污水處理廠創(chuàng)新節(jié)能措施技術分析

錢福娜 張德同

1中國城市建設研究院有限公司山東分院 2濟南市市政工程設計研究院（集團）有限責任公司

水資源和能源之間的關系對于可持續(xù)發(fā)展至關重要。污水處理廠在水與能源的相互作用中發(fā)揮著核心作用，通過消耗能源以消除污染并減少對天然水體的危害。但大多數(shù)的能源來自化石燃料，容易導致全球氣候的變暖。污水處理廠是重要的能源消耗者，雖然有許多節(jié)能技術，但沒有一種能滿足所有需求。而能源又是僅次于勞動力的第二大運營支出，因此對于污水廠的長期運營來說，降低消耗和成本至關重要。污水處理廠的碳中和通常與能源中和有關，升級現(xiàn)有的污水處理廠可以實現(xiàn)能源自給自足，具有適度的技術經(jīng)濟影響，特別是初級沉淀和厭氧消化等工藝。為優(yōu)化能源使用，需要定期監(jiān)控并確定需要改進的領域。

1 降低能耗的方法

能源是污水處理廠的一項重要開支，通過減少購買的能源，可以有效降低運行成本和碳排放并提高可持續(xù)性。目前有兩種主要的方法可以最大限度地減少功耗，包括對工廠不同工段的操作改造和使用更少能源的創(chuàng)新處理工藝。

1.1 改良曝氣控制系統(tǒng)

自動控制曝氣過程對于通過調(diào)節(jié)反應器條件實現(xiàn)節(jié)能至關重要。曝氣池中生物過程所需的氧氣量遵循晝夜模式，早晚需求高峰，午夜需求低點，與進水有機物和氨負荷成正比。較低的溶解氧(DO)設定點可以減少曝氣能量和GHG排放，但過度減少會增加N2O的產(chǎn)量并抵消任何節(jié)省，峰值與最小需氧量之比通常為2:1。

與手動控制相比，適當?shù)腄O和曝氣控制可節(jié)省25%至40%的能源。DO控制根據(jù)氧氣需求調(diào)節(jié)氣流，從而節(jié)省曝氣并實現(xiàn)更先進的策略。用于氨、硝酸鹽和亞硝酸鹽的新型傳感器帶來了先進的曝氣控制，例如基于氨和氨/硝酸鹽的控制。

1.2 通過技術升級和工藝節(jié)約能源

由于硝化作用的需氧量，將氨轉(zhuǎn)化為氮需要高能量。另一種方法是自養(yǎng)脫氨，可以實現(xiàn)更低的能耗。這個過程不需要有機碳源，使用的曝氣能量不到傳統(tǒng)方法的一半。如果將富含有機碳的部分用于沼氣生產(chǎn)，則剩余的有機碳不足以進行常規(guī)硝化/反硝化，因此建議使用部分硝化/厭氧氨氧化工藝進行脫氮。

厭氧氨氧化是一種自養(yǎng)氨去除工藝，產(chǎn)生于20世紀90年代中期，并因其潛在的工程應用而得到廣泛研究。盡管厭氧氨氧化過程需要較少的能量，但與硝化細菌相比，厭氧氨氧化細菌的生長非常緩慢。在20℃時，生長緩慢和快速的物種的最大生長速率分別為0.019~0.08和0.13~0.14/d，而硝化細菌的最大生長速率明顯更高（＞2/d）。

與傳統(tǒng)的硝化-反硝化工藝相比，氨氧化菌與厭氧氨氧化相結(jié)合，脫氮效率高達70%～90%，曝氣能量減少65%，且無需補充碳。脫氨工藝已被證明可以降低廢水處理廠的總能耗，例如奧地利的Strass工廠，在從硝化/反硝化轉(zhuǎn)換為脫氨后，能耗降低了12%。該過程還產(chǎn)生較少的殘余污泥，并可增加沼氣中的甲烷含量。在一項研究中，與傳統(tǒng)處理方法（30kWh/PE）相比，使用ANAMMOX的全面主流生產(chǎn)線需要的能量減少44%（17kWh/PE），并且每年增加12kWh/PE的電能產(chǎn)量。

2 提高能量回收率的方法

有幾種類型的技術可以在整個WWTP中回收能量?；厥盏哪芰靠煞譃槿?，包括化學能、熱能和水能。

2.1 化學能回收

污水含有主要儲存在有機化學品中的熱能。當COD水平在250~1000mg/L之間時，假設COD為12M～15MJ/kg，則廢水的平均熱值約為1.5kWh/m3。在生化處理過程中，有機物的化學能轉(zhuǎn)化為生物質(zhì)能?；厥栈瘜W能涉及將廢水成分轉(zhuǎn)化為氣態(tài)、液態(tài)或固態(tài)燃料。

在中溫厭氧消化工藝中，污水污泥產(chǎn)生的沼氣主要由甲烷（60%~67%）和二氧化碳（30%~40%）組成，含少量氮、硫化氫和其他成分。沼氣中的甲烷部分是一種寶貴的燃料，經(jīng)過調(diào)節(jié)后，可以替代天然氣滿足許多能源需求。通過化學計量法，在標準條件（0℃）下，甲烷的COD當量可確定為0.35 m3CH4/kg COD，而在35℃下的理論換算系數(shù)為0.4 m3CH4/kgCOD。

厭氧消化在大于22000m3/天的污水處理廠中更為常見，因為在較大的污水處理廠中，由于可用于消化的污泥量較大，厭氧消化裝置更為有利。有研究通過厭氧消化從農(nóng)業(yè)廢棄物中生產(chǎn)沼氣并在熱電聯(lián)產(chǎn)廠中熱電聯(lián)產(chǎn)的系統(tǒng)的生命周期環(huán)境影響。結(jié)果表明，與化石燃料替代品相比，這可以顯著減少大多數(shù)影響，包括全球升溫潛能值，可降低50%。

厭氧膜生物反應器是傳統(tǒng)厭氧消化的升級版，顯著減少了反應器體積和占地面積。據(jù)報道，該技術可減少65%~80%的體積。厭氧膜生物反應器系統(tǒng)產(chǎn)生的可用電能范圍為0.15～0.3 kWh/m3，可以回收總能耗的很大一部分，甚至在某些情況下抵消能源需求。

2.2 熱能回收

廢水處理廠可以使用各種技術從流入廢水的溫度中回收熱能，包括使用熱泵收集熱能。對于廢水中每10 K的溫差，就有41.9 MJ/m3的可用熱能。與地下水、地熱或室外空氣等傳統(tǒng)來源相比，廢水由于來自洗碗機、淋浴和工業(yè)廠房等溫暖來源，因此表現(xiàn)出相對較高的溫度?；厥盏臒崮芸捎糜诠嵝枨蟪渥愕膮^(qū)域供暖和供冷，甚至用于低溫污泥干化應用。

廢水熱回收是一種高效且具有成本效益的技術，但往往被忽視。在奧地利，這種方法最多可將空間供暖減少17%。在較大的城鎮(zhèn)，主要下水道可以提供大量廢水作為能源，且可以改造熱交換器和熱泵以使用下水道熱源。這種方法對于大規(guī)模的污水處理廠來說特別經(jīng)濟。直徑大于0.8m的下水道適宜使用，熱力用戶必須在周邊。對于較小的熱容量，最大距離為200m，而熱泵或用戶可以位于距離較高容量下水道2km的地方。

3.3 水能回收

在污水處理廠設計水力發(fā)電廠時，需要考慮的兩個基本參數(shù)是出口流量和水頭壓力。流量受各種因素的季節(jié)性影響，導致顯著變化。盡管位于污水處理廠出水口的小型低水頭水力發(fā)電廠產(chǎn)生的能源很少（僅占工廠能源需求的1%），但它仍然是一項值得投資的項目，因為它可以全年運行。一項研究表明，在廢水處理廠的出口處使用水輪機進行能量回收可以提高該行業(yè)的可持續(xù)性。污水處理廠的水力發(fā)電可能面臨水頭不足、流量波動以及由于廢水顆粒物堵塞或損壞導致的渦輪機故障等障礙。經(jīng)濟可行性還取決于高流量或政府激勵措施。

3 可再生能源的外部來源

3.1 太陽能

事實證明，在污水處理廠中采用光伏系統(tǒng)是一種可行且可持續(xù)的能源生產(chǎn)解決方案。安裝在污水處理廠屋頂?shù)?6kMW伏系統(tǒng)可產(chǎn)生150.7MWh的電力，而現(xiàn)有建筑物中的混合光伏系統(tǒng)最多可滿足總能源需求的2%。一項理論研究表明，我國污水處理廠近80%的電力消耗可由單晶光伏電池產(chǎn)生。要完全滿足處理廠的能源需求，將需要近9000m2的光伏發(fā)電，但必須考慮成本和占地面積。此外，水的冷卻特性提高了光伏板的性能，并結(jié)合此類系統(tǒng)減少了工廠的占地面積。因此，將光伏系統(tǒng)納入污水處理廠是一種可持續(xù)的能源生產(chǎn)解決方案。

3.2 有機廢物共消化

共消化是一種向污泥消化池中添加少量共底物的過程，可顯著提高沼氣產(chǎn)量40%～200%。浮選污泥、脂肪含量、食物殘渣、蛋白質(zhì)廢物等的添加很常見，共底物添加率通常在5%～20%之間。然而，在現(xiàn)有廢水處理廠中實施共消化可能需要額外的預處理和后處理設備，具體取決于生物廢物的濃度和流變學?？坪盏?。建議將原料污泥與高達35%的食物垃圾（基于揮發(fā)性固體含量）進行共消化，這可能會導致更高的甲烷產(chǎn)量，因為與未經(jīng)處理的污水污泥相比，食物垃圾產(chǎn)生的甲烷更高。根據(jù)生命周期評估，與化石燃料替代品相比，通過厭氧消化和熱電聯(lián)產(chǎn)從農(nóng)業(yè)廢物中生產(chǎn)沼氣的系統(tǒng)可以顯著減少環(huán)境影響，包括全球變暖潛能值，最多可減少 50%。

4 結(jié)語

通過分析可知，將鼓風機關閉超過25%的時間可以顯著降低能源使用，同時保持相同的廢水排放標準。升級技術，如實施新的脫氮途徑，可以將曝氣能源需求減少60%以上。為了有效地回收未經(jīng)處理的廢水中的大量潛在化學能，推薦使用厭氧消化。雖然太陽能電池板等清潔能源正在開發(fā)中，但與污水處理廠的總能源需求相比，它們產(chǎn)生的能量仍然較低。