城市污水處理工藝及節能研究

文_石夢童 中國航空規劃設計研究總院有限公司

1 城市污水處理工藝及其耗能

城市污水的處理方法多種多樣，具體使用哪種工藝進行處理主要取決于污水的水質、污水量、以及受納水體性狀等具體情況，因此在對污水進行處理前有必要對污水的水質特征等進行詳細分析了解，綜合分析后優選適合的處理工藝。目前常見的城市污水處理方法主要有厭氧好氧法、序批式活性污泥法、氧化溝以及生物脫氮除磷法幾種形式。

1.1 厭氧好氧工藝（AO）

AO法是一種生化污水處理法，通常用于大型或中型規模的污水處理廠的生活污水處理，它是一種將好氧和缺氧相結合的處理工藝（如圖1所示），經此法處理后的生活污水其大部分的有機物及氨氮等物質可被去除，缺氧池布置在工藝系統首段，污水進入在厭氧菌作用下，其中的碳水化合物、淀粉等大分子懸浮物被降解為可溶性的小分子，同時將脂肪轉化為氨氣或NH4+。

圖1 厭氧好氧工藝系統流程圖

被處理后的污水隨后進入好氧池，在好氧菌作用下氧化其中的氨為NO3-，借助污泥回流在缺氧環境中發證反硝化反應最終生成氮氣。通過對工藝的分析其主要耗能處是工藝中使用的潛污泵以及在好氧池中使用了用于充氮氣的風機，還有反沖洗泵和污泥的提氣設備。

1.2 生物脫氮除磷工藝

此工藝在好氧、厭氧和缺氧三個反應環境條件下共同完成，工藝分為脫氮和除磷兩個任務，污水首先進入厭氧池，與在二沉池中回流的污泥相混合，厭氧菌在池中使得混合物中的磷施放，為好氧段中聚磷菌的吸磷做準備，隨后污水在好氧池其中的磷含量在聚磷菌的大量消耗下急速下降。而污水在好氧池中在硝化菌、亞消化菌作用下發生硝化反應，此時氨氮轉化為硝態或亞硝態氮，后污水回流至缺氧池發生反硝化反應生成氮氣釋放到自然界完成污水脫氮。同時污水中的有機物也在好氧池中被分解。工藝流程如圖2所示。

圖2 生物脫氮除磷工藝系統流程圖

經調查發現此工藝的耗能處主要是鼓風機為好氧菌和缺氧菌提供氧氣促進其生長繁殖，運行過程中產生的能耗占全系統的3/4，其次是回流泵將污水污泥進行池間循環消耗的能量。

1.3 氧化溝工藝

氧化溝是最早使用的污水處理法，此法主要借助大量曝氣裝置對生活污水邊攪拌邊曝氣，在攪拌和曝氣的雙重作用下使得污水與活性污泥充分混合，推動混合液呈現連續流動，活性污泥中微生物得以以污水中的有機物及氨氮等物質為養分，并將其分解去除。氧化溝是環形的封閉溝渠，其中設置能夠產生微小氣泡的微孔曝氣設施，小氣泡能夠加強污水與微生物的接觸加快反應，去除污水中的氮磷及有機物，工藝系統如圖3所示。

圖3 氧化溝工藝系統流程圖

此工藝的高耗能處是曝氣裝置，工藝主要依靠攪拌及曝氣提供推動力，每段溝渠中都需要設置曝氣設備為污水充氧，各級溝渠的溶解氧按照一定梯度設置，其次高耗能的是污水攪拌裝置。

1.4 序批式活性污泥工藝

在傳統活性污泥處理法基礎上稍加改進則得到SBR工藝，在污水水量變化較大并且需要間歇出水時可使用此處理工藝，利用間歇曝氣進行污水處理的常規處理法，主要包括反應、沉淀和最后的出水幾個階段，流程如圖4所示。污水走過整個工藝流程作為一個反應周期，在完成一個周期后再循環往復進行污水處理，用以完成進水的水量變化間歇式處理，此工藝特點在于各反應階段均在同一反應池內完成，不再單獨設立獨立反應池。生化反應池中設置攪拌、曝氣裝置以及反應后的處理水靜置區，攪拌和曝氣的結合相當于好氧-厭氧處理。

圖4 序批式活性污泥工藝流程圖

此工藝的高耗能處是混合攪拌設備，其次耗能較高的是為系統提供氧氣的鼓風設備以及潷水器，潷水器是SBR工藝中最為重要的裝置之一，此裝置用于將處理后的澄清水在不攪動池底沉淀的情況下排除，保證出水的水質符合要求。

2 城市污水處理工藝、設備耗能

以某市的污水處理廠水處理工藝為研究對象，分析工藝設備耗能情況。其主要采用經過優化的生物脫氮除磷污水處理工藝（如圖5所示），主要包含污水格柵、沉沙預處理、優化脫氮除磷處理、深化處理（消毒）以及污泥濃縮脫水處理。處理工藝能耗包括瞬時加料和后期設備不間斷運行兩部分，由于工藝中的生化反應需要提供連續的曝氣環境，為微生物的繁殖生長以及與污水的混合提供條件，因此結合調查發現曝氣設施是耗能最高的部分，占總工藝耗能的一般以上。其次耗能較高的是格柵及沉沙等預處理機械設施，占總能耗的1/4。最后的污泥處理設施由于其處于工藝后部，處理泥量相對較少且可間歇運行，因此耗能量最少，包括污泥的壓濾濃縮設備等。

圖5 優化后生物脫氮除磷工藝流程圖

耗能最高的生化反應段采用主要設備有鼓風機、回流泵以及推流器，推流器是為污水提供推動力促進污水與微生物混合循環發生硝化反應、脫氮除磷、降解有機污染物。回流泵應選用揚程低而流量大的設備循環輸送污水混合物。風機是三種設備中能耗最高的設備，因為其主要負責為污水曝氣提供氧氣長期不間斷運行。預處理階段的進水泵是此部分耗能最高的設備，間歇運行的格柵設施耗能較小。污泥處理中的濃縮脫水設備耗能較高，而污泥的輸送設備能耗次之。加料設備的能耗較小因其多處于瞬時或間歇運行的狀態。

3 節能降耗舉措分析

污水處理節能降耗的方式主要可以從工藝設計以及設備選擇兩方面進行優化，盡可能結合污水水質等實際情況進行工藝優化設計，選擇低耗能的工藝，在設備設施的方位布置方面做到合理布置盡可能縮短相關設備間距離節省能耗。在設備的選型中對必要的高耗能設備需要做詳盡的性能、能耗、類型等綜合對比，選擇最優設備。

根據該污水廠的實際情況，在確保連續穩定且安全運行條件下，優化處理工藝降耗節能的同時達到出水水質標準.首先可尋求提高處理工藝的技術實施水準以及制定完善的管理制度，在各項投入成本，例如物料及水資源的投加、設備的能耗、人工操作、維修養護等方面施行嚴格控制。然后依照需處理污水量、水質合理安排處理工藝參數及設備的運行，除上述兩者外污泥的回流比以及污泥齡同樣會對污水的除磷產生一定影響，因此可通過控制污泥齡在一定數值，適當降低回流比，不囤積污泥，及時脫水降低污泥回流。最后利用先進的控制系統，設定各設備的加料量及物料在各反應池中停留時間參數，實現處理工藝的自動優化運行，在達到最佳出水水質的條件下控制能耗。

污水處理工藝中離不開各種泵的加入，該污水廠中共有4臺污水提升泵，已經過長時間運行老化，生產效率趨于低效，因此需要對幾臺泵進行工況、能耗分析，核算發現幾臺泵的能耗較嚴重，且最初的設備選型存在缺陷，需根據實際工況進行重新選取。在不便更換新泵設備條件下還可以只更換其中的葉輪等重要部件，因為每種型號泵設備都有幾種葉輪型號適配，根據葉輪不同其泵的養成以及流量有所變化，因此可以綜合考慮泵性能后尋求適合的葉輪進行匹配，盡量使泵在高效區運行。另外，還可以為水泵添加變頻器，通過變頻器降低葉輪轉速來調節泵的揚程，使其在較低的揚程、轉速下達到高效工作區；曝氣設備在處理水量較大時往往負荷過大，再加上安裝時不夠牢固因此運行時不穩定有震蕩，長此以往極易造成磨損，在氧化溝工藝中使用大量轉碟式曝氣機，造成能耗很大，因此可將其更換為鼓風式的曝氣系統以降低能耗；污泥脫水系統的最優節能方式是采用帶式的濃縮和脫水一體機以及螺桿輸送泵，并對設備做日常保養和定期維修，對設備的傳動部件進行密封保護、定期更換刮泥部件等，降低設備的故障保率，證其在高效工作范圍內運行增強其使用壽命。

4 結語

通過對某污水處理廠水處理工藝的調查與研究，找到該工藝系統能耗缺陷，并從優化工藝條件以及設備選取等方面進行節能降耗改造。通過前述調查研究發現該污水處理工藝中能耗最高的是生化處理階段，其次是預處理部分和污泥的處理也是整個工藝的節能降耗關鍵；調查發現三個處理階段中耗能較高的分別是水泵、鼓風機以及脫水設備，也是節能關鍵設備。因此，結合當地污水水質、水量以及處理工藝自身參數及運行特點對工藝進行優化，充分結合先進的自動化控制技術，調整污泥齡、設備的動作時間等重要控制參數，實現生化處理工藝的優化，達到最優污水處理效果的同時完成節能降耗運行。