污水處理廠節能降耗措施探析

麥逢清 鄧洪秀

（廣東 廣州，510000）

1.概述

污水處理是一個世界性的難題，近年來，隨著全球經濟的迅速發展，污水處理廠的規模越來越大，因此產生能耗問題也越來越嚴峻。據統計，處理活性污泥的系統中，其運行成本但能耗成本就占到總成本的30%～80%。美國有官方數據表明：城鎮的污水處理廠所耗費的電能占全國總用電量的3%。其還有數據預測，由于人口的不斷增長與污物處理的標準越來越高，在未來的15～20年內，污水處理廠的能耗成本將增加20%以上。我國目前經濟發展迅速，城鎮化進程不斷推進，全國大部分的城鎮都增加了污水設施，在提升了污水處理率的同時，能耗率也隨之上升。在未來的幾年，為了適應經濟發展的需求，同時也響應國家的號召，污水處理的規模將會越來越大，使得全國范圍內的電力資源緊缺日益突出。因此，對污水處理廠的能耗管理和節能降耗措施進行研究，達到節能降耗的目標，這對我國的社會穩定與經濟發展都存在極其重要的意義。

2.污水處理廠的能耗分析

2.1 國外污水處理廠的能耗分析

西方發達國家比較早產生能源危機意識，這是有其歷史淵源的。從上個實際70年代開始，西方歐美等發達國家相繼爆發了能源危機，這個局面直接導致歐美等國發達國家在20世紀末能源價格開始飆升。鑒于此，在工業領域內最先由美國掀起了節能技術的研究。此后美國一直引領工業節能技術的潮流，包括對污水處理廠的節能技術研究。美國的污水研究人員曾對全國的公共污水處理設備進行了關于單元過程與單元操作的能耗情況的調查，并在做了一次詳盡的污水處理設備能耗分析報告。當時這次調查覆蓋了幾乎全部的城鎮污水處理的生物、物理和化學等方式，甚至對建筑物附屬的制冷、制暖等設備也進行了調查。在此基礎上，也詳盡計算了可回收利用的能量。此后，美國另外幾 位 研 究 人 員 E.J.Middlebrooks、C.H.Middlebrooks等根據Wesner的研究結果，估算了每個污水處理系統的最小能耗量。最后，在其分析報告中指出，隨著經濟規模的擴大以及能源價格的提升，每年用于污水處理的能耗開支將大幅度上升，而選擇低流量的污水處理工藝將作為節能能源開支的重要的手段。接著，另外兩名研究人員Roberts與Hagan通過分析處理100 mgd較具典型性的活性污泥污所需要的總能量，研究出了污水處理廠能源消耗的結構，并且首次提出對污水處理廠進行節能降耗，需要建立在資源管理與綜合平衡利用的基礎上，而不僅僅依靠節省能源的技術。

2.2 國內污水處理廠的能耗分析

在上個世紀七八十年代經濟剛剛復蘇的階段，我國的污水處理規模尚小，隨著改革開放的深入，各類型的工廠如雨后春筍，紛紛屹立在神州大地上，不可避免地產生了污水污染問題，隨著能源的消耗越老越多，國家不能不考慮對污水處理廠實施節能降耗的措施。但是，因為我國正處于經濟發展的上升階段，一直以來對此問題的重視程度不夠，相關的調查研究也較少。當前，我國城鎮污水處理廠處理污水普遍采用生物處理工藝。這種工藝以二級處理或者三級處理為主體，處理的內容通常包括污水、污染物的預處理、生化處理及污泥處理三個部分。而消耗的能源主要是燃料、藥劑和電能。

通過國內外許多污水處理廠的數據指出，污水的提升泵、污泥處理設備與曝氣系統是主要的耗能設備。從事排水工程的工程師羊壽生曾設計了一個試驗，對我國典型一級、二級污水處理廠各單元操作過程作了電能耗費估算，污水廠規模按25000m3Pd，二級處理廠的電能耗值為0.266kWhPm3，用處理單位體積污水的耗電量(kWhPm3)表示估算的結果。結果顯示，我國城市污水處理廠能耗主要用于污水、污泥的提升，生物處理的供氧，以及污泥處理這幾個工藝過程，其中在二級處理工藝中，污水提升泵的用電量在總用電量的10%～20%之間，污泥加熱設備的用電量占總用電量的10%～25%之間，而曝氣系統則占總用電量的50%～70%。三者用電量相加，高達總用電量的70%以上。所以，對污水處理廠進行節能降耗，重點在于降低污水提升泵、污泥處理設備以及曝氣系統的用電率，借此實現節能降耗的目標。

3.污水處理廠耗能現狀分析

隨著人民生活水平以及經濟水平的提高，國家不斷提高污水處理廠的水質，以滿足經濟生活的需求。現行的污水處理耗能標準達到0.15～0.28（kW·h）/m3污水，全國污水處理的成本開支平均為0.8元/m3，而且這樣的成本價格呈現上漲的趨勢。相關的部門面對如此高的污水處理成本，正想方設法利用新技術，結合各個地區的特點與各個處理廠的優勢，努力探明單元過程的能量需求(energy requirements)，做出污水處理廠的有效運轉和管理規劃，首先在污水處理廠的規劃、設計階段體現節能目的，然后通過選擇污水處理的適合工藝、設別和途徑進行節能降耗，國家法律部門加緊制定相關節能減排的規定，對不執行法律法規的個別單位進行嚴懲警告，切實際落實好污水處理廠的節能降耗工作，以維持國家經濟發展的可持續發展過程。

4.污水處理廠節能途徑與措施

4.1 污水處理廠能量利用審核

傳統的污水處理廠進行處理活動時，缺乏利用能量的具體方案和規劃，由此造成無節制的能源消耗，甚至能源浪費。針對此問題，相關部門對能量的使用進行審核管理，監督污水處理廠開始提前制定能量利用規劃，由管理部門作出審核結果。審核管理不但可以提供使污水處理廠正常運轉的數據，還能對污水處理廠的工藝選擇以及處理方案有一定的指導性。使用生命周期分析成本的辦法，對各單位的組件以及處理系統進行數據分析，并且優化其結構，以此滿足降低能耗的要求，節省成本；構建科學的能源利用審核程序和評估標準，用這套程序和標準對各廠的污水處理所需能量進行審核，同時要監督污水處理廠對設備進行維護，對于老舊、存在隱患的設備進行更新換代，對其設備的升級和更換提出建議和方案。通常審核能源利用的程序分為兩步：一是研究工程的可行性，包括處理方案的評估；初步的設計方案；項目的工作范圍、成本以及財務評價等；二是詳細的設計流程，包含施工、試營運、職業培訓、運正式行和維護等內容，正常營運一段時間后，依據運行能耗數據檢驗系統的效率和成本開支。這個審核的過程從工程的預備階段一直持續到工程運行后的維護、檢測階段，這樣可以明確具備節能降耗的單元。

4.2 選擇恰當的工藝

當前我國城鎮的污水處理廠采用最普遍的工藝是：傳統的活性污泥法 (ASP)、SBR法、AB法、A/O、氧化溝A2/O以及BAF等。在具體選擇哪一種工藝時，必須首先對以上這些工藝的特點進行思考，并且結合工程所在地區、氣溫、地形、電能價格、征地開支、處理廠的規模、出水的達標情況、原來水質情況、對污泥的處置情況等綜合思考，然后制定一套技術上有優勢、方便管理、成本較低，運行效度高，并且近期利益與遠期利益都能兼顧的工藝方案。這樣的方案可使污水處理的能耗降到最小值。

一般中小規模的污水處理廠適用SBR法和氧化溝，在節能降耗方面優勢較明顯；大型的污水處理廠則首選活性污泥法(ASP)，與此同時，還可以根據當地的實際情況，嘗試新的節能降耗工藝，例如綜合式曝氣系統的氧化溝工藝或厭氧處理辦法，處于土地資源豐富的中小城鎮還可考慮采用人工濕地處理方式，不但管理起來便捷，而且征地費用很低，還可以建構獨特的生態景觀區，從實際的工程案例來看，是可以達到一定的改善生態環境的作用。目前，我國成功建成的用于污水處理的人工濕地系統，它的成本投入只需要城市常規二級污水處理廠的十分之一，而運營開支為二分之一，甚至更少。例如深圳白泥坑人工濕地處理系統的運行開支只為傳統活性污泥法的十分之一。

4.3 排放物的資源化實現產出物節能

一般的污水處理廠其產出物為污泥、處理水、殘渣等，但是殘渣比較少，這方面也比較好處理；而污泥的產出量較大，在處理污泥上則存在一定的問題，其處理的過程和效果對整個污水處理的效果產生極大的影響。通常那些設計水量超過20×104m3/d的大型污水處理廠工程，其污泥的產量也是很大的。針對這種情況，可以采用厭氧消化的辦法對污泥集中處理；而對于中小型的污水處理廠，則可采用污泥濃縮脫水一體機進行處理，這樣能夠降低設備的占地面積，方便管理，有足夠的地方儲存污泥進行消化。擁有廣闊土地，也能夠用來讓污泥堆肥、干化床和種植植物等，以此來完善低成本的處理系統。浙江某大學的翁煥新教授提出了一種處理污泥的新技術，就是把排出的污泥制造成一種團粒，再依照一定的比例將其與黏土均勻拌合，利用污泥的熱值制作輕質節能磚。為了在厭氧消化的過程中產生更多的CH4，盡量對污水中的有機碳實行污泥消化，相比于傳統的通過外部能量將有機碳轉化為CO2這種方式更節約能源，同時減少曝氣環節而降低CO2的排放，實現減排的目標。通常BNR的工藝中，會使用一些反硝化除磷的菌種，這些菌種在進行脫氮除磷的過程中，可抑制消耗化學需氧量，而多出來的化學需氧量將會與污泥一起進行消化，然后轉化成CH4；對于污水處理過程中的出水，一般不直接排放，按照城鎮的用水需求，將其進行無害化處理，例如重復利用到農業灌溉、工業洗滌、市政工程、建筑工程等方面，這一方面降低了污水的排放率、節省了干凈水源；另一方面可以從中產生經濟效益，降低污水廠的投資成本，實現可持續發展戰略。

4.4 采用高效的節能裝置

前面提到污水處理廠各個環節的能耗費用相加高達70%以上，所以對設備進行節能降耗改良式勢在必行的。污水處理廠的主要耗能設備是污水提升泵、污泥加熱設備和曝氣系統。其中污水提升泵的用電量在總用電量的10%～20%之間，污泥加熱設備的用電量在總用電量的10%～25%之間，而曝氣系統則占總用電量的50%～70%。三者用電量相加，高達總用電量的70%以上。所以，對污水處理廠進行節能降耗，重點在于降低污水提升泵、污泥處理設備以及曝氣系統的用電率，借此實現節能降耗的目標。

4.4.1 污水提升泵的組成設施包括首次提升泵、污泥回流泵、剩余污泥泵、內回流泵和出水提升泵。目前針對節能需求，污水處理廠大多采用從國外進口的高效潛污泵，其工作效率高達80%以上，而且用電量比較低。水泵的有效功率為Ne=rQH，當r、Q一定時，Ne和H成正比，由此看出，降低水泵的揚程可以節能降耗。

具體通過降低水泵揚程進行節能降耗的辦法有：（1）根據污水處理廠設計規模的工程量明確提水泵的類型和數量，而且質量上要選擇流量和揚程都要達到安全生產標準的。這種高效的潛污泵相比普通的離心泵，更便于安裝，而且因為比普通離心泵少了輔助啟動的設備和吸水竹，總耗能也較之低很多。（2）科學設置液位控制。由于提水泵的耗電量與其揚程是成正比的，也就是說，揚程高，耗電量也大。因此科學合理地設置液位，盡可能利用竹網的高水位，就能減揚程，實現泵站節能。

4.4.2 在出水處理的設備中，曝氣池是廠區內最大的耗能物，要在此環節實現節能降耗，關鍵要選用氧轉移率相對較高的曝氣裝置。進口的硅橡膠管膜式微孔曝氣器長度為750mm，出氣量為8m3/(m.h)，氧利用率為23%，輸氧動力效率2.5=3.5kg/(kW.h)。與傳統曝氣器比較，這種新型的曝氣器具備氧利用率高、布氣均勻、動力效率高以及壽命長等優勢，能夠極大地降低了能耗。

4.4.3 傳統的多級低速離心鼓風機效率大概在60%，而進口的單級高速離心鼓風機效率大都在80%以上，由此看來，選用進口單級的高速離心鼓風機要比傳統的多級低速離心鼓風機更節能。而且進口的單級高速離心鼓風機可以根據好氧池中混合液溶解氧濃度的變化，自動調節進風日導向葉片角度，從而改變出風量的大小，利于節能。

4.4.4 對曝氣設備的供氧量進行自動調節。通過鼓風機對系統進行自動控制，由溶解氧探測儀對空氣電動蝶閥自行調節，借此控制鼓風機的風量。風量得到控制，好氧的出水DO就可控制在2.0mg/的水平。一般認為自動DO控制是控制曝氣系統運行的最好措施，因為它能解決曝氣過少或者過度的問題，這樣就能對曝氣設備的能耗量進行控制。通常采用自動控制的曝氣設備可以節能超過25%。

4.5 無害高效的藥劑實現原料節能

在眾多的水處理藥劑中，例如殺菌劑、凝聚劑、緩蝕劑、消泡劑、阻垢劑、脫色劑、清洗劑以及絮凝劑等，大部分都是化學方法合成的有機高分子體。目前我國生產水處理藥劑的廠家有230家，品種超過100個，平均年總產量達20萬噸。在選擇藥劑的品種和用量時，要根據所要處理污水、污染物的濃度、酸堿值、性質、溫度以及雜質等因素而定，與此同時，還要考慮到藥劑的高效性、經濟成本及其使用時是否會產生二次污染等，力求用最經濟的價值獲取最高效的效益。比如在使用膠體顆粒處理污水時，混合利用有機混凝劑和無機混凝劑，該藥劑并用模式能夠將污泥的含水量降到最低，還能提升污泥的脫水性能，這樣不但能節約藥劑用量，還能提高混凝的效果，同時其投入成本大大降低；調整污泥性能的過程中，可考慮加入PAM和氯化物，但是要注意會不會產生二次污染現象。因為PAM在使用時，會產生聚合單體丙烯酰胺，這是一種強致癌物。運用氯化物去除磷，雖然效率很高可是，需要投入比較高的費用，還會在池子和管道設備生成硬狀結垢，給后面的處理工作帶來不便，增加了人工費用和設備費用，與節能降耗目標不相符。雖然當前我國污水處理廠使用的有機絮凝劑與無機凝聚劑都是比較經濟又便捷的材料，但在處理污水的過程中，存在著耗能高的問題。專門針對節能目的研究的生物絮凝劑，彌補了傳統藥劑的缺陷。

結語

綜上所述，我國污水處理廠的節能降耗工作取得一定的進展，但是在該領域內，最大程度地節能降耗目標尚未能達到，還需要相關專業人員進一步研究，努力的重點方向如下：化工熱力學、生物熱力學、及能源工程學與污水處理領域基礎學科，建構一個較完善的研究體系，從根本上解決水處理能量研究滯后于實踐活動的問題，獲取科學的、可靠的處理工藝能耗能效的分析評價方法，推動各類研究成果的全面應用。

[1]黃偉.污水處理廠節能降耗的有效措施[J].河南化工，2002（01）.

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