнергии увеличился при сопоставимом объёме и гидравлических условиях, возникает основание для дополнительной проверки насосов и алгоритма их включения. Однако по одному общему показателю электропотребления установить конкретную неисправность невозможно.
Как сильные осадки влияют на энергетический баланс
После сильных осадков в систему водоотведения может поступать дополнительная вода. Это изменяет гидравлическую нагрузку: насосам необходимо перекачивать больший объём, а очистные сооружения принимают увеличенный приток.
Однако увеличение количества воды не означает обязательного пропорционального увеличения массы органических загрязнений.
Например, если в систему поступили посторонние воды, общий объём стоков может заметно увеличиться, тогда как концентрация отдельных загрязнений снизится. Для насосной станции это означает изменение нагрузки по объёму перекачки. Для биологической очистки энергетическая потребность определяется также фактической массой поступающих загрязнений.
Поэтому после сильных осадков нельзя одинаково интерпретировать изменение потребления насосов и воздуходувок.
Специалист сопоставляет приток, уровни жидкости, электрическую нагрузку насосного оборудования и показатели загрязнения. Это позволяет разграничить увеличение гидравлической работы и изменение технологической нагрузки очистных стадий.
Если рассматривать только киловатт-часы на кубический метр, снижение или рост удельного показателя может отражать изменение количества поступающей воды, а не действительное изменение эффективности очистки.
Аэрация и фактическая загрязняющая нагрузка
При биологической очистке воздуходувное оборудование обеспечивает подачу воздуха для соответствующих технологических процессов. Электроэнергия расходуется на работу воздуходувок и преодоление сопротивления системы подачи воздуха.
Потребность в аэрации связана не только с объёмом стоков, но и с их загрязняющей нагрузкой и предусмотренным режимом обработки.
Поэтому два периода с одинаковым притоком могут требовать разных режимов воздуходувного оборудования. Если масса поступающих органических загрязнений увеличилась, потребность в кислороде для биологической очистки также может возрасти.
В такой ситуации повышенный расход электроэнергии не является самостоятельным признаком избыточной аэрации.
При обследовании специалист сопоставляет концентрации загрязнений, объёмы поступающих стоков, загрузку очистных стадий и фактические режимы подачи воздуха.
Концентрация характеризует содержание загрязнений в воде. В сочетании с объёмом поступления она позволяет оценивать загрязняющую нагрузку, которая имеет значение для работы биологической очистки.
Без данных о загрязняющей нагрузке нельзя утверждать перерасход воздуходувного оборудования по одному показателю электроэнергии на кубический метр стоков.
Когда подача воздуха может быть избыточной
Избыточная подача воздуха способна увеличивать расход электроэнергии, если фактический режим аэрации превышает потребность технологического процесса при обеспечении необходимого качества очистки.
Однако подтвердить такой режим можно только после сопоставления подачи воздуха с фактической нагрузкой и условиями работы очистных сооружений.
Одним из контролируемых параметров является содержание растворённого кислорода. Его измерения позволяют исследовать условия, в которых протекает биологическая очистка.
При наличии соответствующих данных специалист сопоставляет расход воздуха, растворённый кислород, режим аэротенков и показатели качества очистки.
Если фактическая подача воздуха велика, необходимо определить, оправдана ли она поступающей загрязняющей нагрузкой. Например, увеличение воздуха может быть связано с ростом массы загрязнений, а не с ошибкой управления.
Если загрязняющая нагрузка остаётся сопоставимой, а режим аэрации существенно изменился, возникает основание для дополнительной проверки воздуходувного оборудования и управления подачей воздуха.
При этом нельзя считать любую повышенную подачу заведомо избыточной. Для подтверждения необходимы технологические показатели, а не только мощность воздуходувки.
Почему низкое содержание кислорода не всегда означает недостаточную мощность воздуходувки
Недостаточное содержание растворённого кислорода может иметь несколько объяснений. Одно из них — высокая потребность технологического процесса. Другое связано с распределением воздуха внутри системы аэрации.
Поэтому низкий показатель кислорода не всегда означает, что установленной мощности воздуходувного оборудования недостаточно.
Например, система может подавать значительный объём воздуха, но распределять его неравномерно между участками очистки. В таком случае увеличение общей подачи не обязательно устранит локальное отклонение.
При обследовании специалист сопоставляет режим воздуходувок с расходом воздуха и измерениями растворённого кислорода в соответствующих технологических зонах.
Если воздух поступает в необходимом количестве, но наблюдается недостаточное обеспечение отдельных участков, требуется проверить условия его распределения.
Если же фактическая загрязняющая нагрузка увеличилась, изменение потребности в аэрации может быть технологически обоснованным.
Таким образом, выбор дальнейшей проверки зависит от установленной причины: необходимой подачи, работы оборудования или распределения воздуха.
Постоянное перемешивание и переменная технологическая нагрузка
Перемешивание на очистных сооружениях выполняет самостоятельную технологическую функцию. Его электрическое потребление необходимо учитывать отдельно от работы воздуходувок и насосов.
При этом перемешивающее оборудование может продолжать работу в периоды небольшого притока, поскольку его назначение не обязательно связано с непосредственным увеличением объёма поступающих стоков.
Поэтому постоянное потребление мешалки нельзя автоматически считать избыточным.
При обследовании специалист устанавливает режимы работы оборудования и сопоставляет их с технологическими условиями соответствующей очистной стадии.
Если оборудование работает непрерывно, необходимо определить, является ли такой режим предусмотренным для данного процесса и существуют ли подтверждённые условия для его изменения.
При отсутствии технологических данных нельзя обоснованно рекомендовать отключение мешалок только на основании небольшого текущего объёма стоков.
Раздельный учёт позволяет определить энергетическую нагрузку перемешивания без её ошибочного включения в потребление аэрации.
Обработка осадка как отдельная энергетическая нагрузка
Обработка осадка относится к самостоятельной части технологического процесса водоотведения. Её энергопотребление необходимо учитывать отдельно от перекачки поступающих стоков и работы биологической очистки.
Нагрузка соответствующего оборудования зависит от фактического режима обработки. Поэтому расход электроэнергии на эту стадию не следует автоматически связывать только с текущим объёмом воды, поступающей на очистные сооружения.
При обследовании специалист устанавливает границы обработки осадка и сопоставляет электрическое потребление с работой соответствующего оборудования.
Если расход электроэнергии изменился, необходимо определить, изменились ли продолжительность и загрузка технологической стадии.
Без такого разграничения общий показатель электропотребления очистных сооружений может скрывать изменение нагрузки обработки осадка и создавать неверное представление об эффективности насосов или аэрации.
Сопоставимая нагрузка при обследовании водоотведения
Сопоставимая нагрузка — это условия работы, при которых энергетические показатели можно обоснованно сравнивать с учётом выполняемой технологической задачи.
Для насосной станции сопоставимость определяется объёмом перекачки, уровнями и гидравлическим режимом.
Для аэрации существенны загрязняющая нагрузка, параметры подачи воздуха и необходимые условия биологической очистки.
Для перемешивания и обработки осадка необходимо учитывать характер и продолжительность соответствующих технологических операций.
Поэтому одинаковые показатели объёма стоков не обеспечивают сопоставимость всех энергетических нагрузок очистных сооружений.
Например, после сильных осадков насосы могут работать интенсивнее из-за увеличенного притока, но потребность в аэрации не обязательно изменится в той же пропорции. Если объединить оба процесса в один показатель на кубический метр, изменение гидравлической нагрузки будет влиять на оценку биологической очистки.
Чтобы избежать такого искажения, специалист использует отдельные показатели для перекачки, аэрации и остальных технологических стадий.
Исходные данные для энергетического обследования водоотведения
Для достоверной оценки необходимо связать электрическую энергию с гидравлическими и технологическими условиями работы объекта.
- Притоки и объёмы сточных вод, концентрации загрязнений и загрузка очистных стадий. Позволяют определить границы технологических процессов, разграничить гидравлическую и загрязняющую нагрузку и выбрать сопоставимые периоды.
- Учёт электроэнергии насосов, воздуходувок, мешалок и оборудования обработки осадка. Необходим для формирования раздельного энергетического баланса и определения потребления соответствующих технологических стадий.
- Измерения уровней, расхода воздуха, растворённого кислорода и режимов аэротенков при наличии. Позволяют проверить фактические эксплуатационные условия и ограничения возможного изменения оборудования.
Первая группа сведений показывает, какая гидравлическая и технологическая работа выполнялась. Вторая характеризует энергетические затраты отдельных групп оборудования. Третья помогает установить, соответствуют ли рабочие режимы требованиям процесса.
Если доступен только общий счётчик электроэнергии, достоверно определить вклад насосов, воздуходувок и обработки осадка без дополнительных данных нельзя.
Если известен объём поступающих стоков, но отсутствуют концентрации загрязнений, нельзя обоснованно оценить потребность биологической очистки в аэрации.
Если отсутствуют данные о расходе воздуха и растворённом кислороде, вывод об избыточной подаче воздуха требует дополнительного подтверждения.
Как проверяют причины повышенного электропотребления
Проверка причинного механизма означает последовательное установление связи между энергетическим отклонением и фактическими условиями технологического процесса.
Сначала специалист разделяет электропотребление перекачки, аэрации, перемешивания и обработки осадка.
Для насосного оборудования расход электроэнергии сопоставляют с объёмом перекачки, гидравлическим профилем и уровнями. Это позволяет определить, связано ли увеличение нагрузки с изменением притока.
Для воздуходувок анализируют объём стоков вместе с концентрацией загрязнений и режимом биологической очистки. Если подача воздуха увеличилась, необходимо проверить, не объясняется ли это ростом органической нагрузки.
При недостаточном содержании растворённого кислорода рассматривают не только мощность воздуходувок, но и распределение воздуха.
Для перемешивания и обработки осадка проверяют соответствие потребления продолжительности и характеру соответствующих технологических операций.
Такой порядок позволяет установить, какая часть изменения электрической нагрузки объясняется условиями работы сооружений, а где имеются основания для дополнительной проверки оборудования.
Технологические ограничения энергосберегающих мероприятий
Изменение режима насосов, воздуходувок и мешалок должно учитывать функции соответствующего оборудования и требования к результату технологического процесса.
Для перекачки необходимо сохранять условия приёма и транспортирования поступающих стоков. Для биологической очистки определяющее значение имеет обеспечение необходимого качества обработки.
Если измерения показывают возможность изменения подачи воздуха, решение необходимо проверять относительно фактической загрязняющей нагрузки и технологического результата.
Сокращение работы аэрации без контроля качества очистки недопустимо рассматривать как подтверждённое энергосберегающее мероприятие.
Аналогично изменение режима перемешивания требует подтверждения того, что сохраняются необходимые условия соответствующей стадии.
Поэтому снижение электрической мощности само по себе не является достаточным критерием эффективности. Необходимо установить, что после изменения режима система продолжает выполнять предусмотренную технологическую задачу.
Результаты энергетического обследования систем водоотведения
Результатом обследования становится энергетический баланс водоотведения с раздельным учётом перекачки, очистки и обработки осадка.
Для насосного оборудования устанавливается связь электрического потребления с фактическими объёмами стоков, гидравлическим профилем и уровнями. Для биологической очистки рассматривается соответствие энергопотребления воздуходувок загрязняющей нагрузке и необходимым технологическим условиям.
Отдельно определяются нагрузки постоянного перемешивания и обработки осадка, которые нельзя без дополнительного обоснования оценивать только по суммарному объёму притока.
Такой баланс позволяет выбрать участки дальнейшей проверки и определить, где целесообразно рассматривать изменение работы насосов или регулирование подачи воздуха.
Если повышенное электропотребление насосной станции объясняется изменением притока после осадков, результат должен отражать соответствующую гидравлическую причину.
Если увеличилась нагрузка аэрации, необходимо проверить связь с поступлением загрязнений, прежде чем делать вывод о неэффективном управлении воздуходувками.
Если содержание растворённого кислорода недостаточно, следует разграничить повышенную потребность в кислороде и возможные проблемы распределения воздуха.
Без подтверждённых данных о загрязняющей нагрузке нельзя устанавливать перерасход воздуходувного оборудования по одному удельному показателю электроэнергии на кубический метр стоков. Нельзя также обещать экономию от сокращения аэрации без проверки сохранения требуемого качества очистки.
Энергетическое обследование водоотведения отличается от исследования холодного водоснабжения наличием самостоятельных стадий очистки и обработки осадка. Для водоснабжения основная энергетическая задача связана с подачей воды при необходимом напоре. Для водоотведения дополнительно требуется учитывать состав сточных вод, загрязняющую нагрузку и работу воздуходувного оборудования.
Практический результат обследования заключается в возможности настроить перекачку и аэрацию относительно подтверждённых гидравлических и технологических нагрузок, не ухудшая качество обработки сточных вод.
Общее направление представлено на странице «Водоснабжение и коммунальная инфраструктура». Комплексное обследование рассматривается в услуге «Энергоаудит инженерных систем». Проверка эксплуатационных режимов связана с задачей «Выявление неэффективных режимов работы оборудования». Дополнительные сведения об оценке насосных нагрузок представлены в материале «Как выбрать эффективный режим работы насосного оборудования».