污水處理廠節(jié)能降耗措施探析

麥逢清 鄧洪秀

（廣東 廣州，510000）

1.概述

污水處理是一個(gè)世界性的難題，近年來，隨著全球經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，污水處理廠的規(guī)模越來越大，因此產(chǎn)生能耗問題也越來越嚴(yán)峻。據(jù)統(tǒng)計(jì)，處理活性污泥的系統(tǒng)中，其運(yùn)行成本但能耗成本就占到總成本的30%～80%。美國有官方數(shù)據(jù)表明：城鎮(zhèn)的污水處理廠所耗費(fèi)的電能占全國總用電量的3%。其還有數(shù)據(jù)預(yù)測，由于人口的不斷增長與污物處理的標(biāo)準(zhǔn)越來越高，在未來的15～20年內(nèi)，污水處理廠的能耗成本將增加20%以上。我國目前經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速，城鎮(zhèn)化進(jìn)程不斷推進(jìn)，全國大部分的城鎮(zhèn)都增加了污水設(shè)施，在提升了污水處理率的同時(shí)，能耗率也隨之上升。在未來的幾年，為了適應(yīng)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需求，同時(shí)也響應(yīng)國家的號(hào)召，污水處理的規(guī)模將會(huì)越來越大，使得全國范圍內(nèi)的電力資源緊缺日益突出。因此，對污水處理廠的能耗管理和節(jié)能降耗措施進(jìn)行研究，達(dá)到節(jié)能降耗的目標(biāo)，這對我國的社會(huì)穩(wěn)定與經(jīng)濟(jì)發(fā)展都存在極其重要的意義。

2.污水處理廠的能耗分析

2.1 國外污水處理廠的能耗分析

西方發(fā)達(dá)國家比較早產(chǎn)生能源危機(jī)意識(shí)，這是有其歷史淵源的。從上個(gè)實(shí)際70年代開始，西方歐美等發(fā)達(dá)國家相繼爆發(fā)了能源危機(jī)，這個(gè)局面直接導(dǎo)致歐美等國發(fā)達(dá)國家在20世紀(jì)末能源價(jià)格開始飆升。鑒于此，在工業(yè)領(lǐng)域內(nèi)最先由美國掀起了節(jié)能技術(shù)的研究。此后美國一直引領(lǐng)工業(yè)節(jié)能技術(shù)的潮流，包括對污水處理廠的節(jié)能技術(shù)研究。美國的污水研究人員曾對全國的公共污水處理設(shè)備進(jìn)行了關(guān)于單元過程與單元操作的能耗情況的調(diào)查，并在做了一次詳盡的污水處理設(shè)備能耗分析報(bào)告。當(dāng)時(shí)這次調(diào)查覆蓋了幾乎全部的城鎮(zhèn)污水處理的生物、物理和化學(xué)等方式，甚至對建筑物附屬的制冷、制暖等設(shè)備也進(jìn)行了調(diào)查。在此基礎(chǔ)上，也詳盡計(jì)算了可回收利用的能量。此后，美國另外幾 位 研 究 人 員 E.J.Middlebrooks、C.H.Middlebrooks等根據(jù)Wesner的研究結(jié)果，估算了每個(gè)污水處理系統(tǒng)的最小能耗量。最后，在其分析報(bào)告中指出，隨著經(jīng)濟(jì)規(guī)模的擴(kuò)大以及能源價(jià)格的提升，每年用于污水處理的能耗開支將大幅度上升，而選擇低流量的污水處理工藝將作為節(jié)能能源開支的重要的手段。接著，另外兩名研究人員Roberts與Hagan通過分析處理100 mgd較具典型性的活性污泥污所需要的總能量，研究出了污水處理廠能源消耗的結(jié)構(gòu)，并且首次提出對污水處理廠進(jìn)行節(jié)能降耗，需要建立在資源管理與綜合平衡利用的基礎(chǔ)上，而不僅僅依靠節(jié)省能源的技術(shù)。

2.2 國內(nèi)污水處理廠的能耗分析

在上個(gè)世紀(jì)七八十年代經(jīng)濟(jì)剛剛復(fù)蘇的階段，我國的污水處理規(guī)模尚小，隨著改革開放的深入，各類型的工廠如雨后春筍，紛紛屹立在神州大地上，不可避免地產(chǎn)生了污水污染問題，隨著能源的消耗越老越多，國家不能不考慮對污水處理廠實(shí)施節(jié)能降耗的措施。但是，因?yàn)槲覈幱诮?jīng)濟(jì)發(fā)展的上升階段，一直以來對此問題的重視程度不夠，相關(guān)的調(diào)查研究也較少。當(dāng)前，我國城鎮(zhèn)污水處理廠處理污水普遍采用生物處理工藝。這種工藝以二級(jí)處理或者三級(jí)處理為主體，處理的內(nèi)容通常包括污水、污染物的預(yù)處理、生化處理及污泥處理三個(gè)部分。而消耗的能源主要是燃料、藥劑和電能。

通過國內(nèi)外許多污水處理廠的數(shù)據(jù)指出，污水的提升泵、污泥處理設(shè)備與曝氣系統(tǒng)是主要的耗能設(shè)備。從事排水工程的工程師羊壽生曾設(shè)計(jì)了一個(gè)試驗(yàn)，對我國典型一級(jí)、二級(jí)污水處理廠各單元操作過程作了電能耗費(fèi)估算，污水廠規(guī)模按25000m3Pd，二級(jí)處理廠的電能耗值為0.266kWhPm3，用處理單位體積污水的耗電量(kWhPm3)表示估算的結(jié)果。結(jié)果顯示，我國城市污水處理廠能耗主要用于污水、污泥的提升，生物處理的供氧，以及污泥處理這幾個(gè)工藝過程，其中在二級(jí)處理工藝中，污水提升泵的用電量在總用電量的10%～20%之間，污泥加熱設(shè)備的用電量占總用電量的10%～25%之間，而曝氣系統(tǒng)則占總用電量的50%～70%。三者用電量相加，高達(dá)總用電量的70%以上。所以，對污水處理廠進(jìn)行節(jié)能降耗，重點(diǎn)在于降低污水提升泵、污泥處理設(shè)備以及曝氣系統(tǒng)的用電率，借此實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗的目標(biāo)。

3.污水處理廠耗能現(xiàn)狀分析

隨著人民生活水平以及經(jīng)濟(jì)水平的提高，國家不斷提高污水處理廠的水質(zhì)，以滿足經(jīng)濟(jì)生活的需求。現(xiàn)行的污水處理耗能標(biāo)準(zhǔn)達(dá)到0.15～0.28（kW·h）/m3污水，全國污水處理的成本開支平均為0.8元/m3，而且這樣的成本價(jià)格呈現(xiàn)上漲的趨勢。相關(guān)的部門面對如此高的污水處理成本，正想方設(shè)法利用新技術(shù)，結(jié)合各個(gè)地區(qū)的特點(diǎn)與各個(gè)處理廠的優(yōu)勢，努力探明單元過程的能量需求(energy requirements)，做出污水處理廠的有效運(yùn)轉(zhuǎn)和管理規(guī)劃，首先在污水處理廠的規(guī)劃、設(shè)計(jì)階段體現(xiàn)節(jié)能目的，然后通過選擇污水處理的適合工藝、設(shè)別和途徑進(jìn)行節(jié)能降耗，國家法律部門加緊制定相關(guān)節(jié)能減排的規(guī)定，對不執(zhí)行法律法規(guī)的個(gè)別單位進(jìn)行嚴(yán)懲警告，切實(shí)際落實(shí)好污水處理廠的節(jié)能降耗工作，以維持國家經(jīng)濟(jì)發(fā)展的可持續(xù)發(fā)展過程。

4.污水處理廠節(jié)能途徑與措施

4.1 污水處理廠能量利用審核

傳統(tǒng)的污水處理廠進(jìn)行處理活動(dòng)時(shí)，缺乏利用能量的具體方案和規(guī)劃，由此造成無節(jié)制的能源消耗，甚至能源浪費(fèi)。針對此問題，相關(guān)部門對能量的使用進(jìn)行審核管理，監(jiān)督污水處理廠開始提前制定能量利用規(guī)劃，由管理部門作出審核結(jié)果。審核管理不但可以提供使污水處理廠正常運(yùn)轉(zhuǎn)的數(shù)據(jù)，還能對污水處理廠的工藝選擇以及處理方案有一定的指導(dǎo)性。使用生命周期分析成本的辦法，對各單位的組件以及處理系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，并且優(yōu)化其結(jié)構(gòu)，以此滿足降低能耗的要求，節(jié)省成本；構(gòu)建科學(xué)的能源利用審核程序和評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)，用這套程序和標(biāo)準(zhǔn)對各廠的污水處理所需能量進(jìn)行審核，同時(shí)要監(jiān)督污水處理廠對設(shè)備進(jìn)行維護(hù)，對于老舊、存在隱患的設(shè)備進(jìn)行更新?lián)Q代，對其設(shè)備的升級(jí)和更換提出建議和方案。通常審核能源利用的程序分為兩步：一是研究工程的可行性，包括處理方案的評(píng)估；初步的設(shè)計(jì)方案；項(xiàng)目的工作范圍、成本以及財(cái)務(wù)評(píng)價(jià)等；二是詳細(xì)的設(shè)計(jì)流程，包含施工、試營運(yùn)、職業(yè)培訓(xùn)、運(yùn)正式行和維護(hù)等內(nèi)容，正常營運(yùn)一段時(shí)間后，依據(jù)運(yùn)行能耗數(shù)據(jù)檢驗(yàn)系統(tǒng)的效率和成本開支。這個(gè)審核的過程從工程的預(yù)備階段一直持續(xù)到工程運(yùn)行后的維護(hù)、檢測階段，這樣可以明確具備節(jié)能降耗的單元。

4.2 選擇恰當(dāng)?shù)墓に?/h3>

當(dāng)前我國城鎮(zhèn)的污水處理廠采用最普遍的工藝是：傳統(tǒng)的活性污泥法 (ASP)、SBR法、AB法、A/O、氧化溝A2/O以及BAF等。在具體選擇哪一種工藝時(shí)，必須首先對以上這些工藝的特點(diǎn)進(jìn)行思考，并且結(jié)合工程所在地區(qū)、氣溫、地形、電能價(jià)格、征地開支、處理廠的規(guī)模、出水的達(dá)標(biāo)情況、原來水質(zhì)情況、對污泥的處置情況等綜合思考，然后制定一套技術(shù)上有優(yōu)勢、方便管理、成本較低，運(yùn)行效度高，并且近期利益與遠(yuǎn)期利益都能兼顧的工藝方案。這樣的方案可使污水處理的能耗降到最小值。

一般中小規(guī)模的污水處理廠適用SBR法和氧化溝，在節(jié)能降耗方面優(yōu)勢較明顯；大型的污水處理廠則首選活性污泥法(ASP)，與此同時(shí)，還可以根據(jù)當(dāng)?shù)氐膶?shí)際情況，嘗試新的節(jié)能降耗工藝，例如綜合式曝氣系統(tǒng)的氧化溝工藝或厭氧處理辦法，處于土地資源豐富的中小城鎮(zhèn)還可考慮采用人工濕地處理方式，不但管理起來便捷，而且征地費(fèi)用很低，還可以建構(gòu)獨(dú)特的生態(tài)景觀區(qū)，從實(shí)際的工程案例來看，是可以達(dá)到一定的改善生態(tài)環(huán)境的作用。目前，我國成功建成的用于污水處理的人工濕地系統(tǒng)，它的成本投入只需要城市常規(guī)二級(jí)污水處理廠的十分之一，而運(yùn)營開支為二分之一，甚至更少。例如深圳白泥坑人工濕地處理系統(tǒng)的運(yùn)行開支只為傳統(tǒng)活性污泥法的十分之一。

4.3 排放物的資源化實(shí)現(xiàn)產(chǎn)出物節(jié)能

一般的污水處理廠其產(chǎn)出物為污泥、處理水、殘?jiān)?，但是殘?jiān)容^少，這方面也比較好處理；而污泥的產(chǎn)出量較大，在處理污泥上則存在一定的問題，其處理的過程和效果對整個(gè)污水處理的效果產(chǎn)生極大的影響。通常那些設(shè)計(jì)水量超過20×104m3/d的大型污水處理廠工程，其污泥的產(chǎn)量也是很大的。針對這種情況，可以采用厭氧消化的辦法對污泥集中處理；而對于中小型的污水處理廠，則可采用污泥濃縮脫水一體機(jī)進(jìn)行處理，這樣能夠降低設(shè)備的占地面積，方便管理，有足夠的地方儲(chǔ)存污泥進(jìn)行消化。擁有廣闊土地，也能夠用來讓污泥堆肥、干化床和種植植物等，以此來完善低成本的處理系統(tǒng)。浙江某大學(xué)的翁煥新教授提出了一種處理污泥的新技術(shù)，就是把排出的污泥制造成一種團(tuán)粒，再依照一定的比例將其與黏土均勻拌合，利用污泥的熱值制作輕質(zhì)節(jié)能磚。為了在厭氧消化的過程中產(chǎn)生更多的CH4，盡量對污水中的有機(jī)碳實(shí)行污泥消化，相比于傳統(tǒng)的通過外部能量將有機(jī)碳轉(zhuǎn)化為CO2這種方式更節(jié)約能源，同時(shí)減少曝氣環(huán)節(jié)而降低CO2的排放，實(shí)現(xiàn)減排的目標(biāo)。通常BNR的工藝中，會(huì)使用一些反硝化除磷的菌種，這些菌種在進(jìn)行脫氮除磷的過程中，可抑制消耗化學(xué)需氧量，而多出來的化學(xué)需氧量將會(huì)與污泥一起進(jìn)行消化，然后轉(zhuǎn)化成CH4；對于污水處理過程中的出水，一般不直接排放，按照城鎮(zhèn)的用水需求，將其進(jìn)行無害化處理，例如重復(fù)利用到農(nóng)業(yè)灌溉、工業(yè)洗滌、市政工程、建筑工程等方面，這一方面降低了污水的排放率、節(jié)省了干凈水源；另一方面可以從中產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益，降低污水廠的投資成本，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略。

4.4 采用高效的節(jié)能裝置

前面提到污水處理廠各個(gè)環(huán)節(jié)的能耗費(fèi)用相加高達(dá)70%以上，所以對設(shè)備進(jìn)行節(jié)能降耗改良式勢在必行的。污水處理廠的主要耗能設(shè)備是污水提升泵、污泥加熱設(shè)備和曝氣系統(tǒng)。其中污水提升泵的用電量在總用電量的10%～20%之間，污泥加熱設(shè)備的用電量在總用電量的10%～25%之間，而曝氣系統(tǒng)則占總用電量的50%～70%。三者用電量相加，高達(dá)總用電量的70%以上。所以，對污水處理廠進(jìn)行節(jié)能降耗，重點(diǎn)在于降低污水提升泵、污泥處理設(shè)備以及曝氣系統(tǒng)的用電率，借此實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗的目標(biāo)。

4.4.1 污水提升泵的組成設(shè)施包括首次提升泵、污泥回流泵、剩余污泥泵、內(nèi)回流泵和出水提升泵。目前針對節(jié)能需求，污水處理廠大多采用從國外進(jìn)口的高效潛污泵，其工作效率高達(dá)80%以上，而且用電量比較低。水泵的有效功率為Ne=rQH，當(dāng)r、Q一定時(shí)，Ne和H成正比，由此看出，降低水泵的揚(yáng)程可以節(jié)能降耗。

具體通過降低水泵揚(yáng)程進(jìn)行節(jié)能降耗的辦法有：（1）根據(jù)污水處理廠設(shè)計(jì)規(guī)模的工程量明確提水泵的類型和數(shù)量，而且質(zhì)量上要選擇流量和揚(yáng)程都要達(dá)到安全生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)的。這種高效的潛污泵相比普通的離心泵，更便于安裝，而且因?yàn)楸绕胀x心泵少了輔助啟動(dòng)的設(shè)備和吸水竹，總耗能也較之低很多。（2）科學(xué)設(shè)置液位控制。由于提水泵的耗電量與其揚(yáng)程是成正比的，也就是說，揚(yáng)程高，耗電量也大。因此科學(xué)合理地設(shè)置液位，盡可能利用竹網(wǎng)的高水位，就能減揚(yáng)程，實(shí)現(xiàn)泵站節(jié)能。

4.4.2 在出水處理的設(shè)備中，曝氣池是廠區(qū)內(nèi)最大的耗能物，要在此環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗，關(guān)鍵要選用氧轉(zhuǎn)移率相對較高的曝氣裝置。進(jìn)口的硅橡膠管膜式微孔曝氣器長度為750mm，出氣量為8m3/(m.h)，氧利用率為23%，輸氧動(dòng)力效率2.5=3.5kg/(kW.h)。與傳統(tǒng)曝氣器比較，這種新型的曝氣器具備氧利用率高、布?xì)饩鶆?、?dòng)力效率高以及壽命長等優(yōu)勢，能夠極大地降低了能耗。

4.4.3 傳統(tǒng)的多級(jí)低速離心鼓風(fēng)機(jī)效率大概在60%，而進(jìn)口的單級(jí)高速離心鼓風(fēng)機(jī)效率大都在80%以上，由此看來，選用進(jìn)口單級(jí)的高速離心鼓風(fēng)機(jī)要比傳統(tǒng)的多級(jí)低速離心鼓風(fēng)機(jī)更節(jié)能。而且進(jìn)口的單級(jí)高速離心鼓風(fēng)機(jī)可以根據(jù)好氧池中混合液溶解氧濃度的變化，自動(dòng)調(diào)節(jié)進(jìn)風(fēng)日導(dǎo)向葉片角度，從而改變出風(fēng)量的大小，利于節(jié)能。

4.4.4 對曝氣設(shè)備的供氧量進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)。通過鼓風(fēng)機(jī)對系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)控制，由溶解氧探測儀對空氣電動(dòng)蝶閥自行調(diào)節(jié)，借此控制鼓風(fēng)機(jī)的風(fēng)量。風(fēng)量得到控制，好氧的出水DO就可控制在2.0mg/的水平。一般認(rèn)為自動(dòng)DO控制是控制曝氣系統(tǒng)運(yùn)行的最好措施，因?yàn)樗芙鉀Q曝氣過少或者過度的問題，這樣就能對曝氣設(shè)備的能耗量進(jìn)行控制。通常采用自動(dòng)控制的曝氣設(shè)備可以節(jié)能超過25%。

4.5 無害高效的藥劑實(shí)現(xiàn)原料節(jié)能

在眾多的水處理藥劑中，例如殺菌劑、凝聚劑、緩蝕劑、消泡劑、阻垢劑、脫色劑、清洗劑以及絮凝劑等，大部分都是化學(xué)方法合成的有機(jī)高分子體。目前我國生產(chǎn)水處理藥劑的廠家有230家，品種超過100個(gè)，平均年總產(chǎn)量達(dá)20萬噸。在選擇藥劑的品種和用量時(shí)，要根據(jù)所要處理污水、污染物的濃度、酸堿值、性質(zhì)、溫度以及雜質(zhì)等因素而定，與此同時(shí)，還要考慮到藥劑的高效性、經(jīng)濟(jì)成本及其使用時(shí)是否會(huì)產(chǎn)生二次污染等，力求用最經(jīng)濟(jì)的價(jià)值獲取最高效的效益。比如在使用膠體顆粒處理污水時(shí)，混合利用有機(jī)混凝劑和無機(jī)混凝劑，該藥劑并用模式能夠?qū)⑽勰嗟暮拷档阶畹停€能提升污泥的脫水性能，這樣不但能節(jié)約藥劑用量，還能提高混凝的效果，同時(shí)其投入成本大大降低；調(diào)整污泥性能的過程中，可考慮加入PAM和氯化物，但是要注意會(huì)不會(huì)產(chǎn)生二次污染現(xiàn)象。因?yàn)镻AM在使用時(shí)，會(huì)產(chǎn)生聚合單體丙烯酰胺，這是一種強(qiáng)致癌物。運(yùn)用氯化物去除磷，雖然效率很高可是，需要投入比較高的費(fèi)用，還會(huì)在池子和管道設(shè)備生成硬狀結(jié)垢，給后面的處理工作帶來不便，增加了人工費(fèi)用和設(shè)備費(fèi)用，與節(jié)能降耗目標(biāo)不相符。雖然當(dāng)前我國污水處理廠使用的有機(jī)絮凝劑與無機(jī)凝聚劑都是比較經(jīng)濟(jì)又便捷的材料，但在處理污水的過程中，存在著耗能高的問題。專門針對節(jié)能目的研究的生物絮凝劑，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)藥劑的缺陷。

結(jié)語

綜上所述，我國污水處理廠的節(jié)能降耗工作取得一定的進(jìn)展，但是在該領(lǐng)域內(nèi)，最大程度地節(jié)能降耗目標(biāo)尚未能達(dá)到，還需要相關(guān)專業(yè)人員進(jìn)一步研究，努力的重點(diǎn)方向如下：化工熱力學(xué)、生物熱力學(xué)、及能源工程學(xué)與污水處理領(lǐng)域基礎(chǔ)學(xué)科，建構(gòu)一個(gè)較完善的研究體系，從根本上解決水處理能量研究滯后于實(shí)踐活動(dòng)的問題，獲取科學(xué)的、可靠的處理工藝能耗能效的分析評(píng)價(jià)方法，推動(dòng)各類研究成果的全面應(yīng)用。

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