摘要:曝氣系統(tǒng)節(jié)能是污水處理廠碳減排的關(guān)鍵,研究曝氣系統(tǒng)節(jié)能對(duì)推進(jìn)污水處理行業(yè)的碳減排具有重要意義。分析我國(guó)污水處理廠曝氣系統(tǒng)能耗較高的原因,總結(jié)曝氣系統(tǒng)節(jié)能的主要技術(shù)途徑,為污水處理廠曝氣系統(tǒng)低碳運(yùn)行提供參考。經(jīng)分析,主要原因有3點(diǎn),即進(jìn)水負(fù)荷低,曝氣設(shè)備和推流攪拌設(shè)備配置不合理,曝氣設(shè)備效率低。主要技術(shù)途徑有3條,即利用高效曝氣設(shè)備進(jìn)行替換,表面曝氣替換為底部微孔曝氣,開展間歇曝氣和精確曝氣。
關(guān)鍵詞:污水處理廠;節(jié)能降碳;曝氣系統(tǒng);間歇曝氣;精確曝氣
中圖分類號(hào):X703 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):1008-9500(2024)06-0-05
DOI:10.3969/j.issn.1008-9500.2024.06.066
Review of Energy Conservation and Carbon Reduction in Aeration Systems of Sewage Treatment Plants
CUI Dandan1, YIN Huasheng2,3, XIONG Haitao2,3
(1. Changsha Liantai Water Purification Co., Ltd.; 2. Hunan Academy of Building Research Co., Ltd.;
3. Hunan Provincial Trenchless Engineering Technology Research Center, Changsha 410011, China)
Abstract: The energy-saving of aeration system is the key to carbon reduction in sewage treatment plants, and studying the energy-saving of aeration system is of great significance for promoting carbon reduction in the sewage treatment industry. The reasons for the high energy consumption of aeration systems is analyzed in sewage treatment plants in China, and the main technical approaches for energy conservation are summarized in aeration systems, thus providing reference for low-carbon operation of aeration systems in sewage treatment plants. After analysis, there are three main reasons, namely low inlet load, unreasonable configuration of aeration equipment and push flow mixing equipment, and low efficiency of aeration equipment. There are three main technical approaches, namely using high-efficiency aeration equipment for replacement, replacing surface aeration with bottom microporous aeration, and carrying out intermittent aeration and precise aeration.
Keywords: sewage treatment plant; energy conservation and carbon reduction; aeration system; intermittent aeration; accurate aeration
截至2020年底,我國(guó)縣級(jí)以上城市污水處理廠有4 326座,年處理污水655.9億m3,年消耗的電量為337.7億kW·h,占社會(huì)用電量的0.45%[1]。2020年,我國(guó)執(zhí)行《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 18918—2002)一級(jí)A及一級(jí)A以上排放標(biāo)準(zhǔn)的污水處理廠的單位水量電耗為0.405 kW·h/m3,執(zhí)行一級(jí)A以下標(biāo)準(zhǔn)的污水處理廠的單位水量電耗為0.375 kW·h/m3[1],比發(fā)達(dá)國(guó)家的平均單位水量電耗高很多[2]。我國(guó)污水處理廠平均進(jìn)水污染物濃度不到發(fā)達(dá)國(guó)家的50%[3],但單位污染物消減電耗至少比發(fā)達(dá)國(guó)家高出100%。所以,我國(guó)污水處理廠的節(jié)能降碳空間還很大。
污水處理廠的碳排放包括直接排放和間接排放,根據(jù)《污水處理廠低碳運(yùn)行評(píng)價(jià)技術(shù)規(guī)范》(T/CAEPI 49—2022),污水處理廠的直接碳排放主要包括CH4、N2O和消耗石化燃料產(chǎn)生的CO2,間接碳排放包括外購(gòu)的電能、熱能和化學(xué)藥劑所對(duì)應(yīng)的碳排放量[4]。根據(jù)聯(lián)合國(guó)政府間氣候變化專門委員會(huì)(Intergovernmental Panel on Climate Change,IPCC)的定義,污水處理生物降解過(guò)程排放的CO2不計(jì)入碳排放范圍[5]。污水處理廠碳排放要素中,比例最高的是電耗。蔣富海等[6]以10座污水處理廠為樣本,研究發(fā)現(xiàn),電耗的碳排放量貢獻(xiàn)權(quán)重為31%~64%。胡香等[7]對(duì)巢湖流域22座污水處理廠的碳排放進(jìn)行統(tǒng)計(jì),研究發(fā)現(xiàn),電耗引起的碳排放占比為61.55%~73.56%。污水處理廠進(jìn)水濃度越低,出水標(biāo)準(zhǔn)越高,直接碳排放特別是電能消耗產(chǎn)生的碳排放占比越高。曝氣系統(tǒng)消耗的電能占污水處理廠電耗的50%以上[8-9]。曝氣系統(tǒng)的運(yùn)行效果直接影響污水處理廠脫氮除磷效果,若曝氣過(guò)量,則會(huì)導(dǎo)致污水內(nèi)源性碳源的不必要消耗,導(dǎo)致生物脫氮除磷效率的降低,需要的外加碳源和除磷藥劑投加量增加,導(dǎo)致藥耗產(chǎn)生的碳排放量增加。所以,曝氣系統(tǒng)節(jié)能是污水處理廠碳減排的關(guān)鍵,研究曝氣系統(tǒng)的節(jié)能技術(shù)具有重要意義。
1 我國(guó)污水處理廠曝氣系統(tǒng)能耗偏高的原因
1.1 實(shí)際進(jìn)水負(fù)荷低于設(shè)計(jì)進(jìn)水負(fù)荷
進(jìn)水負(fù)荷低包括進(jìn)水量小和進(jìn)水濃度低兩種情況。進(jìn)水負(fù)荷低是導(dǎo)致曝氣系統(tǒng)過(guò)量曝氣的重要原因。過(guò)量曝氣不僅導(dǎo)致電耗偏高,還會(huì)造成污水中的內(nèi)源碳源被過(guò)度消耗,并造成厭氧池、缺氧池溶解氧濃度偏高,影響脫氮除磷效果,這就需要投加更多的碳源和除磷藥劑,使藥劑投加引起的碳排放量增加。
1.1.1 進(jìn)水量小
一般來(lái)說(shuō),在污水處理廠剛建成的前幾年,由于城市發(fā)展滯后或污水管網(wǎng)建設(shè)滯后,進(jìn)水量難以達(dá)到設(shè)計(jì)規(guī)模。此外,在合流制城區(qū)或雨污混接嚴(yán)重的城區(qū),旱天污水量比雨天污水量小很多,水量波動(dòng)大,這就需要更精確地調(diào)節(jié)和控制曝氣量,否則很容易導(dǎo)致低水量時(shí)曝氣過(guò)量,影響脫碳除磷效果,導(dǎo)致電耗和藥耗的增加。長(zhǎng)沙市旱季和雨季污水處理量的變化如圖1所示。雨季污水處理量比旱季大30%~40%,季節(jié)性因素引起污水處理量變化,這就需要更精確地調(diào)控曝氣系統(tǒng)。
1.1.2 進(jìn)水濃度低
我國(guó)城鎮(zhèn)污水處理廠實(shí)際進(jìn)水污染物濃度普遍遠(yuǎn)比設(shè)計(jì)值低。在污水處理廠設(shè)計(jì)中,設(shè)計(jì)進(jìn)水水質(zhì)一般是按中遠(yuǎn)期污水管網(wǎng)完善情況考慮的,根據(jù)《室外排水設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50014—2021),生活污水的五日生化需氧量(Biochemical Oxygen Demand after 5 days,BOD5)按40~60 g/(人·d)計(jì)算[10],一般取40 g/(人·d),大部分城市人均污水排放量為200~350 L/(人·d),設(shè)計(jì)BOD5濃度一般在110~200 mg/L。據(jù)統(tǒng)計(jì),我國(guó)68%的污水處理廠的實(shí)際年均進(jìn)水BOD5低于100 mg/L,其中40%的污水處理廠年均進(jìn)水BOD5濃度小于50 mg/L[3]。從進(jìn)水濃度與所需曝氣量看,我國(guó)大部分污水處理廠的曝氣系統(tǒng)在設(shè)計(jì)上存在“大馬拉小車”的情況,即配置的曝氣設(shè)備風(fēng)量大,實(shí)際所需風(fēng)量小。曝氣設(shè)備“大馬拉小車”的配置極易導(dǎo)致曝氣過(guò)量,增加能耗。
1.2 曝氣設(shè)備臺(tái)數(shù)配置不合理
由于未考慮在實(shí)際運(yùn)行中低進(jìn)水負(fù)荷比較多的情況,很多污水處理廠在設(shè)計(jì)曝氣設(shè)備臺(tái)數(shù)時(shí)存在配置不合理的問(wèn)題。例如,很多中小型污水處理廠在鼓風(fēng)機(jī)房的設(shè)計(jì)中通常采用2臺(tái)常用、1臺(tái)備用(共3臺(tái))的方式配置鼓風(fēng)機(jī),這是在設(shè)計(jì)水量和設(shè)計(jì)進(jìn)水水質(zhì)條件下的最優(yōu)方案。但在低進(jìn)水負(fù)荷條件下,開啟1臺(tái)風(fēng)機(jī)并按最小風(fēng)量運(yùn)行,也可能出現(xiàn)曝氣過(guò)量,增加電耗。通過(guò)加裝變頻器或其他調(diào)節(jié)手段減小風(fēng)機(jī)的供氣量,可以避免曝氣過(guò)量,但是這些措施也會(huì)導(dǎo)致鼓風(fēng)機(jī)運(yùn)行工況偏離高效區(qū)間,導(dǎo)致效率降低和能源浪費(fèi)。在污水處理廠進(jìn)水污染物濃度普遍偏低的情況下,應(yīng)考慮采用增加風(fēng)機(jī)臺(tái)數(shù)、減小單臺(tái)風(fēng)機(jī)風(fēng)量的策略配置風(fēng)機(jī),以滿足在污水處理廠低進(jìn)水水質(zhì)或低進(jìn)水量時(shí)段的風(fēng)量調(diào)節(jié)需要。另外,以前我國(guó)經(jīng)濟(jì)條件較差,而高性能鼓風(fēng)機(jī)需要進(jìn)口,為節(jié)省投資,一般采用風(fēng)機(jī)臺(tái)數(shù)較少的方案。隨著國(guó)產(chǎn)高性能鼓風(fēng)機(jī)技術(shù)的成熟,高性能鼓風(fēng)機(jī)的價(jià)格已經(jīng)下降很多。所以,現(xiàn)在具有實(shí)施鼓風(fēng)機(jī)配置優(yōu)化的條件,以實(shí)現(xiàn)節(jié)能降碳。
1.3 曝氣設(shè)備效率低
一些污水處理廠建成時(shí)間較早,在當(dāng)時(shí)技術(shù)水平下,選用的曝氣設(shè)備效率低,能耗高。從現(xiàn)在的技術(shù)和節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)看,羅茨鼓風(fēng)機(jī)、多級(jí)低速離心鼓風(fēng)機(jī)、轉(zhuǎn)碟曝氣機(jī)、轉(zhuǎn)刷曝氣機(jī)等設(shè)備都屬于效率較低的曝氣設(shè)備,它們的效率一般只有40%~65%,比目前較先進(jìn)的高速離心鼓風(fēng)機(jī)效率低15%~40%。此外,部分污水處理廠采用底部微孔曝氣的厭氧-缺氧-好氧(Anaerobic-Anoxic-Oxic,A2O)工藝、缺氧好氧(Anoxic Oxic,AO)工藝等,曝氣器老化、堵塞等原因也將導(dǎo)致充氧效率降低、阻力增大,增大鼓風(fēng)機(jī)的能耗。
1.4 生化池的推流攪拌器設(shè)置不合理
在表面曝氣氧化溝工藝中,表面曝氣機(jī)不僅具有曝氣功能,還有攪拌推流功能。在設(shè)計(jì)進(jìn)水負(fù)荷條件下,這是很合理的設(shè)計(jì)方案。但是,在低進(jìn)水負(fù)荷情況下,可能需要減少曝氣量或停止曝氣,但為了防止污泥沉降或泥水分離,氧化溝必須保持足夠的推流速度,曝氣機(jī)不得不繼續(xù)開啟,因而造成過(guò)量曝氣,導(dǎo)致脫氮除磷效果差和電能浪費(fèi)。為了在低進(jìn)水負(fù)荷時(shí)更節(jié)能地運(yùn)行,氧化溝應(yīng)該合理設(shè)置推流器。
A2O工藝和AO工藝的好氧池一般按滿池布置微孔曝氣器,不設(shè)置推流器,所以需要依靠足夠的曝氣量來(lái)保證不發(fā)生泥水分離或污泥沉降現(xiàn)象。在低進(jìn)水負(fù)荷條件下,為避免過(guò)量曝氣,要減小曝氣量或間歇曝氣。但是,這種運(yùn)行方式容易發(fā)生污泥沉降或泥水分離現(xiàn)象,影響處理效果。為了在低進(jìn)水負(fù)荷下更節(jié)能地運(yùn)行,A2O工藝和AO工藝的好氧池應(yīng)該合理地增加推流器。
2 污水處理廠曝氣系統(tǒng)節(jié)能降碳的技術(shù)途徑
2.1 高效曝氣設(shè)備替換
對(duì)于還在使用效率較低的羅茨鼓風(fēng)機(jī)、多級(jí)低速離心鼓風(fēng)機(jī)、轉(zhuǎn)碟曝氣機(jī)和轉(zhuǎn)刷曝氣機(jī)等曝氣設(shè)備的污水處理廠,或曝氣設(shè)備已經(jīng)嚴(yán)重老化、效率下降嚴(yán)重的污水處理廠,應(yīng)從節(jié)能降碳的角度對(duì)老舊低效曝氣設(shè)備進(jìn)行能效評(píng)估,及時(shí)更換節(jié)能效果好的新型高效曝氣設(shè)備。當(dāng)前,大型污水處理廠使用的單級(jí)高速鼓風(fēng)機(jī)、磁懸浮鼓風(fēng)機(jī)和空氣懸浮鼓風(fēng)機(jī)等高速風(fēng)機(jī)的效率一般介于80%~85%。但是,目前市場(chǎng)上還沒(méi)有小功率的高速離心鼓風(fēng)機(jī)產(chǎn)品,規(guī)模在2 000 m3/d以下的污水處理廠依然只能使用效率較低的羅茨鼓風(fēng)機(jī)等曝氣設(shè)備,這些曝氣設(shè)備的效率一般只有40%~65%,還有很大的節(jié)能空間。所以,研發(fā)更高效的小型曝氣設(shè)備對(duì)小型污水處理廠的節(jié)能降碳很有意義。
2.2 表面曝氣改為底部微孔曝氣
在水深合適的情況下,底部微孔曝氣比表面曝氣更節(jié)能。因此,把氧化溝的曝氣方式由表面曝氣改為底部微孔曝氣,可以帶來(lái)較好的節(jié)能效果。從已實(shí)施表面曝氣改為底部微孔曝氣的改造項(xiàng)目看,這種改造不僅取得較好的節(jié)能降耗效果,還提高生物脫氮除磷效率。陳超[11]研究指出,某污水處理廠將表面曝氣改為底部微孔曝氣,改造后,污水處理廠總電耗降低24.7%,氨氮、化學(xué)需氧量和總磷的去除率分別提高30.39%、5.39%與2.09%。謝繼慈等[12]研究指出,某污水處理廠將表面曝氣改為底部微孔曝氣,改造后,污水處理廠能耗節(jié)省0.09~0.12 kW·h/m3水,生物脫氮除磷效率顯著提高。在底部微孔曝氣中,氧的傳遞效率與水深呈線性正相關(guān),當(dāng)水深小于某一臨界值時(shí),底部微孔曝氣的效率反而比表面曝氣更低。一般認(rèn)為,水深大于4 m是氧化溝適合改成底部微孔曝氣的一個(gè)條件。
2.3 間歇曝氣技術(shù)
對(duì)于進(jìn)水濃度較低的污水處理廠,采用連續(xù)流間歇曝氣可以很好地解決過(guò)量曝氣導(dǎo)致的脫氮除磷效果差和能耗高的問(wèn)題。連續(xù)流間歇曝氣是指生化池處于連續(xù)進(jìn)水和連續(xù)出水狀態(tài),曝氣系統(tǒng)按周期性的曝氣/停止曝氣方式運(yùn)行。1986年,ARAKI等[13]進(jìn)行氧化溝間歇曝氣脫氮的研究,之后很多學(xué)者做了氧化溝連續(xù)流間歇曝氣的試驗(yàn)研究。侯紅勛等[14]在污水處理廠(設(shè)計(jì)處理規(guī)模10萬(wàn)m3/d)進(jìn)行氧化溝間歇曝氣的生產(chǎn)性試驗(yàn),采用連續(xù)流間歇曝氣的方式運(yùn)行后,總氮和總磷的去除率提高20%和49%,全廠能耗節(jié)省21%。何全等[15]在污水處理廠(設(shè)計(jì)處理規(guī)模4萬(wàn)m3/d)進(jìn)行氧化溝間歇曝氣的生產(chǎn)性對(duì)比試驗(yàn),氧化溝按曝氣2 h、停止曝氣2 h的方式運(yùn)行,結(jié)果發(fā)現(xiàn),在冬季低溫條件下,相比連續(xù)曝氣方式,采用連續(xù)流間歇曝氣運(yùn)行,曝氣系統(tǒng)能耗節(jié)省42%,總氮去除率提高9.6%,總磷去除率提高6.9%。鄭琬琳等[16]在污水處理廠(設(shè)計(jì)處理規(guī)模4萬(wàn)m3/d)進(jìn)行連續(xù)流間歇曝氣運(yùn)行的生產(chǎn)性試驗(yàn),A2O池改為連續(xù)流間歇曝氣方式(曝氣3 h,停止曝氣3 h)運(yùn)行后,污水處理廠出水水質(zhì)依然可以穩(wěn)定達(dá)標(biāo),并節(jié)省18.3%的電耗。目前,連續(xù)流間歇曝氣運(yùn)行的工程應(yīng)用案例還不多,還有一些技術(shù)難題需要解決。
對(duì)于采用底部微孔曝氣的A2O工藝來(lái)說(shuō),限制連續(xù)流間歇曝氣推廣應(yīng)用的原因有兩點(diǎn)。一是高速離心鼓風(fēng)機(jī)在啟動(dòng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生高分貝、尖銳的噪聲,按連續(xù)流間歇曝氣方式運(yùn)行,頻繁啟停會(huì)產(chǎn)生噪聲而擾民。二是如果按間歇曝氣方式運(yùn)行,空氣懸浮鼓風(fēng)機(jī)和磁懸浮鼓風(fēng)機(jī)頻繁啟停,會(huì)造成風(fēng)機(jī)的無(wú)接觸懸浮軸承頻繁與殼體接觸,容易引發(fā)懸浮軸承受損,提高故障率,甚至影響風(fēng)機(jī)壽命。
氧化溝和A2O工藝采用連續(xù)流間歇曝氣時(shí),應(yīng)充分考慮好氧池在停止曝氣階段的推流速度,必要時(shí)應(yīng)考慮增加推流攪拌器,以防止污泥沉降或泥水分離。在停止曝氣階段,出水氨氮濃度上升很快,容易出現(xiàn)氨氮超標(biāo)。因此,要更加深入地開展研究,科學(xué)地設(shè)置和及時(shí)調(diào)整曝氣/停止曝氣的周期,更好地提高節(jié)能降耗效果和污染物去除效果,避免出現(xiàn)出水氨氮瞬時(shí)超標(biāo)現(xiàn)象。
污水處理廠擔(dān)心采用連續(xù)流間歇曝氣可能導(dǎo)致出水氨氮瞬時(shí)值超標(biāo),這是限制連續(xù)流間歇曝氣推廣應(yīng)用的主要原因。2022年1月,生態(tài)環(huán)境部辦公廳發(fā)布《關(guān)于征求〈城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)〉(GB 18918—2002)修改單(征求意見(jiàn)稿)意見(jiàn)的函》[17],本次修改內(nèi)容主要是增加一次監(jiān)測(cè)最高允許排放濃度,該一次監(jiān)測(cè)最高限值在原日均值基礎(chǔ)上有了大幅提高,但日均值仍然維持不變。例如,一級(jí)A排放標(biāo)準(zhǔn)的氨氮一次檢測(cè)值低于10 mg/L(水溫低于12 ℃時(shí)為15 mg/L),日均濃度低于5 mg/L(水溫低于12 ℃時(shí)為8 mg/L),則仍然可認(rèn)定出水氨氮達(dá)標(biāo)。若該修改單最終能發(fā)布實(shí)施,則有利于解決連續(xù)流間歇曝氣造成瞬時(shí)氨氮超標(biāo)的監(jiān)管問(wèn)題,有利于氧化溝工藝連續(xù)流間歇曝氣的推廣應(yīng)用。
2.4 精確曝氣技術(shù)
污水處理廠的水量和進(jìn)水濃度波動(dòng)較大,同一天的不同時(shí)間段差別也很大,所需曝氣量隨水量和水質(zhì)而波動(dòng)。如果只依靠人工經(jīng)驗(yàn)調(diào)節(jié)曝氣系統(tǒng)曝氣量,就很難做到精確,甚至?xí)绊懰|(zhì)穩(wěn)定達(dá)標(biāo)。隨著大數(shù)據(jù)和人工智能的發(fā)展,人們提出污水處理廠精確曝氣的理念。精確曝氣技術(shù)已經(jīng)在一些污水處理廠有了應(yīng)用,曝氣系統(tǒng)節(jié)能率一般為10%~20%[18]。如果精確曝氣與其他工藝改造相結(jié)合,就可以取得更好的處理效果。朱潔等[19]對(duì)某污水處理廠多段AO工藝進(jìn)行精確曝氣改造,曝氣系統(tǒng)節(jié)能率可達(dá)49.8%。精確曝氣和智能曝氣是未來(lái)污水處理廠節(jié)能降碳的重要發(fā)展方向。目前,精確曝氣和智能曝氣在數(shù)據(jù)采集分析的實(shí)時(shí)性、準(zhǔn)確性方面還存在不足,需要更多的技術(shù)突破,風(fēng)機(jī)、閥門的實(shí)時(shí)精準(zhǔn)調(diào)控和氣量精準(zhǔn)分配等還需要更多的研究與突破。
3 結(jié)語(yǔ)
曝氣系統(tǒng)的節(jié)能是污水處理廠碳減排的關(guān)鍵。污水處理廠進(jìn)水負(fù)荷偏低是我國(guó)污水處理廠曝氣系統(tǒng)能耗偏高的主要原因。污水處理廠進(jìn)水負(fù)荷偏低容易導(dǎo)致過(guò)量曝氣,既浪費(fèi)電能,還導(dǎo)致電耗和藥耗的碳排放增加。曝氣系統(tǒng)能耗高的其他原因還包括曝氣設(shè)備老化低效、曝氣設(shè)備和推流攪拌設(shè)備配置不合理等。采用高效曝氣設(shè)備替換低效曝氣設(shè)備,利用底部微孔曝氣替代表面曝氣,運(yùn)用連續(xù)流間歇曝氣、精確曝氣等技術(shù)方法是實(shí)現(xiàn)污水處理廠曝氣系統(tǒng)節(jié)能降碳的有效手段。
參考文獻(xiàn)
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作者簡(jiǎn)介:崔丹丹(1980—),女,湖北鐘祥人,碩士,高級(jí)工程師。研究方向:生活污水處理理論與技術(shù)。
通信作者:尹華升(1979—),男,湖南隆回人,碩士,教授級(jí)高級(jí)工程師。研究方向:水污染防治理論與技術(shù)。