一種新型一體化節能污水處理系統的設計研究

劉庭卓，王 爽，孫 敬，趙欽歡，劉蕓滋，張 穎，景愛國，張哲瑞

（河北環境工程學院，河北 秦皇島 066102）

目前，污水生化處理工藝都為組合工藝，即在污水生化處理中采用動能設備，利用水泵或攪拌機的方式滿足污水循環和攪拌要求，這樣就造成污水生化處理過程中的能源浪費，使污水處理成本升高。本設計在降低污水處理能耗、改善水質、提升城市品位等方面具有促進功能，有利于生態環境保護和經濟可持續發展。

1 具體設計方案

1.1 基本處理流程

設計的目的是通過回流與攪拌方式的創新，減少AO（厭氧好氧）池在運行過程中的能源消耗，在保證污水處理量和處理效果的前提下實現降低能耗、節省空間的目的。為了達到以上效果，要在A（厭氧）池氣體攪拌、O（好氧）池混合液回流、二沉池污泥回流三個耗能方面進行改進。首先通過布水器高壓噴水攪拌的方式代替電力攪拌機的攪拌，降低污泥混合所需能耗，攪動液體；然后對沉淀池與O 池的結構進行優化，沉淀池的污泥無動力回流，減少能耗；最后在O 池與A 池之間設置氣提泵，實現微動力混合液循環，減少能耗。

1.2 新型處理系統的技術優勢

針對以上需求，要結合實際生產情況進行優化設計。在進水端利用進水泵連接布水器進行高壓進水并攪動液體，防止池內懸浮體下沉，在快速進水的同時，減少攪拌器等耗能設備的使用，保證池內有機物與微生物、溶解氧的充分接觸，對污水中有機物進行氧化分解。在上層池設計回流斜坡（坡度45°），使沉淀池底部的污泥通過重力作用重新回流到O 池底部，以此代替傳統的污泥泵回流，增加活性污泥利用率，減少傳統AO 池運送活性污泥的大量能耗。由于該設計AO 池采用立體化放置，污水在AO 池的循環往復處理過程中需要多次抽提至上層水池，故專門設計了氣力提升裝置。在AO 池間設置曝氣提升管，將羅茨風機鼓風作為氣力提升裝置的動力，僅需要少量壓力空氣，即可代替傳統AO 池污水循環過程的電力輸送泵，耗電量大幅降低，輸送過程還可對污水進行曝氣處理。

2 理論設計計算

該污水處理系統的設計處理能力為生活污水100 t/d （根據實際要求，選處理量為5 t/h 的設備），進水水質為一般生活污水。經該系統處理后，出水水質達到《農村生活污水排放標準》（DB 13/2171—2020），如表1 所示。

表1 出水水質要求

所有設計參數按照同一條件（進出水質相同，每天處理生活污水100 t）進行設計，以便進行能耗比對，具體參數如表2 至表6 所示。

2.1 AO 池參數對比

傳統AO 池設計中，日進水量為100 t，流量為 4.16 m/h。傳統AO 池設計的主要參數與設備型號如表2 所示，改進前池容情況如表3 所示。其中，A池水下攪拌器按照A 池長、寬、高，查《水下攪拌器選型手冊》確定；污泥回流泵按照進水流量（100%）進行選型，揚程選擇＞3 m，查《管道排污泵選型手冊》確定；混合液回流泵按照進水量（200%）進行選型，揚程選擇＞3 m，查《管道排污泵選型手冊》 確定。

表2 傳統AO 池設計的主要參數與設備型號

表3 改進前池容情況

改進后，AO 池日進水量和流量保持不變，好氧池采用氣提回流方式。改進型AO 池的鼓風機型號為SSR50，風量為1.28 m/min，風壓為29.4 kPa，功率為 1.5 kW。改進后池容情況如表4 所示。

表4 改進后池容情況

2.2 機電能耗

改進前機電能耗情況如表5 所示。4 種機電設備每天連續24 h 運行，經計算，每天運行總耗電量為141.6 kW·h。改進后機電能耗情況如表6 所示。羅茨風機每天連續24 h 運行，經計算，每天運行總耗電量為36 kW·h。

表5 改進前機電能耗

表6 改進后機電能耗

3 節能效益分析

改進后的污水處理系統創新性地將處理池的結構設計成上下一體化形式，通過用一泵代替多泵、一池代替多池的結構，大幅降低了污水處理過程的能源消耗、碳排放量，同時減小了占地面積。本設計主要適合投放于鄉鎮污水處理系統。

截至2019年底，全國共有建制鄉鎮（包括民族鄉、蘇木、民族蘇木）30 234 個，按照一鄉（鎮）一個污水處理站，按舊池平均每組污水處理設備的功率141.6 kW、新池36 kW 的條件來計算，每年全國可節省的能源總量為：30 234×（141.6-36）×365=1 165 339 296 kW·h。由此可見，本設計每年可以減少約11.65 億kW·h 的耗電量，相當于我國目前建成規模最大、吸熱塔最高——被稱為“超級鏡子發電站”的首航高科敦煌100 MW 熔鹽塔式光熱電站兩年多的設計發電量，每年可減排二氧化碳35 萬t。

4 工作原理及性能分析

4.1 傳統AO 工藝

如圖1 所示，傳統AO 工藝將前段厭氧段和后段好氧段串聯在一起，A 段就是厭氧段，主要用于脫氮；O 段就是好氧段,主要用于去除水中的有機物。A 段溶解氧（DO）不大于0.2 mg/L，O 段DO 介于2 ～4 mg/L。

圖1 改進前傳統AO 工藝

在厭氧段，異養菌將污水中的淀粉、纖維、碳水化合物等懸浮污染物和可溶性有機物水解為有機酸，使大分子有機物分解為小分子有機物，將不溶性的有機物轉化成可溶性有機物。當這些厭氧水解的產物進入好氧池進行好氧處理時，在充氧條件下，活性污泥中的微生物進行有氧呼吸和生長繁殖，把有機物分解成無機物，實現有機物的去除。在厭氧段，異養菌將蛋白質、脂肪等污染物進行氨化（有機鏈上的N 或氨基酸中的氨基）而游離出氨（NH-N、NH），在充足供氧條件下，自養菌的硝化作用將NH-N（NH）氧化為NO，其通過回流控制返回至A 池，在厭氧條件下，異氧菌的反硝化作用將NO還原為分子態氮（N），完成C、N、O 在生態中的循環，實現污水無害化處理。

4.2 改良AO 工藝

如圖2 所示，新型節能污水處理池分為上下兩層，上層為O 池、沉淀池，上層右側設一斜面（坡度40°），呈倒梯形；下層為A 池，通過進水泵及布水器高壓噴水進污水，并攪拌活性污泥，使其與污水充分混合形成泥水。

圖2 改進后新型AO 工藝

泥水通過A 池左側上方管道到達上層O 池，然后進行處理，同時在O 池上部設有擋板，防止污泥加速老化。在O 池末端設置曝氣提升裝置，該裝置將混合液提升，然后利用溢流管道使O 池的混合液通過液位差自流到A 池，實現循環液、混合液的循環。

5 技術優勢

相比傳統AO 工藝，改進后的工藝將O 池、沉淀池置于A 池之上（見圖3），大大減少了占地面積，簡化了結構和工藝；A 池采用布水器高壓進水，通過布水器上的微孔進行高壓噴水，在高速進水的同時，起到攪拌作用，取代傳統的（攪拌器+進水管）的方式，降低了能耗（見圖4）；在O 池、沉淀池中加入活性污泥，利用斜擋板達到污泥自回流的效果（見圖5），在污水處理過程中，活性污泥多次利用，減少了污泥消耗量，省去了部分流程（傳統工藝采用泵回流的方式回流活性污泥），用一泵代替多泵，減少動能設備的使用，耗電量明顯減少，大幅度降低了碳排放量；在A 池和O 池、沉淀池之間增加曝氣裝置（見圖6），增加含氧量，同時代替傳統工藝的攪拌裝置，節約 能源。

圖3 改進后處理池體側剖圖

圖4 改進后A 池布水器圖

圖5 改進后沉淀池斜坡圖

圖6 改進后氣力提升裝置圖

按照100 t/d 生活污水的設計處理量，本設計主要應用于小型污水處理站，適用于鄉鎮污水處理系統，醫院、小區、學校、公共廁所等需求場所都是節能污水處理池的潛在市場。本設計采用節能循環理念，一池代替多池、一泵代替多泵，在大幅降低能耗、減少投資的同時，減少了占地面積。本設計響應國家節能減排號召，對于落實污水處理廠的節能降耗工作，促進國家經濟的可持續發展，緩解人地矛盾問題具有積極意義。

本研究以傳統AO 污水處理工藝為基礎，將理論設計與實際生產需求相結合，達到節能減排的目的。據估算，每年可以減少約11.65 億kW·h 的耗電量，對于切實做好污水處理廠的節能降耗工作，減少資源浪費，促進國家經濟發展、生態文明發展和落實碳達峰、碳中和工作是一個巨大的貢獻。