污水處理廠污水處理節(jié)能技術(shù)改進(jìn)研究

王乃亮 黃 慧 高 磊

（甘肅省生態(tài)環(huán)境科學(xué)設(shè)計(jì)研究院 甘肅蘭州 730000）

引言

在現(xiàn)代文明社會(huì)發(fā)展歷程中，污水處理廠作為與生態(tài)環(huán)保事業(yè)息息相關(guān)的單位，在減少生態(tài)污染、維持社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展方面發(fā)揮了積極作用。但是，在傳統(tǒng)技術(shù)條件的限制下，污水處理廠在處理污水時(shí)也會(huì)涉及到大量資源和能源的消耗。

因此，一直以來(lái)污水處理廠的技術(shù)升級(jí)和優(yōu)化，一般有兩大方向，其一是提升污水處理效果，其二則是降低能耗。在社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展進(jìn)入新常態(tài)的背景下，更需要結(jié)合污水處理廠運(yùn)行中存在的實(shí)際能耗問(wèn)題，對(duì)污水處理節(jié)能技術(shù)的改進(jìn)思路和方法進(jìn)行進(jìn)一步研究。

1 污水處理廠污水處理節(jié)能技術(shù)概述

1.1 現(xiàn)狀

關(guān)于污水處理廠污水處理節(jié)能技術(shù)的研究，主要是指基于污水處理廠開(kāi)展污水處理工作的實(shí)際情況，在保證污水處理效果的基礎(chǔ)上，減少整個(gè)過(guò)程產(chǎn)生的資源及能源消耗。

在污水處理廠的實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)中，需要用到多種污水處理設(shè)備及設(shè)施，而這些設(shè)備設(shè)施在運(yùn)行中會(huì)產(chǎn)生多種資源的消耗，同時(shí)也伴隨著大量的電能消耗。我國(guó)傳統(tǒng)污水處理廠用到的設(shè)施設(shè)備基本上沒(méi)有配備節(jié)能措施，同時(shí)在運(yùn)行管理中也忽略了節(jié)能管理，導(dǎo)致污水處理廠的能耗極大，顯然這與污水處理廠本身的生態(tài)價(jià)值是相悖的。另外，在污水處理廠的日常運(yùn)作中，高能耗勢(shì)必會(huì)帶來(lái)高運(yùn)營(yíng)成本，導(dǎo)致污水處理廠運(yùn)營(yíng)壓力過(guò)大。例如，在近年來(lái)甘肅省的污水處理廠中，A/O 工藝作為普遍應(yīng)用的污水處理方法，雖然具備污染物去除率高、運(yùn)行穩(wěn)定可靠的優(yōu)點(diǎn)，但是相關(guān)設(shè)施運(yùn)行過(guò)程中的污泥內(nèi)回流量較大，產(chǎn)生的能耗較高，導(dǎo)致污水處理費(fèi)用過(guò)高，影響污水處理廠效益[1]。

1.2 加強(qiáng)節(jié)能技術(shù)改進(jìn)的必要性

在第二次全國(guó)污染源普查的數(shù)據(jù)結(jié)果中可以了解到，目前甘肅省共有已建成投入運(yùn)行的集中式污水處理廠共239 個(gè)，基本做到了每個(gè)縣區(qū)至少配備一個(gè)污水處理廠。雖然基本上解決了各個(gè)地區(qū)工業(yè)污水以及生活污水的處理問(wèn)題，但是因此而產(chǎn)生的能耗及相應(yīng)費(fèi)用也一直處于較高水平，而這也是全國(guó)多數(shù)地區(qū)污水處理相關(guān)工作所面臨的同樣問(wèn)題。目前最為有效的方式就是對(duì)污水處理廠的污水處理技術(shù)工藝進(jìn)行改進(jìn)提升，而改進(jìn)的主要方向則是節(jié)能降耗。

當(dāng)然，污水處理廠的節(jié)能技術(shù)改進(jìn)還擁有多方面意義，主要如下：

（1）促進(jìn)污水處理廠從粗放式向集約化、精細(xì)化處理方向發(fā)展

傳統(tǒng)污水處理工藝涉及到多個(gè)處理工藝，各處理工藝及環(huán)節(jié)都要配置體量龐大的設(shè)施及設(shè)備，占用空間大且運(yùn)行管理難度高，同時(shí)處理效率較低。而在污水處理工藝節(jié)能改進(jìn)的過(guò)程中，在保證處理效果的基礎(chǔ)上精簡(jiǎn)處理程序也是主要方法之一，加上一些自動(dòng)化處理設(shè)備及設(shè)施的應(yīng)用，可以對(duì)傳統(tǒng)污水處理設(shè)備設(shè)施體系進(jìn)行精簡(jiǎn)，實(shí)現(xiàn)集約化、精細(xì)化處理。

（2）規(guī)避二次污染風(fēng)險(xiǎn)

在傳統(tǒng)污水處理廠的污水處理中，會(huì)涉及到一些藥劑及相關(guān)添加劑的使用，而這些材料使用過(guò)程中以及使用之后，都可能產(chǎn)生一些污染物，產(chǎn)生二次污染風(fēng)險(xiǎn)。而在污水處理工藝節(jié)能改進(jìn)中，可以有效減少使用有污染風(fēng)險(xiǎn)的材料，避免二次污染。

（3）提高污水處理廠效益

顯然，在污水處理廠的日常運(yùn)行中，能耗與其消耗的成本是直接掛鉤的，通過(guò)工藝改進(jìn)可以有效減少能耗費(fèi)用，提升污水處理廠效益，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)污水處理相關(guān)環(huán)保產(chǎn)業(yè)的良性發(fā)展[2]。

2 污水處理廠污水處理工藝的能耗問(wèn)題及誘發(fā)因素

2.1 電力消耗

傳統(tǒng)污水處理廠的污水處理系統(tǒng)中，涉及到大量用電設(shè)備設(shè)施的應(yīng)用，在很多地區(qū)污水處理廠長(zhǎng)期處于高負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)下時(shí)，產(chǎn)生的電能消耗是十分巨大的。如今污水處理廠污水處理系統(tǒng)中的污水提升泵、鼓風(fēng)曝氣等均屬于能耗較高的設(shè)備，其中污水提升泵在從污水采集、引流到處理達(dá)標(biāo)的全流程中都需要保持運(yùn)行狀態(tài)，并且在污水處理量日益增多的情況下，污水提升泵能耗問(wèn)題將更為嚴(yán)峻。而鼓風(fēng)曝氣裝置在目前很多污水處理廠中都占據(jù)重要地位，該類設(shè)備主要是基于活性污泥法實(shí)現(xiàn)鼓風(fēng)曝氣功能，即將空氣輸送至曝氣池，使之以氣泡的形式進(jìn)入到混合液之中，為活性污泥中的微生物活動(dòng)提供理想環(huán)境。為了保持這種功能的持續(xù)性，很多污水處理廠中鼓風(fēng)曝氣裝置都需要持續(xù)保持運(yùn)行狀態(tài)，其電耗甚至可以達(dá)到整個(gè)污水處理廠的30%以上。顯然，除了核心設(shè)備以外，污水處理廠在進(jìn)行污水處理過(guò)程中，為了支持各類設(shè)備的正常運(yùn)行，電能消耗是比較突出的。

導(dǎo)致污水處理廠電能消耗過(guò)大的原因主要有以下幾點(diǎn)：

（1）設(shè)備技術(shù)落后

傳統(tǒng)的污水處理廠設(shè)備在技術(shù)研究時(shí)較少關(guān)心能耗問(wèn)題，導(dǎo)致設(shè)備本身的單位能耗就比較高。而污水處理廠的設(shè)備選型人員沒(méi)有針對(duì)設(shè)備的能耗問(wèn)題進(jìn)行分析，也沒(méi)有響應(yīng)的能耗控制標(biāo)準(zhǔn)，影響了污水處理過(guò)程的能耗控制效果[3]。

（2）設(shè)備選型不合理

一方面，污水處理廠設(shè)計(jì)配置設(shè)備時(shí)，對(duì)污水處理系統(tǒng)的設(shè)備組合不合理，導(dǎo)致總能耗過(guò)高；另一方面，設(shè)備搭配不合理，導(dǎo)致一些設(shè)備的能耗超出正常運(yùn)行水平。

（3）設(shè)備安裝維護(hù)不到位

如果設(shè)備安裝時(shí)忽略了能耗方面的考慮，會(huì)導(dǎo)致設(shè)備長(zhǎng)期處于高負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)，或是因散熱不足而導(dǎo)致設(shè)備能耗升高的問(wèn)題。另外，污水處理廠設(shè)備維護(hù)保養(yǎng)不到位，也可能導(dǎo)致設(shè)備處于非正常運(yùn)行狀態(tài)，影響能耗。

2.2 藥劑消耗

在傳統(tǒng)的污水處理廠運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中，為了滿足相關(guān)污水處理工藝的應(yīng)用需求，需要消耗大量的藥劑。例如，在處理多種含泥污水時(shí)，沉淀是比較常見(jiàn)的處理方式，而為了讓污水中的污染物質(zhì)凝結(jié)、沉淀，需要消耗大量的絮凝劑。絮凝劑主要由聚合氯化鋁及其他相關(guān)原料制成，其在污水沉淀吸附處理中屬于主要消耗型材料，也是很多污水處理廠日常運(yùn)營(yíng)成本的主要構(gòu)成之一。值得注意的是，采用傳統(tǒng)工藝制成的絮凝劑在發(fā)揮作用之后無(wú)法被回收進(jìn)行再利用，處置不當(dāng)還可能造成環(huán)境污染。

導(dǎo)致污水處理廠藥劑消耗過(guò)大的原因一般有以下兩點(diǎn)：

（1）污水處理工藝太過(guò)落后，對(duì)需要用到絮凝劑的沉淀吸附工藝依賴性過(guò)強(qiáng)，導(dǎo)致這部分藥劑消耗過(guò)高的問(wèn)題一直存在。

（2）污水處理廠關(guān)于沉淀處理工藝以及各類藥劑使用缺乏規(guī)范化管理，導(dǎo)致大量不必要的藥劑消耗。例如，在針對(duì)不同污水進(jìn)行沉淀處理時(shí)所投放的藥劑量是不同的，如果缺乏對(duì)投放量的針對(duì)性管控，或是投放人員專業(yè)性不足，都可能導(dǎo)致藥劑投放過(guò)多，不僅浪費(fèi)成本，還會(huì)影響污水處理效果。另外，在污水處理廠的各類藥劑儲(chǔ)存管理中，也存在因儲(chǔ)存不當(dāng)而導(dǎo)致材料非正常損耗的問(wèn)題。

2.3 水資源消耗

在污水處理廠的資源消耗中，水資源消耗問(wèn)題主要表現(xiàn)在兩個(gè)方面：

（1）部分傳統(tǒng)污水處理工藝需要用到自來(lái)水，在污水處理量增長(zhǎng)的同時(shí)相關(guān)水資源的消耗量也在同時(shí)增大。

（2）在現(xiàn)代污水處理理念下，傳統(tǒng)污水處理工藝僅僅將目光集中于對(duì)污水中污染物的處理，而忽略了對(duì)污水的再利用。具體來(lái)看，傳統(tǒng)的污水處理機(jī)制比較單一，并沒(méi)有針對(duì)污水污染類型進(jìn)行精細(xì)分類，分辨污水處理是否達(dá)標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)也較為單一。但事實(shí)上，在現(xiàn)代污水處理專業(yè)領(lǐng)域中，一些污水在經(jīng)過(guò)處理之后是可以被回收利用的[4]。這就意味著在傳統(tǒng)工藝下的污水處理廠直接排放了很多具有再回收價(jià)值的水資源，變相也導(dǎo)致了水資源浪費(fèi)的問(wèn)題。

關(guān)于水資源消耗過(guò)高的原因，主要也是體現(xiàn)在工藝技術(shù)水平和管理理念兩個(gè)方面。即污水處理工藝的落后，以及因運(yùn)行管理不規(guī)范、不科學(xué)，導(dǎo)致污水處理廠運(yùn)行過(guò)程中的水資源消耗較大。

3 污水處理廠污水處理節(jié)能技術(shù)的改進(jìn)思路及策略

3.1 科學(xué)采用預(yù)處理技術(shù)，平衡處理工藝負(fù)荷

事實(shí)上，在正式對(duì)污水中的污染物進(jìn)行處理之前，科學(xué)的預(yù)處理環(huán)節(jié)都是不可或缺的。因此，關(guān)于污水處理廠污水處理工藝的改進(jìn)，應(yīng)當(dāng)根據(jù)待處理污水的實(shí)際特征，對(duì)其進(jìn)行科學(xué)預(yù)處理。例如，如果污水的含砂量較高，應(yīng)當(dāng)配置沉砂池或砂水分離器，將污水中顆粒較大的砂截留下來(lái)，減少其對(duì)后續(xù)污水提升及分解處理環(huán)節(jié)的影響。在比較常見(jiàn)的曝氣工藝中，可以同精準(zhǔn)的預(yù)曝氣處理，減少核心曝氣裝置的能耗。

需要注意的是，在污水處理廠配置預(yù)處理裝置時(shí)，應(yīng)當(dāng)重點(diǎn)分析污水的污染物類型，在污水處理工藝流程的前期階段，做好沉淀、分離處理，減輕后續(xù)處理工藝壓力，同時(shí)也可以有效平衡各處理環(huán)節(jié)的負(fù)荷，達(dá)到減少能耗的目的[5]。

3.2 優(yōu)化設(shè)備選型，合理改造處理工藝

在污水處理廠的污水處理工藝改進(jìn)中，關(guān)于設(shè)備優(yōu)化選型和技術(shù)升級(jí)是主要方向。首先，污水處理廠需要積極淘汰傳統(tǒng)處理效率低、能耗高的工藝設(shè)備，選用更為先進(jìn)的設(shè)備設(shè)施。通常情況下，關(guān)于污水處理設(shè)備的優(yōu)化選型，一方面是采用更為科學(xué)的污水處理工藝，這類工藝本身的能耗較低，另一方面是設(shè)備配置了節(jié)能降耗裝置，可以有效減少單位作業(yè)量?jī)?nèi)的能耗。其次，應(yīng)當(dāng)針對(duì)污水處理廠的污水處理量，對(duì)污水處理流程進(jìn)行優(yōu)化，減少因不科學(xué)的處理方式，而導(dǎo)致能耗過(guò)高的問(wèn)題。下面，對(duì)前文提到的設(shè)備能耗問(wèn)題進(jìn)行分析：

（1）污水提升泵站節(jié)能處理

在污水處理流程的污水提升環(huán)節(jié)，揚(yáng)程與水泵能耗直接相關(guān)，因此可以結(jié)合對(duì)污水處理廠地勢(shì)以及各設(shè)備設(shè)施布置情況的分析，讓集水池適當(dāng)保持高位運(yùn)行，以達(dá)到降低水泵揚(yáng)程的目的。然后，可以采用加裝了變頻裝置的水泵，在滿足日常污水提升輸送需求的基礎(chǔ)之上，減少能耗。另外，還需要根據(jù)污水處理廠的污水處理任務(wù)，對(duì)污水提升流程進(jìn)行科學(xué)的安排，確保機(jī)組均衡運(yùn)轉(zhuǎn)，可以進(jìn)一步減少污水處理廠能耗。例如，在甘肅蘭州市的某污水處理廠改造中，針對(duì)污水提升泵的變頻處理，結(jié)合管理優(yōu)化，使其能耗降低了11.8。除此之外，該廠還采用了多級(jí)動(dòng)態(tài)液位控制技術(shù)，即在污水處理時(shí)，通過(guò)科學(xué)控制機(jī)組運(yùn)行臺(tái)數(shù)及轉(zhuǎn)速，維持水泵流量均勻運(yùn)行。當(dāng)所需污水提升量較大時(shí)，增加運(yùn)轉(zhuǎn)臺(tái)數(shù)，減少單組水泵的轉(zhuǎn)速增加量，在適應(yīng)水流變化的基礎(chǔ)上，減少能耗。

（2）鼓風(fēng)曝氣裝置的節(jié)能處理

目前很多污水處理廠采用的污水處理工藝都是活性污泥法，對(duì)鼓風(fēng)曝氣裝置的依賴性較強(qiáng)。顯然，優(yōu)選高效且節(jié)能的鼓風(fēng)曝氣設(shè)備是減少污水處理能耗的關(guān)鍵舉措。目前市面上具有較好節(jié)能價(jià)值的鼓風(fēng)曝氣設(shè)備有單級(jí)離心鼓風(fēng)機(jī)、羅茨風(fēng)機(jī)、空氣懸浮鼓風(fēng)機(jī)等，其在同等運(yùn)行條件下的節(jié)能表現(xiàn)都比較好。例如，在甘肅蘭州市某污水處理廠的節(jié)能改造中，技術(shù)人員引進(jìn)了空氣懸浮鼓風(fēng)機(jī)，該設(shè)備利用空氣力場(chǎng)讓軸承懸浮運(yùn)轉(zhuǎn)，由于軸承受到的摩擦力大幅度減少，整個(gè)設(shè)備運(yùn)行中的能耗大幅度下降。在此基礎(chǔ)上，該設(shè)備裝配的變頻器還可以在不影響污水處理效率的基礎(chǔ)上，合理調(diào)節(jié)風(fēng)量，進(jìn)而減少能耗。值得一提的是，在實(shí)際的污水處理中，溫度比較低的季節(jié)或地區(qū)，污水處理廠也可以通過(guò)適當(dāng)降低曝氣量的方式來(lái)減少能耗。

3.3 優(yōu)化處理工藝，減少資源消耗

在對(duì)污水處理廠污水處理技術(shù)進(jìn)行節(jié)能改進(jìn)時(shí)，應(yīng)當(dāng)結(jié)合污水處理的具體流程或運(yùn)行工況，制定科學(xué)的工藝優(yōu)化措施。比如，污水處理廠的藥劑消耗一般產(chǎn)生于沉淀、分離、消毒處理等環(huán)節(jié)，比較常用的藥劑材料包括無(wú)機(jī)鹽類混凝劑、有機(jī)高分子混凝劑等，不同藥劑的功能和作用方式存在差異，因此可以根據(jù)污水處理的具體場(chǎng)景和需求進(jìn)行優(yōu)化應(yīng)用[6]。一般情況下，為了去除污水中的污染物磷，可以使用生物除磷或化學(xué)除磷技術(shù)，前者甚至可以達(dá)到完全不使用藥劑的水平，而后者則是通過(guò)使用高分子混凝劑來(lái)減少對(duì)常規(guī)藥劑的消耗量。在污水消毒環(huán)節(jié)，比較常見(jiàn)的方法有加熱消毒、紫外線消毒及微波消毒等物理方法，以及通過(guò)二氧化氯、臭氧、重金屬離子等進(jìn)行的化學(xué)消毒。關(guān)于與消毒工藝的節(jié)能改進(jìn)，通常是要結(jié)合污水本身的污染物含量情況，優(yōu)化消毒劑的配比，組合應(yīng)用物理法和化學(xué)法的方式，來(lái)減少對(duì)藥劑及電能的消耗。

3.4 建立科學(xué)標(biāo)準(zhǔn)，形成規(guī)范化節(jié)能管理機(jī)制

在對(duì)污水處理廠污水處理工藝進(jìn)行節(jié)能改造的過(guò)程中，管理方面的優(yōu)化也有助于減少能耗。首先，應(yīng)當(dāng)根據(jù)污水處理廠污水處理工藝的具體流程，建立各個(gè)環(huán)節(jié)的節(jié)能降耗標(biāo)準(zhǔn)，作為開(kāi)展節(jié)能管理工作的參考依據(jù)[7][8]。其次，針對(duì)各類污水處理設(shè)備、設(shè)施的運(yùn)行，設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)化的操作和管理機(jī)制，確保對(duì)所有設(shè)備設(shè)施的操作方式規(guī)范合理。同時(shí)，通過(guò)結(jié)合不同時(shí)期污水處理任務(wù)變化情況，科學(xué)安排設(shè)備及人員配置，在減少能耗的基礎(chǔ)上，提高污水處理廠運(yùn)轉(zhuǎn)效率。另外，做好污水處理廠各類設(shè)備設(shè)施的保養(yǎng)維護(hù)，減少故障率和非正常運(yùn)行狀態(tài)，有效發(fā)揮設(shè)備設(shè)施的節(jié)能降耗功能。最后，強(qiáng)化對(duì)污水處理廠所有人員的節(jié)能降耗意識(shí)、技能培訓(xùn)，為建立長(zhǎng)效節(jié)能降耗工作機(jī)制提供支持。

結(jié)語(yǔ)

綜上所述，針對(duì)目前污水處理廠能耗過(guò)高的問(wèn)題，應(yīng)當(dāng)積極更新理念，對(duì)污水處理廠各污水處理環(huán)節(jié)的能耗影響因素進(jìn)行全面分析。在此基礎(chǔ)上，通過(guò)科學(xué)配置預(yù)處理流程、優(yōu)選污水處理設(shè)備設(shè)施、采用節(jié)能降耗工藝等方式，減少污水處理流程的能耗。同時(shí)，結(jié)合嚴(yán)謹(jǐn)、科學(xué)的節(jié)能管理機(jī)制，進(jìn)一步減少污水處理廠運(yùn)行管理期間不必要的能耗。唯有如此，才能進(jìn)一步發(fā)揮污水處理廠的生態(tài)價(jià)值及公共服務(wù)價(jià)值，為社會(huì)的健康穩(wěn)定發(fā)展做出關(guān)鍵貢獻(xiàn)。