城市污水處理廠主要處理工藝及能耗點(diǎn)分析評(píng)價(jià)

陳國蓉

（忻州市生態(tài)環(huán)境局東部區(qū)域監(jiān)測(cè)技術(shù)保障中心，山西 忻州 034000）

引言

水是生命之源，是國民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展的基礎(chǔ)資源。然而，由于工業(yè)化發(fā)展、粗放型的生產(chǎn)模式、意識(shí)薄弱等原因，大量的水資源受到污染[1]。城市污水處理廠是對(duì)城市污水進(jìn)行凈化的場(chǎng)所。近年來，隨著環(huán)境保護(hù)力度的加大，城市污水處理廠的建設(shè)和發(fā)展速度也十分迅速。據(jù)相關(guān)分析顯示，污水處理廠各處理單元如提升泵、曝氣充氧等運(yùn)行皆需消耗大量電能，由于運(yùn)行需要長期投入費(fèi)用較高。因此，探討工藝和設(shè)備的能耗情況，盡可能節(jié)能降耗降低運(yùn)營成本，具有很現(xiàn)實(shí)的經(jīng)濟(jì)意義[2-3]。

1 城市污水處理廠運(yùn)行成本分析

污水處理廠是對(duì)從污染源排出的污（廢）水進(jìn)行凈化的場(chǎng)所，其生產(chǎn)運(yùn)行主要分為設(shè)備和工藝運(yùn)行兩個(gè)方面，能耗主要包括直接和間接能耗，因此加強(qiáng)城市污水處理廠的設(shè)備管理和工藝運(yùn)行管理，降低直接能耗和間接能耗非常重要。

1.1 各生產(chǎn)運(yùn)行指標(biāo)分析

以日處理污水量4 萬t 并采用改良生物除磷脫氮（A2O）工藝的某城市正常投入運(yùn)營的污水處理廠為例，運(yùn)行成本主要包含動(dòng)力費(fèi)、維修費(fèi)、藥劑費(fèi)、人工費(fèi)等。其中，動(dòng)力費(fèi)主要包括基本電費(fèi)和電度電費(fèi)兩部分，前者為實(shí)際收費(fèi)變壓器容量×每月基本電價(jià)×運(yùn)行月數(shù)，根據(jù)當(dāng)?shù)胤骞绕诫妰r(jià)取值計(jì)算，為192 萬元，后者為實(shí)際天數(shù)處理，為全年按365 天考慮，噸水電耗取0.5 kWh，計(jì)算結(jié)果為438 萬元，二者相加為630 萬元。

藥劑費(fèi)主要包括所有用于水處理以及污泥干化的藥劑，每一種藥劑的藥劑費(fèi)主要取決于投加量、噸水藥耗等因素。一般情況下，城市污水處理廠的某一種藥劑費(fèi)=日實(shí)際處理水量×藥劑投加量×藥劑單價(jià)×投加日，總藥劑費(fèi)等于每種藥劑費(fèi)用之和。

由以上污水處理廠動(dòng)力費(fèi)、藥劑費(fèi)計(jì)算分析可知，只要確定好影響一個(gè)城市污水處理廠動(dòng)力費(fèi)、藥劑費(fèi)、人工費(fèi)等關(guān)鍵因素，就可以通過多種方法及途徑，針對(duì)其采取有效措施來降低生產(chǎn)運(yùn)行成本。

1.2 設(shè)備運(yùn)行管理及維護(hù)措施分析

首先，污水處理廠設(shè)備設(shè)備的采購要結(jié)合污水處理廠的實(shí)際需求，挑選出適合污水處理廠的設(shè)備；其次，設(shè)備的使用及維護(hù)也是需要重點(diǎn)關(guān)注的，應(yīng)購買安全系數(shù)高、維護(hù)周期短、操作簡單等的設(shè)備；第三，為了保障污水處理廠長期穩(wěn)定運(yùn)行，對(duì)于曝氣設(shè)備等使用頻率高的設(shè)備，應(yīng)該多采購幾個(gè)設(shè)備，以作備用。

1.3 工藝運(yùn)行管理分析

首先，加強(qiáng)水質(zhì)工藝過程監(jiān)測(cè)管理，根據(jù)化驗(yàn)數(shù)據(jù)及進(jìn)、出水水質(zhì)情況及時(shí)調(diào)整工藝，進(jìn)行水質(zhì)排放不達(dá)標(biāo)的預(yù)防性控制，確保出水水質(zhì)100%達(dá)標(biāo)；其次，關(guān)注污水處理廠日均處理水量和噸水耗電量，適時(shí)調(diào)整鼓風(fēng)機(jī)頻率以控制曝氣量，加強(qiáng)工藝管理，控制能耗；第三，運(yùn)行人員嚴(yán)格24 h 監(jiān)控設(shè)備運(yùn)行情況并認(rèn)真準(zhǔn)確做好記錄，確保生產(chǎn)安全。

1.4 我國典型城市污水處理廠各處理單元能耗的占比

根據(jù)大量實(shí)踐調(diào)研及理論調(diào)研顯示，污水處理廠能耗主要包括直接能耗（運(yùn)行所需電能）和間接能耗（投加的化學(xué)藥劑），各處理單元能耗占比情況，如表1和下頁圖1 所示。

由表1、圖1 可知，城市污水處理廠運(yùn)營公司能耗大體主要包括七個(gè)大項(xiàng)，占比較大的前三位分別是曝氣供氧設(shè)備、提升泵和污泥脫水系統(tǒng)，是節(jié)能降耗的關(guān)鍵點(diǎn)。

圖1 煤三期污水處理工藝流程

表1 煤三期污水處理工藝流程

2 城市污水處理廠主要處理工藝及能耗點(diǎn)分析評(píng)價(jià)

一般情況下，城市污水以物化處理和生化處理為主，具體包括傳統(tǒng)活性污泥法、生物脫氮除磷法、氧化溝等，而城市污水處理廠采取何種處理工藝，需經(jīng)全面技術(shù)經(jīng)濟(jì)綜合比較后優(yōu)選確定。下面分別介紹各個(gè)工藝及其能耗點(diǎn)。

2.1 厭氧好氧法

厭氧好氧法是集缺氧、好氧為一體的工藝，是一種典型的生化處理工藝。該工藝工作流程一般為：污水→缺氧池A1（懸浮污染物被分解+脂肪等污染物被氨化）→好氧反應(yīng)池O（對(duì)污水中的物質(zhì)進(jìn)行氧化）→污泥回流。

厭氧好氧法同時(shí)具有缺氧和好氧的功能，且該工藝抗沖擊能力強(qiáng)，可以維持穩(wěn)定運(yùn)行；同時(shí)，此工藝對(duì)廢水中有機(jī)物、氨氮等水質(zhì)重要指標(biāo)的去除力較強(qiáng)（但脫氮除磷效果較差），也是典型的生物脫氮工藝，且反硝化過程中不需要額外添加甲醇等昂貴碳源，這樣能減少一部分的藥劑費(fèi)用。通過分析可知，厭氧好氧法時(shí)常被用作在大中型污水廠的生活污水處理中，其能耗點(diǎn)主要集中在工藝及設(shè)備直接能耗（運(yùn)行所需電能）等方面，包括調(diào)節(jié)池內(nèi)潛污泵、好氧段充氮風(fēng)機(jī)、污泥提氣裝置、反沖洗泵，因此需對(duì)這些部位進(jìn)行詳細(xì)地能耗分析和節(jié)能措施研究。

2.2 生物脫氮除磷

生物脫氮除磷是集厭氧、缺氧、好氧為一體的工藝，主要由厭氧池、缺氧池和好氧池三段組成。該工藝工作流程一般為：污水、二沉池外回流→厭氧池（厭氧釋放磷）、好氧內(nèi)回流→缺氧池→好氧池（微生物生化降解有機(jī)物+氨化硝化有機(jī)氮+聚磷菌攝取總磷）→沉淀池→外回流、剩余污泥、出水[1]。

生物脫氮除磷工藝中，厭氧段、缺氧段、好氧段溶解氧質(zhì)量濃度分別控制在＜0.2 mg/L、＜0.6 mg/L 和1 mg/L～3 mg/L 之間。生物脫氮除磷工藝基本不會(huì)出現(xiàn)污泥膨脹的現(xiàn)象，但脫氮和除磷的過程是相互矛盾的，要同時(shí)達(dá)到高效脫氮除磷是不現(xiàn)實(shí)的，二者只能選擇其一。根據(jù)工藝特點(diǎn)，好氧段的溶解氧濃度值主要由鼓風(fēng)機(jī)等曝氣設(shè)備提供，是本工藝的主要耗能點(diǎn)之一，占77.7%；其次是外回流泵，占10.8%；再次是內(nèi)回流泵、推流器、剩余泵、刮吸泥機(jī)，分別占比4.75%、3.8%、7.73%、1.29%，因此需對(duì)這些部位進(jìn)行詳細(xì)地能耗分析和節(jié)能措施研究。

2.3 氧化溝

氧化溝是活性污泥法的一種變型，是使用的最早的一種污水處理工藝。該工藝工作流程一般為：曝氣機(jī)對(duì)污水進(jìn)行曝氣+攪拌器對(duì)污水進(jìn)行攪拌→微生物有效地去降解污水中的有機(jī)物質(zhì)、氨氮和總氮。

氧化溝工藝曝氣池呈封閉的溝渠型，采用的連續(xù)曝氣的方式，同時(shí)曝氣采用的是微孔曝氣，能有效的增加污水和活性污泥的接觸面積，提高處理效率。氧化溝具有推流和完全混合相結(jié)合的特點(diǎn)，從外到內(nèi)溶解氧濃度具有明顯的梯度變化，能夠同步去除有機(jī)物濃度、氮和磷等。奧貝爾氧化溝采用的是延時(shí)曝氣法，三個(gè)溝道的溶解氧濃度依次呈梯度變化，從外溝、中溝到內(nèi)溝道依次裝有數(shù)量不等的表面轉(zhuǎn)碟曝氣機(jī)，因此也就更為節(jié)能和效率高，也是目前應(yīng)用最多并且比較有代表性的。該工藝能耗點(diǎn)由大到小排列，依次主要集中在轉(zhuǎn)碟曝氣機(jī)、攪拌器、刮泥機(jī)，尤其轉(zhuǎn)碟曝氣機(jī)能耗占比高達(dá)75.5%，因此需對(duì)這些部位進(jìn)行詳細(xì)地能耗分析和節(jié)能措施研究[2]。

2.4 序批式活性污泥

序批式活性污泥工藝屬于序列間歇式活性污泥法，是活性污泥法的一種變型，適用于進(jìn)水水量不穩(wěn)定、變化較大及出水間歇排放的情況。序批式活性污泥工藝是生化處理工藝，該工藝一個(gè)運(yùn)行周期工作流程一般為：進(jìn)水→反應(yīng)→沉淀→出水→待機(jī)。

該工藝在一個(gè)運(yùn)行周期內(nèi)污水依次在反應(yīng)池內(nèi)生化反應(yīng)，所有的操作都是在單一的反應(yīng)池內(nèi)進(jìn)行，如此周而復(fù)始不斷進(jìn)行污水處理。通常反應(yīng)池容積的大小根據(jù)間斷來水的情況進(jìn)行設(shè)置，也可以考慮設(shè)置多個(gè)反應(yīng)池。生化反應(yīng)過程可以分為好氧曝氣、厭氧攪拌和靜置三個(gè)階段，因?yàn)槌恋頃r(shí)間可以自由控制，因此該工藝沉淀效率比較高，不易產(chǎn)生污泥膨脹。同時(shí)，曝氣池容積相比于其他連續(xù)式污水處理工藝要小很多。由綜合分析可知，該工藝能耗點(diǎn)由大到小排列，依次主要集中在攪拌機(jī)、鼓風(fēng)機(jī)、剩余污泥泵和潷水器，尤其攪拌機(jī)能耗占比高達(dá)92.8%，因此需對(duì)這些部位進(jìn)行詳細(xì)地能耗分析和節(jié)能措施研究。

2.5 循環(huán)式活性污泥

循環(huán)式活性污泥（CAST）同時(shí)包含反應(yīng)階段、沉淀階段和排水階段，集反三者為一體，不需要設(shè)置沉淀池等[3]。循環(huán)式活性污泥工藝也是生化處理工藝，該工藝一個(gè)運(yùn)行周期工作流程一般為：進(jìn)水→曝氣→沉淀→潷水→閑置。

該工藝污水分批次進(jìn)入反應(yīng)池，生化反應(yīng)過程和泥水分離過程在同一反應(yīng)池中進(jìn)行，每一個(gè)運(yùn)行周期均按照設(shè)定的控制時(shí)間進(jìn)行操作。該工藝無需設(shè)置獨(dú)立的初沉池和二沉池，工程造價(jià)低，缺氧和好氧交替進(jìn)行，具有良好的脫氮除磷效果，還能能很好緩沖進(jìn)水水質(zhì)、水量的波動(dòng)等。該工藝是在序批式活性污泥工藝基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)后的新工藝，主要能耗點(diǎn)為鼓風(fēng)機(jī)，占比77.1%，其次能耗點(diǎn)由大到小排列，依次主要為回流泵、剩余污泥泵、推流器、攪拌機(jī)、潷水器，因此需對(duì)這些部位進(jìn)行詳細(xì)地能耗分析和節(jié)能措施研究。

3 結(jié)語

我國已成為污水處理能力短期內(nèi)增長最快的國家之一。經(jīng)過分析現(xiàn)有城市污水處理廠所采用的幾種主流處理工藝發(fā)現(xiàn)，不同工藝的主要能耗點(diǎn)略有不同，但能耗點(diǎn)大多集中在曝氣機(jī)、攪拌機(jī)、回流泵等設(shè)備的直接耗能，因此需對(duì)這些部位進(jìn)行詳細(xì)地能耗分析和節(jié)能措施研究。