造紙廠污水處理全流程節(jié)能策略

康志輝

（岳陽林紙股份有限公司岳陽分公司，湖南 岳陽 414002）

污水處理廠在水污染治理過程中發(fā)揮著核心作用，隨著國家對污染物排放要求越來越嚴(yán)格，水污染治理費用逐年增加。污水處理廠的能耗費用占運行成本的40%左右，過高的能耗嚴(yán)重阻礙了污水處理廠的建設(shè)和運營，以致許多污水處理廠難以持續(xù)發(fā)展。降低能耗、實現(xiàn)污水處理可持續(xù)發(fā)展是行業(yè)發(fā)展的趨勢。

對制漿造紙廠來說，污水處理成本關(guān)系到漿、紙產(chǎn)品的單位成本。污水處理能耗水平高，意味著成本高，單位產(chǎn)品成本分?jǐn)傎M用多，不利于市場競爭。因此，在當(dāng)前國家要求控制碳排放的背景下，保障污水處理廠穩(wěn)定達(dá)標(biāo)運行、推進(jìn)節(jié)能工作具有深遠(yuǎn)的意義。本研究選取造紙行業(yè)內(nèi)有代表性的污水處理廠，對其污水處理流程及能耗進(jìn)行分析，從工藝設(shè)計、設(shè)備配置、運行管理等方面提出節(jié)能策略，以期為同類型污水處理廠節(jié)能減排提供指導(dǎo)和借鑒。

1 污水處理廠現(xiàn)狀

1.1 污水處理流程

造紙廠污水具有以下特征：（1）制漿造紙廠由于水耗高，廢水體量大；（2）不同產(chǎn)品的廢水水質(zhì)差異大，如化機漿和化學(xué)漿廢水溫度高、COD高、可生化性不高，而廢紙漿和造紙廢水懸浮物多、部分廢水容易結(jié)垢；（3）污泥產(chǎn)量大。

根據(jù)《制漿造紙工業(yè)污染防治可行技術(shù)指南》（HJ 2302—2018），造紙廠污水處理普遍采用厭氧+好氧+深度處理的組合工藝。厭氧處理可采用升流式、全混式厭氧反應(yīng)器，好氧處理可選用氧化溝、帶選擇區(qū)的全混曝氣裝置等，深度處理可選用混凝沉淀（氣?。?、高級氧化處理等工藝。污泥一般在收集后經(jīng)加藥調(diào)理，再根據(jù)干度要求選擇帶式、螺旋或板框壓濾機進(jìn)行脫水處理。典型的造紙廠污水處理工藝流程見圖1。

圖1 造紙廠污水處理典型工藝流程Fig.1 Typical process flow of sewage treatment in paper mill

1.2 能耗分析

污水處理的能耗主要包含電、燃料及藥劑等，其中電耗占總能耗的60%～90%〔1〕。影響污水處理電耗的因素很多，如上游排放的廢水類型、處理規(guī)模、工藝類型、出水標(biāo)準(zhǔn)、設(shè)備配置以及運行維護(hù)管理水平等。具體見表1和表2。

表1 部分造紙廠污水處理電耗情況Table 1 Power consumption of sewage treatment in some paper mills

表2 某造紙廠污水處理各工序電耗情況Table 2 Power consumption of sewage treatment processes in a paper mill

根據(jù)表1和表2數(shù)據(jù)可以看出，制漿造紙廠污水處理電耗高，且普遍高于我國污水處理廠的能耗均值0.317 kW·h/m3〔2〕；在幾個工序中，污水處理能耗遠(yuǎn)大于污泥處理能耗，其中好氧處理工序的能耗超過其他工序之和。進(jìn)一步分析，各工序的主要耗能設(shè)備是泵（提升泵、循環(huán)泵等）與風(fēng)機（鼓風(fēng)機、冷卻塔風(fēng)機）。此外，造紙行業(yè)大規(guī)模推進(jìn)節(jié)水，實際污水處理量、COD與原始設(shè)計條件相比發(fā)生大幅變化，噸水處理能耗高也很突出。

綜上，可以從工藝設(shè)計、設(shè)備配置開始，結(jié)合日常的運行維護(hù)、精細(xì)管理，做好全流程的節(jié)能工作。

2 設(shè)計改造節(jié)能策略

2.1 工藝設(shè)計

2.1.1 工藝選擇

污水處理廠在建設(shè)之初，需要根據(jù)水質(zhì)、水量情況以及出水排放要求選擇合適的工藝。

對于COD超過3 000 mg/L的污水處理廠，優(yōu)先選用厭氧反應(yīng)器削減后續(xù)處理工序的負(fù)荷。厭氧處理可改善污水的可生化性，將污水中的COD轉(zhuǎn)化為富含甲烷的沼氣，1 kg COD大約可產(chǎn)生0.42 m3沼氣，1 m3沼氣的熱值接近1 kg標(biāo)準(zhǔn)煤的熱值，后續(xù)可通過對沼氣摻燒、發(fā)電或提純?yōu)樘烊粴膺M(jìn)行資源化利用。某造紙廠廢水經(jīng)厭氧處理后日產(chǎn)沼氣約4萬m3，回收的能量供應(yīng)其厭氧處理工序綽綽有余。

對于COD出水要求較高的污水處理廠，深度處理以往采用傳統(tǒng)Fenton工藝較多，運行過程中存在成本高、污泥量大的問題，選用流化床Fenton工藝可以解決該問題。此外，選用高密度加炭沉淀池可彌補Fenton出水含鹽量升高、污泥難脫水的問題，同時加炭的污泥在脫水后熱值升高，有利于摻燒處置。

2.1.2 平面布局

完成工藝選型后，污水處理廠各構(gòu)筑物在平面布局時應(yīng)根據(jù)工藝流程合理布局，并為遠(yuǎn)期項目做好預(yù)留與規(guī)劃，使能耗最低。對于大中型污水處理廠，選用多組并聯(lián)布局的方式，可以減少檢修時系統(tǒng)停機的問題，同時也可以解決水量變化大時噸水處理能耗高的問題。如某造紙廠因制漿生產(chǎn)線停止，實際污水處理水量不足設(shè)計水量的1/3，系統(tǒng)運行時存在“大馬拉小車”現(xiàn)場，噸水處理能耗高；若設(shè)計時采用分組布置，僅需停運一組即可。

污水提升泵是污水處理最常見的耗能設(shè)備，污水處理廠可充分利用現(xiàn)有地形的高低差異，合理布置管道，通過降低污水提升高度減小泵用揚程、功率，從而節(jié)約能耗。結(jié)合構(gòu)筑物高程布置，減少重復(fù)提升次數(shù)，保障污水通過重力流的方式流經(jīng)后續(xù)工序。

2.2 設(shè)備配置

泵、風(fēng)機是污水處理廠的耗能大戶，其節(jié)能可以從設(shè)備本身、系統(tǒng)布置、運行方式三方面著手。

2.2.1 泵選型

泵的電耗占污水處理廠電耗的25%左右，是節(jié)能重點。在選型時容易出現(xiàn)選型不合理，主要表現(xiàn)在安全裕量過大、不注意滿足泵的汽蝕性能要求、配套動力不合適等。因此，選泵需根據(jù)現(xiàn)場工況合理選擇。泵的有效功率與泵的揚程成正比，通過精確計算選擇匹配的揚程，節(jié)能效果顯著。此外，根據(jù)性能曲線，泵在最高效率點時經(jīng)濟性最佳，一般要求常用工況點的效率不小于最高效率的92%。選用高效泵并在泵的高效區(qū)間運行，能耗將顯著降低。

污水量往往是波動的，夏季溫度高，系統(tǒng)水耗高，排水量大；生產(chǎn)食品紙與文化紙水耗差別也較大。泵一般根據(jù)最大流量選取，大部分時間無法高效運行。在運行管理上，通過對泵用電機進(jìn)行變頻調(diào)速，可以擴大泵的有效工作范圍；或者將泵的配置大小搭配成梯度，根據(jù)水量大小投運相應(yīng)泵。對于離心泵，流量變化較大的可以更換匹配的新泵。在一定范圍內(nèi)也可以采用切削葉輪的方式，改造后的泵流量降低、電流減少、軸功率下降，從而實現(xiàn)節(jié)能。

2.2.2 鼓風(fēng)機選型

鼓風(fēng)機能耗高有兩方面的問題，一是風(fēng)機選型不匹配，二是調(diào)節(jié)手段落后，管網(wǎng)布置欠合理。鼓風(fēng)機選型應(yīng)滿足最大負(fù)荷時的需求，一般同時并聯(lián)運行不超過3臺，并采取變頻搭配工頻的運行方式；超過3臺時應(yīng)對供氣管網(wǎng)進(jìn)行分區(qū)，從而減少并聯(lián)損耗。選用鼓風(fēng)機時，應(yīng)根據(jù)污水處理規(guī)模、工藝特點來選擇高效設(shè)備，羅茨鼓風(fēng)機存在運行效率低、噪聲大、維護(hù)費用高的缺點，適用于中小型污水處理廠；磁懸浮風(fēng)機相比羅茨風(fēng)機可節(jié)能20%以上〔3〕，且可以自動調(diào)速并精準(zhǔn)曝氣，缺點是投資大、維修困難，選購需要考慮預(yù)算及售后服務(wù)時間。某造紙廠原來使用2臺共400 kW的羅茨風(fēng)機，運行時能耗高、噪聲大，改造為1臺300 kW的磁懸浮風(fēng)機后即滿足工藝要求。

2.2.3 曝氣器選型

曝氣系統(tǒng)是污水處理最主要的耗能環(huán)節(jié)，合理選擇曝氣設(shè)備將有利于運維過程中的能耗管控。若將城鎮(zhèn)污水處理廠普遍使用的微孔曝氣盤用在Ca2+含量較高的造紙廢水處理環(huán)節(jié)，曝氣頭容易發(fā)生堵塞、結(jié)垢而增加能耗。同樣的原因，造紙廢水處理也不宜選用MBR工藝，膜組件的頻繁清洗將影響該工藝的正常使用。建議使用不易堵塞的表曝或射流曝氣。

2.2.4 污泥處理選型

污泥處理時，帶式壓濾機運行穩(wěn)定，能耗低，泥餅含水率約80%；板框壓濾機能耗高，泥餅含水率約60%。因此，需要根據(jù)后續(xù)污泥處置措施選擇合適的壓濾方式。

除做好以上節(jié)能措施外，選用列入《節(jié)能節(jié)水專用設(shè)備企業(yè)所得稅優(yōu)惠目錄》且性能參數(shù)符合要求的電機、風(fēng)機、水泵、變頻器等，將為企業(yè)帶來稅收回報。

3 運行節(jié)能策略

（1）調(diào)節(jié)池。調(diào)節(jié)池的作用是調(diào)節(jié)水量、均衡水質(zhì)，進(jìn)入后續(xù)工序的水質(zhì)、水量越穩(wěn)定，污水處理廠的運行成本越低。該區(qū)域的耗能設(shè)備主要是提升泵，泵在使用過程中存在的問題主要有：（a）達(dá)不到規(guī)定的使用要求，泵的性能保持性差、可靠性和平均壽命低，電機出力保持性差；（b）附件及管網(wǎng)系統(tǒng)故障，表現(xiàn)在三閥失靈、管路系統(tǒng)結(jié)垢、吸入管路漏氣等；（c）安裝不規(guī)范，基礎(chǔ)不牢固，泵吸入、壓出管路的附加壓力過大。有針對性地解決這些問題可以降低電耗。

（2）一沉池。一沉池的能耗占比不高，主要要做好污泥泵的運行管理，根據(jù)污泥濃度設(shè)定污泥泵運行周期；污泥濃度可以根據(jù)刮泥機扭矩監(jiān)測調(diào)整，避免污泥泵頻繁開停。

（3）冷卻塔。冷卻塔根據(jù)水量、水溫采取部分冷卻、部分自流的方式運行，待冷卻的廢水提升至冷卻塔冷卻后，與自流的水在后續(xù)工序混合至合適溫度。由于造紙廢水中懸浮物較多，蜂窩填料易堵塞、木片填料內(nèi)部不易清洗，從而影響冷卻效率。冷卻塔填料可選用改良的立體彈性填料，并定期組織工藝清洗，初沉效果不佳時應(yīng)提高清洗頻次。有條件的區(qū)域可以采取換熱的方式對高溫廢水進(jìn)行冷卻并回收廢水中的余熱，如化機漿廢水溫度常年在70℃左右，對1 000 m3廢水換熱后，溫度每變化1℃理論上可節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤143.5 kg，這對一個日處理水量達(dá)上萬噸的污水處理廠來說節(jié)能效果非常可觀。

（4）厭氧處理。厭氧處理應(yīng)重點關(guān)注廢水中Ca2+濃度變化。使用廢紙造紙的工廠，廢水中Ca2+濃度普遍偏高。當(dāng)Ca2+質(zhì)量濃度高于400 mg/L時，輸送泵泵腔、管道、池罐壁容易結(jié)垢，厭氧顆粒污泥容易鈣化，最終影響系統(tǒng)運行效率。某造紙廠廢水中Ca2+質(zhì)量濃度為600～1 200 mg/L，不到2 a的時間D=300 mm的管道竟結(jié)垢至僅剩約100 mm的流道，同時葉輪結(jié)垢嚴(yán)重，流量達(dá)不到設(shè)計要求，能耗升高。這些情況需要在預(yù)處理階段通過pH調(diào)節(jié)、投加阻垢藥劑等手段來處理，嚴(yán)重的需要定期更換葉輪、管道。

（5）曝氣池。曝氣池可從工藝運行和設(shè)備維護(hù)兩方面優(yōu)化。工藝運行方面，應(yīng)根據(jù)來水水質(zhì)、水量變化控制曝氣池中的污泥濃度及溶解氧，污泥濃度高時需氧量增加，污泥濃度低時氧利用率提高，通過調(diào)整污泥濃度、污泥齡可以管控鼓風(fēng)量的需求；曝氣池溶解氧一般控制在1～3 mg/L，過高的溶解氧既浪費能源，又會造成污泥自身氧化而出現(xiàn)工藝異常；將溶解氧在線監(jiān)測參數(shù)與鼓風(fēng)機運行頻率進(jìn)行連鎖控制并自動調(diào)節(jié)，將大幅削減能耗。設(shè)備維護(hù)方面，曝氣池的射流泵及配套的鼓風(fēng)機是污水處理廠能耗的大頭，需定期檢查射流泵葉輪是否有汽蝕、結(jié)垢現(xiàn)象，發(fā)現(xiàn)問題及時處理；曝氣頭也應(yīng)定期檢查，結(jié)垢、堵塞時應(yīng)及時疏通；對于Ca2+濃度高的廢水，預(yù)處理階段應(yīng)采取措施提前除鈣。

（6）二沉池。二沉池應(yīng)根據(jù)出水要求并結(jié)合曝氣池運行，在滿足工藝運行的情況下選擇較低的回流比，控制回流污泥泵低流量運行。由于污泥齡過長時活性污泥的耗氧量增加，對COD去除效率提高不大，可以根據(jù)工藝運行情況，通過調(diào)整剩余污泥排放的方式對活性污泥的污泥齡進(jìn)行控制，污泥齡按低限運行，這樣既可以保證污水達(dá)標(biāo)，又節(jié)約了電耗。

（7）深度處理。深度處理采用Fenton工藝的比較多，節(jié)能主要可從減少化學(xué)品投加量和污泥量著手。Fenton加藥量與來水COD等指標(biāo)直接相關(guān)，傳統(tǒng)COD檢測費時長，為保證出水達(dá)標(biāo)排放，普遍存在化學(xué)品投加過量的問題；投加過多硫酸亞鐵不僅藥劑成本增加，同時也帶來更高的污泥量，殘余的亞鐵甚至還可導(dǎo)致出水返色。通過引入TOC或UV254檢測，建立檢測值與水中COD的關(guān)系，通過實時顯示的檢測值投加化學(xué)品可以有效減少化學(xué)品使用量。此外，改良型流化床Fenton比傳統(tǒng)Fenton可減少15%以上的化學(xué)品消耗、30%以上的污泥產(chǎn)量。

（8）污泥處理。污泥處理存在的問題表現(xiàn)在絮凝劑選型不當(dāng)、投加量過大、壓榨時間長等。選擇合適的絮凝劑有利于節(jié)能運行，一般絮凝效果越好，節(jié)能效果越好；絮凝效果不佳時，濾布容易堵塞，壓榨時間增加。定期通過簡單易行的燒杯試驗、污泥比阻測定試驗，選擇合適的藥劑及投加量，可以改善污泥濃縮、調(diào)理效果。壓濾機濾布應(yīng)定期清洗，且達(dá)到一定使用周期后應(yīng)及時更換新濾布，這將大幅縮短污泥壓榨時間、改善污泥脫水效果，從而有效降低污泥處理能耗。

4 管理節(jié)能策略

（1）組織員工學(xué)習(xí)國家、行業(yè)相關(guān)的節(jié)能規(guī)范與要求，并因地制宜地制定相應(yīng)的節(jié)能管理制度。鼓勵員工在節(jié)能方面獻(xiàn)計獻(xiàn)策，并對節(jié)能有貢獻(xiàn)的個人或團隊進(jìn)行獎勵。

（2）根據(jù)《重點用能單位能源計量審查規(guī)范》（JJF 1356）要求，建立能源計量體系，加強對能源的計量管理，并安排專人負(fù)責(zé)管理。

（3）建立能耗統(tǒng)計體系，對重點耗能工序、重點耗能設(shè)備進(jìn)行跟蹤，做好日常能耗數(shù)據(jù)統(tǒng)計、分析，與行業(yè)內(nèi)先進(jìn)企業(yè)進(jìn)行對標(biāo)，深度挖掘重點環(huán)節(jié)的節(jié)能降耗潛力。

（4）組織員工學(xué)習(xí)工藝流程及運行現(xiàn)狀，掌握工藝、設(shè)備特點，定期做好設(shè)備設(shè)施的巡檢，及時做好工藝清洗、檢修維護(hù)，從而降低能耗。

（5）盤點設(shè)備節(jié)能性能數(shù)據(jù)、設(shè)備和系統(tǒng)的能量分布，討論潛在的節(jié)能措施并提供詳細(xì)的節(jié)能建議〔4〕。

5 結(jié)語

污水處理廠的能耗貫穿了污水處理設(shè)計、施工、運行的全過程。選用節(jié)能型的工藝、設(shè)備是節(jié)能的前提，在設(shè)計過程中對平面布局、高程布置等做好把控是節(jié)能的關(guān)鍵，做好日常運行維護(hù)是節(jié)能的最終體現(xiàn)。污水處理廠在做好環(huán)保達(dá)標(biāo)的前提下，還應(yīng)加強節(jié)能管理，深度挖掘系統(tǒng)節(jié)能潛力。在節(jié)能過程中，整個系統(tǒng)的水耗、藥耗等指標(biāo)也將同步得到優(yōu)化，且企業(yè)的管理水平得到進(jìn)一步提升。實施節(jié)能策略不僅能減少能源費用支出，還可享受稅收方面的優(yōu)惠，為企業(yè)帶來更多的經(jīng)濟效益，助力企業(yè)在市場競爭中處于優(yōu)勢，并對創(chuàng)建可持續(xù)發(fā)展社會具有重大意義。