城鎮(zhèn)污水處理廠節(jié)能技術(shù)分析

摘要：污水處理廠應(yīng)不斷更新污水處理設(shè)備，引進(jìn)先進(jìn)節(jié)能技術(shù)，由此提高污水處理能力，強(qiáng)化節(jié)能降耗效果，推動行業(yè)可持續(xù)發(fā)展。基于此，從污水處理廠運(yùn)行現(xiàn)狀和問題入手，介紹節(jié)能技術(shù)的創(chuàng)新應(yīng)用措施，如改良曝氣控制系統(tǒng)、提高污水處理廠中能量回收率、應(yīng)用碳源投加技術(shù)等，使城鎮(zhèn)污水處理廠取得良好的節(jié)能效益，實(shí)現(xiàn)綠色穩(wěn)健發(fā)展。

關(guān)鍵詞：污水處理；節(jié)能技術(shù)；應(yīng)用措施；低碳環(huán)保

中圖分類號：X703 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1008-9500（2024）10-0-03

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Analysis of Energy-Saving Technology of Urban Sewage Treatment Plant

CAO Yixian

（Shenzhen Pingshan District Deep Water Environment Co.， Ltd.， Shenzhen 518118， China）

Abstract： Wastewater treatment plants should continuously update their sewage treatment equipment， introduce advanced energy-saving technologies， thereby enhancing their sewage treatment capacity， strengthening their energy-saving and consumption reducing effects， and promoting sustainable development of the industry. Based on this， starting from the current operation status and problems of sewage treatment plants， the innovative application measures of energy-saving technology are introduced， such as improving the aeration control system， increasing the energy recovery rate in sewage treatment plants， applying carbon source addition technology， etc.， to achieve good energy-saving benefits of urban sewage treatment plants and achieve green and stable development.

Keywords： sewage treatment; energy saving technology; application measures; low carbon environmental protection

當(dāng)前，國內(nèi)經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展，與生態(tài)環(huán)境間的矛盾日益尖銳，加之人們環(huán)保意識逐漸提升，節(jié)能減排已經(jīng)受到社會各界的關(guān)注。其中，城鎮(zhèn)生產(chǎn)生活污水排放量逐漸增加，污水處理廠的工作量不斷加大。但是，部分處理廠管理較為傳統(tǒng)粗放，導(dǎo)致污水處理費(fèi)用較高、能耗巨大，不但壓縮自身的利益空間，還會抑制自身發(fā)展。因此，污水處理廠應(yīng)積極尋找出水水質(zhì)和節(jié)能減排間的平衡點(diǎn)，不斷引入光伏發(fā)電、熱泵回收、中溫厭氧消化等技術(shù)，促進(jìn)熱能、水能、化學(xué)能的回收利用，并大力建設(shè)“光伏+污水處理廠”項目，推進(jìn)排水設(shè)施減污降碳協(xié)同增效。

1 污水處理廠的運(yùn)行現(xiàn)狀

目前，城市化進(jìn)程不斷加快，工業(yè)廢水和生活污水量逐年增加，如何對其進(jìn)行科學(xué)處理成為人們面臨的主要問題。在此背景下，對污水處理廠的處理效率提出較高要求，需要在提升水質(zhì)的同時能夠節(jié)能減排，促進(jìn)經(jīng)濟(jì)與環(huán)境效益的共同發(fā)展。在污水處理的總運(yùn)行成本中，能耗成本占比較高，為40%左右，且能耗量仍在逐年提升，幾乎超出污水處理廠的承受范圍。為達(dá)到高質(zhì)量的出水水質(zhì)要求，能源消耗產(chǎn)生的二氧化碳數(shù)量逐漸增加，很難實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)。從整體上看，國內(nèi)污水處理廠的能耗現(xiàn)狀不夠樂觀，實(shí)施節(jié)能減排措施成為大勢所趨。受思想意識、技術(shù)和資金等多種因素影響，國內(nèi)污水處理廠普遍沿用粗放管理模式，存在以下突出問題。一是污水處理成本較高，經(jīng)濟(jì)效益較低；二是能耗較大，產(chǎn)生的污泥和二氧化碳較多，嚴(yán)重抑制污水處理廠的規(guī)模壯大和可持續(xù)發(fā)展。對此，污水處理廠應(yīng)立足實(shí)際，積極制定節(jié)能減排方案，引入先進(jìn)的節(jié)能技術(shù)，在確保出水水質(zhì)達(dá)標(biāo)的前提下，最大限度減少能源消耗，促進(jìn)經(jīng)濟(jì)效益提升，取得良好的環(huán)保效益，實(shí)現(xiàn)綠色穩(wěn)健

發(fā)展[1]。

2 污水處理廠節(jié)能技術(shù)的創(chuàng)新應(yīng)用

2.1 改良曝氣控制系統(tǒng)

在污水處理廠運(yùn)行中，能源消耗是重要的成本支出，通過降低能源采購量、革新優(yōu)化污水處理技術(shù)的方式，可達(dá)到降本增效的目標(biāo)。目前，城鎮(zhèn)污水處理廠多采用氧處理技術(shù)進(jìn)行污水有機(jī)物降解，利用曝氣工藝向污水中注入氧氣，促進(jìn)混合液中有機(jī)物和微生物的充分反應(yīng)，達(dá)到降解目標(biāo)。但曝氣系統(tǒng)運(yùn)行中，需要大量電能進(jìn)行驅(qū)動，能源消耗量較高。因此，需要改良曝氣控制系統(tǒng)來達(dá)到節(jié)能效果，措施如下。一是綜合分析曝氣設(shè)備調(diào)節(jié)和氧氣供給能力。合理設(shè)定污水處理廠的曝氣效率、曝氣設(shè)備規(guī)模等，并以曝氣設(shè)備和氧氣供給能力調(diào)節(jié)為重點(diǎn)，選擇與污水處理要求充分適應(yīng)的曝氣設(shè)備，由此提高曝氣節(jié)能效果。二是合理控制曝氣系統(tǒng)規(guī)模。污水處理廠設(shè)計時，應(yīng)以每日、每小時的高峰期需氧量為依據(jù)，科學(xué)設(shè)定曝氣系統(tǒng)的規(guī)模。在投入使用后，還要靈活控制，確保在缺氧狀態(tài)下活性污泥仍可正常運(yùn)行一段時間，以免影響水質(zhì)。三是加大風(fēng)量控制力度。處理廠風(fēng)量多以氣閥控制和調(diào)節(jié)為依據(jù)，在設(shè)計階段應(yīng)正確選擇設(shè)備類型，建議使用帶有變頻調(diào)速功能的系統(tǒng)，可根據(jù)實(shí)際情況靈活控制風(fēng)量，減少運(yùn)行能耗[2]。

2.2 提高污水處理廠中能量回收率

2.2.1 廢水熱能回收

廢水多源于淋浴、工業(yè)廠房、洗衣機(jī)等，與以往地下水、室外空氣等來源相比溫度較高。相關(guān)調(diào)查表明，廢水中每10 K溫差便有41.9 MJ/m3的可用熱能，將其回收后可用于區(qū)域供暖或者低溫污泥干化等，滿足不同領(lǐng)域的供熱需求。以熱泵回收工藝為例，其原理是借助少量的電力，從污水中提取熱能，實(shí)現(xiàn)污水低位熱能轉(zhuǎn)換，為建筑物提供溫暖。污水中熱能被提取后，需要進(jìn)一步提高溫度以滿足供熱需求，可發(fā)揮熱泵的作用，接收源于熱交換器的中度加熱流體，借助電力提高溫度，以管網(wǎng)輸送到居民區(qū)，為用戶提供熱量支持。

2.2.2 化學(xué)能回收

污水中熱能主要存儲在有機(jī)化學(xué)品中，在生化期間，有機(jī)物化學(xué)能發(fā)生改變，以生物質(zhì)能的形式存在，可采用中溫厭氧消化工藝進(jìn)行處理。其原理是在35 ℃左右時，厭氧微生物得以快速生長，將有機(jī)物轉(zhuǎn)化為甲烷、二氧化碳等可被收集和利用的氣體。其中，甲烷作為燃料，經(jīng)過回收改良后可作為天然氣的替代品，用于發(fā)電或供熱，達(dá)到良好的節(jié)能效果。部分污水處理廠規(guī)模較大，處理量超過22 000 m3/d，應(yīng)優(yōu)先選用厭氧消化裝置，提取農(nóng)業(yè)廢棄物、高濃度有機(jī)廢水、剩余污泥等有機(jī)廢物中的能量，可有效減少化石燃料的應(yīng)用，節(jié)能降本，還可產(chǎn)生生物能源，降低全球升溫潛能值，緩解全球氣候變化。

2.2.3 水能回收

在污水處理廠設(shè)計水力發(fā)電時，應(yīng)綜合分析水頭壓力和出口流量等基本參數(shù)，改造尾水排放系統(tǒng)進(jìn)行技術(shù)，在出口處安裝水輪機(jī)，利用經(jīng)處理達(dá)標(biāo)后的尾水驅(qū)動水輪機(jī)發(fā)電，從而實(shí)現(xiàn)尾水資源再利用、能源回收的目標(biāo)。在實(shí)施過程中，首先，根據(jù)污水處理廠的實(shí)際情況，合理選擇水輪機(jī)的類型，找到最佳安裝點(diǎn)位，確保尾水動能得到充分利用；其次，優(yōu)化管道和水流系統(tǒng)，確保尾水能夠以適當(dāng)?shù)牧魉俸头较?，?qū)動水輪機(jī)高效運(yùn)行；最后，監(jiān)測系統(tǒng)能耗和發(fā)電量，評價系統(tǒng)的整體能耗，分析改造后的節(jié)能效果。以某污水處理廠為例，采用“污水廠+小水電”的運(yùn)行模式，對原尾水排放管改造處理后，利用達(dá)標(biāo)的尾水發(fā)電，真正做到尾水資源的循環(huán)利用。污水處理廠平均發(fā)電量為1 950（kW·h）/d，占其每日用電量的15%左右，節(jié)能改造效果較為理想。該案例可為污水處理綠色發(fā)展提供借鑒[3]。

2.3 碳源投加技術(shù)的應(yīng)用

2.3.1 碳源投入量對處理效果的影響

碳源投加技術(shù)原理是采用外部有機(jī)碳源促進(jìn)微生物代謝、細(xì)胞生長，達(dá)到污染物快速高效降解的效果。其中，碳源投入量對污水處理效果具有較大影響。為檢驗碳源量投入過多或投入不足對前置反硝化段的最后出水影響，開展以下投加試驗。在原投藥模式應(yīng)用中，控制第一缺氧段的加藥量，以720 L/h為初始值，逐漸減少加藥量，每日檢測2組數(shù)據(jù)，持續(xù)2～3 d后調(diào)整一次藥量，利用經(jīng)驗公式計算每次的碳源加入量，由多至少，直至低于計算投藥量，密切觀察出水硝氮的實(shí)時變化。根據(jù)結(jié)果可知，當(dāng)實(shí)際添加量低于計算值時，前置反硝化段的出水指標(biāo)會明顯提升，反之則出水硝氮降低幅度不顯著。除碳源加入量之外，前置缺氧出水硝氮還受厭氧出水硝氮的影響，實(shí)際加藥量應(yīng)綜合分析厭氧段出口硝氮、前置好氧末端硝氮、缺氧段末端硝氮等多個控制值，才可確保碳源投入量適中，取得最佳污水處理效果[4]。

2.3.2 多點(diǎn)投加方案的確定

對于總氮（Total Nitrogen，TN）含量不超過15 mg/L

的情況，單獨(dú)在前反硝化段加入碳源便可滿足污水處理要求。但在總氮含量較高的情況下，受前置和后置缺氧段脫氮、去除能力的影響，單純投加碳源難以滿足預(yù)期要求。這便需要采用多點(diǎn)投加方案，使兩個反硝化池的碳源效率均處于最高狀態(tài)。在試驗中，可尋找前置的硝氮指標(biāo)拐點(diǎn)，明確反硝化池中硝氮去除率明顯降低的節(jié)點(diǎn)，同時是碳源投入率的轉(zhuǎn)折點(diǎn)。后續(xù)如果投入量過高，將會影響利用率提升，還會使得好氧段的溶解氧需求不斷增加。根據(jù)上述研究結(jié)果，制定最佳碳源多點(diǎn)投入方案，決定在前置缺氧、好氧段分別安裝檢測儀表，將1號加藥點(diǎn)位設(shè)置在第一缺氧段的入口，將該段硝氮指標(biāo)控制在1.0～1.5 mg/L，并根據(jù)水質(zhì)和檢測數(shù)值靈活調(diào)整；將2號點(diǎn)位設(shè)置在第二缺氧段的入口，將1號加藥點(diǎn)位的硝氮數(shù)據(jù)和標(biāo)準(zhǔn)值的偏差為依據(jù)，合理投入藥量，并預(yù)留余量避免進(jìn)水水質(zhì)突然改變。該投加方案依照檢測儀表的結(jié)果靈活控制加藥量，使每段反硝化均可高效開展，以確保出水水質(zhì)達(dá)標(biāo)，節(jié)約碳源[5]。

2.3.3 節(jié)能效果分析

按照上述優(yōu)化后的方案創(chuàng)建精確加藥系統(tǒng)，利用可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）控制自動流量反饋，評價節(jié)能效果。選擇具有代表性的污水處理廠，采集2023年5—6月的運(yùn)行數(shù)據(jù)，評估該系統(tǒng)投入使用后的成本節(jié)約情況，對1年內(nèi)單池運(yùn)行成本節(jié)約成果進(jìn)行預(yù)算。根據(jù)結(jié)果可知，在自動投藥模式實(shí)施后，單池運(yùn)行成本可節(jié)約215.8萬元，

由于該處理廠的剩余兩座曝氣池也可優(yōu)化改良，按照總進(jìn)水量計算，每年可節(jié)約成本為359.4萬元。

3 結(jié)論

在城鎮(zhèn)化深入推進(jìn)的背景下，污水處理廠引入節(jié)能減排技術(shù)符合可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略要求，對自身綠色長久發(fā)展具有重要意義。對此，相關(guān)人員必須深刻意識到污水能耗問題的嚴(yán)峻性，并積極選擇科學(xué)高效的改良技術(shù)，優(yōu)化現(xiàn)有污水處理設(shè)備、系統(tǒng)、工藝等。在光伏發(fā)電、熱泵回收工藝、中溫厭氧消化工藝等先進(jìn)技術(shù)的支持下，污水處理廠對能源消耗和運(yùn)行成本進(jìn)行雙向管理，確保出水水質(zhì)符合相關(guān)要求，并依靠清潔能源替代傳統(tǒng)能源，提高能源利用率，減少有害氣體排放，真正達(dá)到降本增效的目標(biāo)，取得理想的經(jīng)濟(jì)和環(huán)保效益。

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