一種新型一體化節(jié)能污水處理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研究

劉庭卓，王 爽，孫 敬，趙欽歡，劉蕓滋，張 穎，景愛(ài)國(guó)，張哲瑞

（河北環(huán)境工程學(xué)院，河北 秦皇島 066102）

目前，污水生化處理工藝都為組合工藝，即在污水生化處理中采用動(dòng)能設(shè)備，利用水泵或攪拌機(jī)的方式滿(mǎn)足污水循環(huán)和攪拌要求，這樣就造成污水生化處理過(guò)程中的能源浪費(fèi)，使污水處理成本升高。本設(shè)計(jì)在降低污水處理能耗、改善水質(zhì)、提升城市品位等方面具有促進(jìn)功能，有利于生態(tài)環(huán)境保護(hù)和經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展。

1 具體設(shè)計(jì)方案

1.1 基本處理流程

設(shè)計(jì)的目的是通過(guò)回流與攪拌方式的創(chuàng)新，減少AO（厭氧好氧）池在運(yùn)行過(guò)程中的能源消耗，在保證污水處理量和處理效果的前提下實(shí)現(xiàn)降低能耗、節(jié)省空間的目的。為了達(dá)到以上效果，要在A（厭氧）池氣體攪拌、O（好氧）池混合液回流、二沉池污泥回流三個(gè)耗能方面進(jìn)行改進(jìn)。首先通過(guò)布水器高壓噴水?dāng)嚢璧姆绞酱骐娏嚢铏C(jī)的攪拌，降低污泥混合所需能耗，攪動(dòng)液體；然后對(duì)沉淀池與O 池的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，沉淀池的污泥無(wú)動(dòng)力回流，減少能耗；最后在O 池與A 池之間設(shè)置氣提泵，實(shí)現(xiàn)微動(dòng)力混合液循環(huán)，減少能耗。

1.2 新型處理系統(tǒng)的技術(shù)優(yōu)勢(shì)

針對(duì)以上需求，要結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)情況進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。在進(jìn)水端利用進(jìn)水泵連接布水器進(jìn)行高壓進(jìn)水并攪動(dòng)液體，防止池內(nèi)懸浮體下沉，在快速進(jìn)水的同時(shí)，減少攪拌器等耗能設(shè)備的使用，保證池內(nèi)有機(jī)物與微生物、溶解氧的充分接觸，對(duì)污水中有機(jī)物進(jìn)行氧化分解。在上層池設(shè)計(jì)回流斜坡（坡度45°），使沉淀池底部的污泥通過(guò)重力作用重新回流到O 池底部，以此代替?zhèn)鹘y(tǒng)的污泥泵回流，增加活性污泥利用率，減少傳統(tǒng)AO 池運(yùn)送活性污泥的大量能耗。由于該設(shè)計(jì)AO 池采用立體化放置，污水在AO 池的循環(huán)往復(fù)處理過(guò)程中需要多次抽提至上層水池，故專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)了氣力提升裝置。在AO 池間設(shè)置曝氣提升管，將羅茨風(fēng)機(jī)鼓風(fēng)作為氣力提升裝置的動(dòng)力，僅需要少量壓力空氣，即可代替?zhèn)鹘y(tǒng)AO 池污水循環(huán)過(guò)程的電力輸送泵，耗電量大幅降低，輸送過(guò)程還可對(duì)污水進(jìn)行曝氣處理。

2 理論設(shè)計(jì)計(jì)算

該污水處理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)處理能力為生活污水100 t/d （根據(jù)實(shí)際要求，選處理量為5 t/h 的設(shè)備），進(jìn)水水質(zhì)為一般生活污水。經(jīng)該系統(tǒng)處理后，出水水質(zhì)達(dá)到《農(nóng)村生活污水排放標(biāo)準(zhǔn)》（DB 13/2171—2020），如表1 所示。

表1 出水水質(zhì)要求

所有設(shè)計(jì)參數(shù)按照同一條件（進(jìn)出水質(zhì)相同，每天處理生活污水100 t）進(jìn)行設(shè)計(jì)，以便進(jìn)行能耗比對(duì)，具體參數(shù)如表2 至表6 所示。

2.1 AO 池參數(shù)對(duì)比

傳統(tǒng)AO 池設(shè)計(jì)中，日進(jìn)水量為100 t，流量為 4.16 m/h。傳統(tǒng)AO 池設(shè)計(jì)的主要參數(shù)與設(shè)備型號(hào)如表2 所示，改進(jìn)前池容情況如表3 所示。其中，A池水下攪拌器按照A 池長(zhǎng)、寬、高，查《水下攪拌器選型手冊(cè)》確定；污泥回流泵按照進(jìn)水流量（100%）進(jìn)行選型，揚(yáng)程選擇＞3 m，查《管道排污泵選型手冊(cè)》確定；混合液回流泵按照進(jìn)水量（200%）進(jìn)行選型，揚(yáng)程選擇＞3 m，查《管道排污泵選型手冊(cè)》 確定。

表2 傳統(tǒng)AO 池設(shè)計(jì)的主要參數(shù)與設(shè)備型號(hào)

表3 改進(jìn)前池容情況

改進(jìn)后，AO 池日進(jìn)水量和流量保持不變，好氧池采用氣提回流方式。改進(jìn)型AO 池的鼓風(fēng)機(jī)型號(hào)為SSR50，風(fēng)量為1.28 m/min，風(fēng)壓為29.4 kPa，功率為 1.5 kW。改進(jìn)后池容情況如表4 所示。

表4 改進(jìn)后池容情況

2.2 機(jī)電能耗

改進(jìn)前機(jī)電能耗情況如表5 所示。4 種機(jī)電設(shè)備每天連續(xù)24 h 運(yùn)行，經(jīng)計(jì)算，每天運(yùn)行總耗電量為141.6 kW·h。改進(jìn)后機(jī)電能耗情況如表6 所示。羅茨風(fēng)機(jī)每天連續(xù)24 h 運(yùn)行，經(jīng)計(jì)算，每天運(yùn)行總耗電量為36 kW·h。

表5 改進(jìn)前機(jī)電能耗

表6 改進(jìn)后機(jī)電能耗

3 節(jié)能效益分析

改進(jìn)后的污水處理系統(tǒng)創(chuàng)新性地將處理池的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成上下一體化形式，通過(guò)用一泵代替多泵、一池代替多池的結(jié)構(gòu)，大幅降低了污水處理過(guò)程的能源消耗、碳排放量，同時(shí)減小了占地面積。本設(shè)計(jì)主要適合投放于鄉(xiāng)鎮(zhèn)污水處理系統(tǒng)。

截至2019年底，全國(guó)共有建制鄉(xiāng)鎮(zhèn)（包括民族鄉(xiāng)、蘇木、民族蘇木）30 234 個(gè)，按照一鄉(xiāng)（鎮(zhèn)）一個(gè)污水處理站，按舊池平均每組污水處理設(shè)備的功率141.6 kW、新池36 kW 的條件來(lái)計(jì)算，每年全國(guó)可節(jié)省的能源總量為：30 234×（141.6-36）×365=1 165 339 296 kW·h。由此可見(jiàn)，本設(shè)計(jì)每年可以減少約11.65 億kW·h 的耗電量，相當(dāng)于我國(guó)目前建成規(guī)模最大、吸熱塔最高——被稱(chēng)為“超級(jí)鏡子發(fā)電站”的首航高科敦煌100 MW 熔鹽塔式光熱電站兩年多的設(shè)計(jì)發(fā)電量，每年可減排二氧化碳35 萬(wàn)t。

4 工作原理及性能分析

4.1 傳統(tǒng)AO 工藝

如圖1 所示，傳統(tǒng)AO 工藝將前段厭氧段和后段好氧段串聯(lián)在一起，A 段就是厭氧段，主要用于脫氮；O 段就是好氧段,主要用于去除水中的有機(jī)物。A 段溶解氧（DO）不大于0.2 mg/L，O 段DO 介于2 ～4 mg/L。

圖1 改進(jìn)前傳統(tǒng)AO 工藝

在厭氧段，異養(yǎng)菌將污水中的淀粉、纖維、碳水化合物等懸浮污染物和可溶性有機(jī)物水解為有機(jī)酸，使大分子有機(jī)物分解為小分子有機(jī)物，將不溶性的有機(jī)物轉(zhuǎn)化成可溶性有機(jī)物。當(dāng)這些厭氧水解的產(chǎn)物進(jìn)入好氧池進(jìn)行好氧處理時(shí)，在充氧條件下，活性污泥中的微生物進(jìn)行有氧呼吸和生長(zhǎng)繁殖，把有機(jī)物分解成無(wú)機(jī)物，實(shí)現(xiàn)有機(jī)物的去除。在厭氧段，異養(yǎng)菌將蛋白質(zhì)、脂肪等污染物進(jìn)行氨化（有機(jī)鏈上的N 或氨基酸中的氨基）而游離出氨（NH-N、NH），在充足供氧條件下，自養(yǎng)菌的硝化作用將NH-N（NH）氧化為NO，其通過(guò)回流控制返回至A 池，在厭氧條件下，異氧菌的反硝化作用將NO還原為分子態(tài)氮（N），完成C、N、O 在生態(tài)中的循環(huán)，實(shí)現(xiàn)污水無(wú)害化處理。

4.2 改良AO 工藝

如圖2 所示，新型節(jié)能污水處理池分為上下兩層，上層為O 池、沉淀池，上層右側(cè)設(shè)一斜面（坡度40°），呈倒梯形；下層為A 池，通過(guò)進(jìn)水泵及布水器高壓噴水進(jìn)污水，并攪拌活性污泥，使其與污水充分混合形成泥水。

圖2 改進(jìn)后新型AO 工藝

泥水通過(guò)A 池左側(cè)上方管道到達(dá)上層O 池，然后進(jìn)行處理，同時(shí)在O 池上部設(shè)有擋板，防止污泥加速老化。在O 池末端設(shè)置曝氣提升裝置，該裝置將混合液提升，然后利用溢流管道使O 池的混合液通過(guò)液位差自流到A 池，實(shí)現(xiàn)循環(huán)液、混合液的循環(huán)。

5 技術(shù)優(yōu)勢(shì)

相比傳統(tǒng)AO 工藝，改進(jìn)后的工藝將O 池、沉淀池置于A 池之上（見(jiàn)圖3），大大減少了占地面積，簡(jiǎn)化了結(jié)構(gòu)和工藝；A 池采用布水器高壓進(jìn)水，通過(guò)布水器上的微孔進(jìn)行高壓噴水，在高速進(jìn)水的同時(shí)，起到攪拌作用，取代傳統(tǒng)的（攪拌器+進(jìn)水管）的方式，降低了能耗（見(jiàn)圖4）；在O 池、沉淀池中加入活性污泥，利用斜擋板達(dá)到污泥自回流的效果（見(jiàn)圖5），在污水處理過(guò)程中，活性污泥多次利用，減少了污泥消耗量，省去了部分流程（傳統(tǒng)工藝采用泵回流的方式回流活性污泥），用一泵代替多泵，減少動(dòng)能設(shè)備的使用，耗電量明顯減少，大幅度降低了碳排放量；在A 池和O 池、沉淀池之間增加曝氣裝置（見(jiàn)圖6），增加含氧量，同時(shí)代替?zhèn)鹘y(tǒng)工藝的攪拌裝置，節(jié)約 能源。

圖3 改進(jìn)后處理池體側(cè)剖圖

圖4 改進(jìn)后A 池布水器圖

圖5 改進(jìn)后沉淀池斜坡圖

圖6 改進(jìn)后氣力提升裝置圖

按照100 t/d 生活污水的設(shè)計(jì)處理量，本設(shè)計(jì)主要應(yīng)用于小型污水處理站，適用于鄉(xiāng)鎮(zhèn)污水處理系統(tǒng)，醫(yī)院、小區(qū)、學(xué)校、公共廁所等需求場(chǎng)所都是節(jié)能污水處理池的潛在市場(chǎng)。本設(shè)計(jì)采用節(jié)能循環(huán)理念，一池代替多池、一泵代替多泵，在大幅降低能耗、減少投資的同時(shí)，減少了占地面積。本設(shè)計(jì)響應(yīng)國(guó)家節(jié)能減排號(hào)召，對(duì)于落實(shí)污水處理廠的節(jié)能降耗工作，促進(jìn)國(guó)家經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展，緩解人地矛盾問(wèn)題具有積極意義。

本研究以傳統(tǒng)AO 污水處理工藝為基礎(chǔ)，將理論設(shè)計(jì)與實(shí)際生產(chǎn)需求相結(jié)合，達(dá)到節(jié)能減排的目的。據(jù)估算，每年可以減少約11.65 億kW·h 的耗電量，對(duì)于切實(shí)做好污水處理廠的節(jié)能降耗工作，減少資源浪費(fèi)，促進(jìn)國(guó)家經(jīng)濟(jì)發(fā)展、生態(tài)文明發(fā)展和落實(shí)碳達(dá)峰、碳中和工作是一個(gè)巨大的貢獻(xiàn)。