城市污水處理廠節(jié)能減排的路徑

浙江雙益環(huán)?？萍及l(fā)展有限公司 蔡瀟彥，馬敏杰，汪健樺

一、引言

據(jù)國(guó)家統(tǒng)計(jì)局公開(kāi)數(shù)據(jù)顯示，2020年我國(guó)全年城市污水排放量達(dá)到571.36億立方米，以污水處理平均能耗0.45 kWh/m3計(jì)算，全年城市廢水生物處理總用電量為257.11億kWh。參考我國(guó)電力以火力發(fā)電為主的實(shí)際情況，按照電能全部以煤炭為主的火力發(fā)電計(jì)算，生產(chǎn)一千瓦時(shí)電會(huì)釋放895.84 g二氧化碳，那么每年污水處理所排放的二氧化碳量會(huì)達(dá)到2.30億噸。面對(duì)這些挑戰(zhàn)，在實(shí)現(xiàn)城市可持續(xù)發(fā)展政策過(guò)程中，污水處理工作深受重視。但在污水處理過(guò)程中會(huì)造成大量能源物資耗用現(xiàn)象，導(dǎo)致污水處理成本上升，同時(shí)污水處理的大量資金投入需求，也會(huì)導(dǎo)致污水處理的嚴(yán)重耗用，因此傳統(tǒng)的城市廢水處理節(jié)能減排實(shí)現(xiàn)路徑的研究具有重要作用。

二、城市污水處理廠能源物資耗用現(xiàn)狀分析

根據(jù)公布的數(shù)據(jù)來(lái)看，到2020年，我國(guó)城市已建成2618座污水處理廠，全天污水處理容量約1.93億立方米。擁有大量的廢水處理設(shè)施，提高廢水處理能力必然會(huì)消耗大量能源，這不僅會(huì)對(duì)環(huán)境產(chǎn)生負(fù)面影響，也會(huì)造成污水處理廠運(yùn)行費(fèi)用的上升，節(jié)能減排勢(shì)在必行。就目前的情況來(lái)看，在污水處理的過(guò)程中能耗較高。不僅運(yùn)行成本在增加，而且在處理過(guò)程中產(chǎn)生的CO2也在增加，一些廢棄物也在增加。在污水處理過(guò)程中，供氧環(huán)節(jié)中曝氣會(huì)產(chǎn)生大量的生物污泥和二氧化碳，同時(shí)混凝沉淀也會(huì)產(chǎn)生大量的無(wú)機(jī)污泥。隨著對(duì)水質(zhì)的要求逐步升高，污泥的產(chǎn)生和二氧化碳的排放量也越來(lái)越多，這與我國(guó)實(shí)施的節(jié)能減排和可持續(xù)發(fā)展的理念是背道而馳的。

（一）水、電、氣、藥劑、備品為主要能源物資耗用

污水處理廠運(yùn)行期間，主要消耗電、水、藥劑和其他工藝配件。其中，消耗最大的能源是電力。根據(jù)相關(guān)統(tǒng)計(jì)，城市一級(jí)污水處理廠平均每處理一立方米廢水需要0.074千瓦時(shí)電量，城市二級(jí)污水處理廠處理一立方米廢水需要0.328千瓦時(shí)電量。另外，處理污水時(shí)，滲透膜、水泵以及脫水器需要大量的清水進(jìn)行沖擊。舉例來(lái)說(shuō)，一個(gè)10萬(wàn)噸的污水處理廠帶式脫水機(jī)，每臺(tái)每小時(shí)耗水量達(dá)17立方米，加上其他設(shè)備的用水需求，污水處理廠每天必然消耗巨量水資源；在處理廢水的過(guò)程中，還需要清洗制劑，每噸200克水；經(jīng)過(guò)兩次脫氮工藝后，還必須通過(guò)活性炭吸附或反滲透法凈化廢水中的雜質(zhì)，然后通過(guò)臭氧或次氯酸鈉對(duì)水進(jìn)行滅菌，然后通過(guò)符合國(guó)家排放標(biāo)準(zhǔn)的后處理工藝向工業(yè)、綠化等部門(mén)排放。大量的水、電、藥劑和備用物品的使用在污水處理廠污水處理運(yùn)行成本中占據(jù)較大部分。

（二）設(shè)備選型設(shè)計(jì)存在缺陷，生產(chǎn)工藝落后

污水處理效率和污水處理設(shè)備的合理性直接關(guān)系到能源和材料的消耗。為降低投資成本，部分現(xiàn)有污水處理廠長(zhǎng)期未及時(shí)引進(jìn)新設(shè)備、新技術(shù)，污水處理工藝不適合后期水質(zhì)的變化，廠內(nèi)設(shè)備保養(yǎng)嚴(yán)重脫節(jié)，導(dǎo)致設(shè)備老化、磨損加劇，長(zhǎng)期超負(fù)荷運(yùn)行，污水處理設(shè)備維修費(fèi)用增加。

三、城市污水處理廠節(jié)能減排的途徑

（一）配備更加高效的污水處理裝置

污水處理工作中電力消耗是巨大的，它是完成一個(gè)污水處理廠的最重要因素。為了保持低資本投資，重點(diǎn)應(yīng)放在能源消耗和使用現(xiàn)代技術(shù)和設(shè)備上。同時(shí)，污水處理的發(fā)展離不開(kāi)新技術(shù)的使用，應(yīng)解決污水處理過(guò)程中各個(gè)環(huán)節(jié)的能源消耗問(wèn)題，綠色能源消耗應(yīng)盡可能滲透到整個(gè)污水處理過(guò)程中，并使污水處理廠在排放過(guò)程中的設(shè)備選擇更加容易。同時(shí)，污水處理廠應(yīng)該選擇能夠更有效地處理廢污水的設(shè)備，并確保在這個(gè)過(guò)程中使用更少的有害物質(zhì)。

（二）適當(dāng)添加藥劑

在污水處理過(guò)程中，污水處理廠首先要關(guān)注的是如何使污水處理過(guò)程危害小、節(jié)能、環(huán)保，以便在節(jié)能環(huán)保的基礎(chǔ)上取得最大效益。在廢水處理過(guò)程中可以加入一些綠色無(wú)污染的藥劑，在添加藥劑的過(guò)程中，對(duì)水的酸堿度和溫度進(jìn)行調(diào)節(jié)，結(jié)合污水的特點(diǎn)，加入適合使用的藥劑，有關(guān)專業(yè)人員在選擇藥劑產(chǎn)品時(shí)應(yīng)及早注意其效果，應(yīng)盡可能選擇小量但有效的產(chǎn)品，避免大量使用。另一方面，處理藥劑產(chǎn)品投放的醫(yī)藥專業(yè)人員應(yīng)該清楚地了解其與污水處理的任何方面有關(guān)的劑量，而不要因?yàn)槿藶椴僮鞑划?dāng)造成污水的二次污染。在選擇產(chǎn)品時(shí)，要確保選擇廉價(jià)和快速起效的藥劑，以確保污水處理的質(zhì)量和最大效果。

（三）合理利用排放物

污水處理廠在污水處理過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量的殘留物、污泥和雜質(zhì)。在污水處理中，雜質(zhì)相對(duì)較少，但污泥含量往往相對(duì)較高。在污泥處理過(guò)程中，污水處理廠需要將自身的發(fā)展趨勢(shì)與相關(guān)的國(guó)家立法和政策相結(jié)合，以確保合理和有針對(duì)性的處理。污水必須使用設(shè)備和化學(xué)品進(jìn)行處理，以確保水質(zhì)符合國(guó)家廢水處理標(biāo)準(zhǔn)。水資源短缺是當(dāng)今社會(huì)可持續(xù)發(fā)展面臨的最嚴(yán)峻挑戰(zhàn)之一，改善水質(zhì)以及有效保護(hù)水資源和控制有害物質(zhì)的排放尤為重要。污水處理廠的節(jié)能減排也能提高工廠的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益，確保可持續(xù)發(fā)展。污水處理過(guò)程必須嚴(yán)格按照法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)來(lái)執(zhí)行。

四、工藝節(jié)能

（一）污水提升泵節(jié)能減排

以昆明市某污水處理廠運(yùn)行能耗為例，污水處理廠包括混凝過(guò)濾和深度紫外線消毒處理，預(yù)處理、二級(jí)處理、高級(jí)處理和污泥處理的能耗比分別為7.2%、64.8%、21.6%和6.4%，其中污水提升泵占6.9%，二次處理泵4.8%，通風(fēng)能耗占55.4%。因此，廢水處理廠最重要的節(jié)能措施是泵的提升和曝氣。這個(gè)過(guò)程是能源密集型的，是節(jié)約能源和減少消耗的關(guān)鍵。目前，污水處理廠水泵能耗高的原因是電機(jī)有用效率低、設(shè)計(jì)和運(yùn)行能力不匹配、水的波動(dòng)以及管理控制不力所導(dǎo)致的。為了節(jié)約能源和減少消耗，全面分析應(yīng)該從污水提升系統(tǒng)開(kāi)始。首先，在污水處理過(guò)程的設(shè)計(jì)階段，應(yīng)全面調(diào)查現(xiàn)有的管網(wǎng)和整個(gè)污水處理過(guò)程，盡量減少待處理的污水和污水處理廠之間的高度差，并盡可能考慮使用淹沒(méi)流方式。此外，應(yīng)根據(jù)水道的容量及其變化，選擇適當(dāng)?shù)谋没虮玫慕M合。

根據(jù)管道系統(tǒng)變化的特點(diǎn)，特別是污水流量變化，選擇相應(yīng)的泵，達(dá)成泵在高水位條件下工作效率的需求。根據(jù)污水處理能力、揚(yáng)程、水頭損失和泵輸出等，選取適當(dāng)高效的泵組合，包括配比和調(diào)節(jié)變頻器和固定功率泵，以減小泵操作軸運(yùn)行功率，避免泵頻繁打開(kāi)，造成泵的使用壽命縮短。還應(yīng)注意泵與發(fā)動(dòng)機(jī)之間的匹配，以提高發(fā)動(dòng)機(jī)的工作效率。還應(yīng)該注重管道設(shè)計(jì)，保證系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊、運(yùn)行順暢，減少管道彎曲長(zhǎng)度，降低管道系統(tǒng)阻力和能耗。最后，要注意過(guò)程控制和設(shè)備維護(hù)，減少操作系統(tǒng)的滴水、污垢和機(jī)械磨損，確保設(shè)備和系統(tǒng)在高效條件下運(yùn)行。

在我國(guó)的污水處理廠的設(shè)計(jì)和運(yùn)行中，泵的改進(jìn)主要是通過(guò)變頻控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)的。通過(guò)使用變頻泵進(jìn)行電機(jī)轉(zhuǎn)速控制，在工作頻率方面，泵的平均速度可以降低20%以上，總體節(jié)能效率為20-45%。中小型污水處理廠可以在一年左右收回變頻控制系統(tǒng)投資成本。超聲波液位計(jì)用于監(jiān)測(cè)進(jìn)水水位，并與出口管道的流量計(jì)相結(jié)合。

控制潛水泵逆變器的運(yùn)動(dòng)，可節(jié)省約10%的能源。采用變頻調(diào)速技術(shù)取代閥門(mén)或節(jié)流控制器，降低水位，實(shí)現(xiàn)高水位運(yùn)行，節(jié)能率為15%。三臺(tái)潛水泵用于提升泵，其中一臺(tái)是變頻泵，設(shè)置超聲波液位指示器，用于控制實(shí)際水位。在選擇變頻器時(shí)，在需要處理的水量變化較大且抗沖擊負(fù)荷能力較低的地方，應(yīng)安裝變頻泵；反之，不一定設(shè)置?；诒谜揪幗M輪換算法和動(dòng)態(tài)液位控制算法的進(jìn)水提升泵智能控制方法，使泵站運(yùn)行的能源節(jié)約率達(dá)到9.6%，整個(gè)廠的能源節(jié)約率約為2.5%?；谥悄苄D(zhuǎn)控制算法，水位約為6.5%。此外，使用前端管網(wǎng)儲(chǔ)水可以減少泵的運(yùn)行數(shù)量，并實(shí)現(xiàn)20%的能源節(jié)省。

（二）污水生物處理曝氣節(jié)能減排

曝氣生物濾池是一種切實(shí)可行的污水處理技術(shù)，其自動(dòng)化程度高，所需人力少耗能低，易上手操作簡(jiǎn)單，污水處理效果好。在消耗少量能量的情況下去除大量的污泥，達(dá)到改善水質(zhì)的目的。污水中污染物的去除主要通過(guò)微生物的生化代謝來(lái)實(shí)現(xiàn)。污水生化處理工藝主要有A2O工藝、氧化溝工藝和MBR工藝。生物化學(xué)代謝與微生物清除污染物有關(guān)，需要電子受體的存在，電子受體主要由曝氣供氧供給。因此，高效曝氣是COD、氨氮等污染物去除和廢水有效處理的重要保證.它還導(dǎo)致一定的能量消耗，因?yàn)槲廴疚锶コ^(guò)程，（如A2O脫氮），需要蒸發(fā)混合物以產(chǎn)生硝酸氮作為電子受體，而化學(xué)脫磷過(guò)程需要添加化學(xué)物質(zhì)以促進(jìn)化學(xué)沉淀。溶解氧的控制是污水生物處理過(guò)程中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)?？赏ㄟ^(guò)對(duì)曝氣管道布局、曝氣設(shè)備應(yīng)用以及曝氣供給制度的優(yōu)化實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗。

曝氣風(fēng)機(jī)主要有TURPO風(fēng)機(jī)和羅茨風(fēng)機(jī)兩種，TURPO風(fēng)機(jī)是通過(guò)打開(kāi)幾個(gè)風(fēng)機(jī)控制葉片進(jìn)行曝氣控制，而羅茨風(fēng)機(jī)要采用變頻控制風(fēng)量，廣泛應(yīng)用于中小型污水處理廠。關(guān)于曝氣技術(shù)，微孔曝氣現(xiàn)在通常用于A2O和MBR工藝，而旋轉(zhuǎn)刷曝氣和倒傘曝氣則通常用于氧化溝。微孔曝氣可以提高氧氣傳輸效率，減少曝氣能耗，工作原理是通過(guò)微孔產(chǎn)生直徑為1.5-3.0毫米的微小氣泡，具有曝氣均勻的特點(diǎn)。由于微孔曝氣可以提高氧氣傳輸效率，現(xiàn)在許多氧化溝工藝都配備了底部微孔曝氣。氧化溝工藝通過(guò)從豎軸表面曝氣轉(zhuǎn)為使用可變微孔曝氣器和水下推流器推流方法，實(shí)現(xiàn)了每單位污水處理能耗減少25-45%。曝氣方法通常包括單面和全面曝氣。傳統(tǒng)上，人們認(rèn)為單面曝氣可以減少氣流，但實(shí)踐表明，全面曝氣可以產(chǎn)生均勻的小渦流，形成局部混合，促進(jìn)小氣泡的遷移，提高氧氣傳輸效率。當(dāng)使用全面曝氣時(shí)，與穿孔管相比，使用微孔盤(pán)式曝氣頭氧的有效率能大幅提高，可節(jié)省20%以上的能源。

除了曝氣設(shè)備和曝氣方法外，輸送曝氣量以節(jié)約能源和減少消耗的方法也是一個(gè)重要途徑。曝氣太少會(huì)影響出水水質(zhì)，曝氣太多導(dǎo)致能量損失，并影響活性污泥堵塞物的結(jié)構(gòu)和沉降性能。節(jié)約曝氣能源的實(shí)質(zhì)是在生化處理過(guò)程中有效地去除污染物，保證污水的水質(zhì)，平衡電子受體溶解氧所需的數(shù)量和供應(yīng)的數(shù)量，避免浪費(fèi)曝氣能耗。在降低能耗方面，主要是將好氧區(qū)的溶解氧控制在一定水平，以避免過(guò)度曝氣，根據(jù)污水處理的溶解氧的逐漸降低設(shè)置曝氣量，并根據(jù)污水中的氨氮、COD濃度來(lái)調(diào)節(jié)曝氣量。

在傳統(tǒng)的活性污泥生化處理工藝中，曝氣主要負(fù)責(zé)防止COD和硝化反應(yīng)，因此供氧量的計(jì)算主要基于這兩種生化工藝。通過(guò)將好氧區(qū)的DO質(zhì)量濃度控制在2-3mg/l或通過(guò)工藝調(diào)整，縮短好氧區(qū)的長(zhǎng)度，可以達(dá)到能耗降低17.1%，避免過(guò)度曝氣，這也提高了TN的去除效率。在生化領(lǐng)域，連接到控制面板的DO信號(hào)可以用風(fēng)壓值進(jìn)行編程，利用風(fēng)壓精確控制曝氣，可以節(jié)省27.95%的能源。通過(guò)控制氧化溝轉(zhuǎn)刷的時(shí)間，也可以減少每個(gè)處理單元的能耗。

為A2O工藝優(yōu)化的曝氣流量控制系統(tǒng)有效地控制了好氧區(qū)的溶解氧濃度，使每噸處理水的能耗降低了11.2%，從升級(jí)前的0.149 3千瓦時(shí)到升級(jí)后的0.132 6千瓦時(shí)－－并確保出水質(zhì)量達(dá)到A級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。溶解氧由曝氣流量控制系統(tǒng)控制，引入控制技術(shù)后，能耗從0.38kWh/m3降至0.25kWh/m3。鑒于現(xiàn)有的溶解氧控制系統(tǒng)在低溶解氧時(shí)的控制效率較低，風(fēng)扇控制的主要方面是避免曝氣風(fēng)扇過(guò)沖的問(wèn)題。為解決風(fēng)機(jī)喘振問(wèn)題，需要控制風(fēng)機(jī)出口壓力實(shí)現(xiàn)DO的自動(dòng)控制，通過(guò)采用低DO和出水氨氮濃度控制，可以實(shí)現(xiàn)有效的系統(tǒng)自動(dòng)控制和節(jié)能。精確的曝氣也可以通過(guò)在廢水處理過(guò)程中控制ORP和pH值來(lái)實(shí)現(xiàn)，但這種方法變化很大，在實(shí)踐中沒(méi)有廣泛使用。

我國(guó)的污水處理工藝通常存在設(shè)計(jì)曝氣量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于實(shí)際現(xiàn)狀需求量的問(wèn)題，故好氧段可以縮短停留時(shí)間以降低好氧能耗。氧化溝工藝前端的好氧區(qū)變?yōu)槿毖鯀^(qū)，出水DO濃度主要控制在1-2mg/L，不僅改善了廢水水質(zhì)，而且將處理能耗降低到0.241kWh/m3，比轉(zhuǎn)化前降低20%以上。優(yōu)化工藝設(shè)備的運(yùn)行也可以有效降低能耗。污水處理過(guò)程在低氧條件下（0.5-0.8 mg/L）的運(yùn)行也確保了硝氮的去除，保證良好的出水水質(zhì)和能源節(jié)約。通過(guò)降低生物池的混合功率密度，節(jié)省攪拌單元50%的能源。除了優(yōu)化工藝操作外，污水廠還可以考慮峰谷電的政策，盡可能減少高峰用電，以及與污水處理廠網(wǎng)絡(luò)的綜合控制協(xié)同，減少電力消耗成本。

（三）優(yōu)化或革新的污水處理節(jié)能減排

從工藝的角度來(lái)看，能夠節(jié)約能源的新的廢水處理工藝包括反硝化除磷和厭氧氨氧化以及基于短程硝化的污水脫氮工藝，短期硝化工藝節(jié)省了25%的能源，因?yàn)樗粚钡趸癁閬喯跛猁}而不是硝酸鹽。用亞硝酸鹽代替硝酸鹽進(jìn)行反硝化，也能減少反硝化對(duì)碳源的需求，并且可以使污水脫氮更加有效。厭氧氨氧化技術(shù)主要應(yīng)用于含氨量高的污水處理中，其中約50%的氨氮必須被氧化成亞硝酸鹽，因此其需氧量要低得多，可以實(shí)現(xiàn)高能效。由于反硝化作用和除磷是同時(shí)進(jìn)行的，而且硝態(tài)氮是主要的電子受體，因此，反硝化方法還可以顯著節(jié)省曝氣能耗。與傳統(tǒng)的先進(jìn)生物除磷技術(shù)相比，反硝化技術(shù)可將碳源利用率提高50%，節(jié)省30%的曝氣量，減少50%的泥沙形成。

污水中的有機(jī)物本身就是一種能量載體，所以除了在廢水處理中節(jié)約能源外，還可以考慮從污水水中回收能量。主要方法包括污水的厭氧處理，包括膜厭氧處理新工藝等。能源回收還側(cè)重于通過(guò)增加廢水的有機(jī)碳源和利用厭氧發(fā)酵從污水中提取碳能源。

五、結(jié)語(yǔ)

我國(guó)城市污水處理廠的建設(shè)正在不斷完善，但是在節(jié)能減排方面仍舊存在一些問(wèn)題，未來(lái)對(duì)城市污水處理廠的節(jié)能減排提出了更高要求，為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，精細(xì)化管理和污水處理全過(guò)程優(yōu)化值得深入實(shí)踐，本文重點(diǎn)內(nèi)容主要包括：

（1）從污水處理廠主要能耗方向入手，進(jìn)行設(shè)備選型和工藝技術(shù)的革新

（2）從配備更加高效的污水處理裝置、適當(dāng)添加藥劑、合理利用排放物方面入手，開(kāi)展城市污水處理廠節(jié)能減排工作

（3）廢水處理廠的節(jié)能降耗最重要的是提升泵和曝氣?？梢酝ㄟ^(guò)提升泵、生物處理曝氣達(dá)到污水處理節(jié)能減排的目的

(4）開(kāi)發(fā)新的節(jié)能減排的污水處理工藝。去除污水中污染物及其附帶細(xì)菌的，開(kāi)發(fā)新的廢水處理工藝，以及在廢水處理中認(rèn)真推廣節(jié)能和節(jié)約資源的做法，是節(jié)能降耗的一些技術(shù)手段。

(5）開(kāi)發(fā)和應(yīng)用基于節(jié)能減排效益的綜合評(píng)價(jià)方法和系統(tǒng)。為了全面評(píng)估節(jié)能減排的影響，全面評(píng)估如何減少能源消耗，應(yīng)該建立一個(gè)基于整個(gè)污水處理過(guò)程的生命周期評(píng)估概念。為了全面分析能源消費(fèi)對(duì)可持續(xù)發(fā)展的影響，還必須建立一個(gè)由環(huán)境、經(jīng)濟(jì)和技術(shù)指標(biāo)組成的評(píng)價(jià)體系。