污水處理一體化設(shè)備的綠色節(jié)能設(shè)計(jì)及應(yīng)用分析

肖國偉

（湖南中車環(huán)境工程有限公司，湖南 長沙 410000）

從我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展的現(xiàn)狀和未來發(fā)展的趨勢看綠色節(jié)能一直都是我們的必然選擇，也是實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的有效途徑。目前常見的綠色理念已經(jīng)滲透到不同行業(yè)內(nèi)部。而污水處理一體化設(shè)備是現(xiàn)在在相對集中和分散式環(huán)保污水處理領(lǐng)域的核心裝備，其綠色節(jié)能設(shè)計(jì)及應(yīng)用自然被放在提高設(shè)備品質(zhì)和競爭力的很重要位置。事實(shí)上，污水處理一體化設(shè)備作為環(huán)保設(shè)備從誕生就蘊(yùn)涵著綠色節(jié)能的基因，受制于諸如環(huán)保工藝、動力設(shè)備等的技術(shù)瓶頸得不到突破，污水處理一體化設(shè)備的綠色節(jié)能設(shè)計(jì)及應(yīng)用非常有限，這樣不僅會誘發(fā)非常嚴(yán)重的資源浪費(fèi)，后期重置也無法更好地被處理，產(chǎn)生二次污染，最終會嚴(yán)重破壞自然環(huán)境，更不能夠讓環(huán)保行業(yè)更好地實(shí)現(xiàn)健康發(fā)展。因此，在對污水處理一體化設(shè)備的設(shè)計(jì)和應(yīng)用中，充分借助高質(zhì)量發(fā)展起來的綠色節(jié)能技術(shù)，必將引發(fā)環(huán)保行業(yè)走上更健康寬廣的未來。

1 綠色節(jié)能設(shè)計(jì)的概念和內(nèi)容

自20世紀(jì)60年代以來，工業(yè)污染導(dǎo)致全球環(huán)境惡化達(dá)到了前所未有的程度。而綠色設(shè)計(jì)是20世紀(jì)80年代末興起的設(shè)計(jì)思潮之一。目前的節(jié)能設(shè)計(jì)亦包含在內(nèi)，也稱綠色節(jié)能設(shè)計(jì)。目前綠色節(jié)能設(shè)計(jì)的理念始終都貫穿于每個產(chǎn)品設(shè)計(jì)的生命周期中，更多的人需要在考慮產(chǎn)品質(zhì)量、性能和成本等不同因素的基礎(chǔ)上來考慮設(shè)計(jì)的產(chǎn)品對環(huán)境產(chǎn)生的影響，并以產(chǎn)品可循環(huán)使用為基礎(chǔ)來最大限度地降低在制造產(chǎn)品過程中優(yōu)化產(chǎn)品的各大因素。綠色節(jié)能設(shè)計(jì)的本質(zhì)就是通過將產(chǎn)品設(shè)計(jì)的眼光放在未來發(fā)展的過程中，并以綠色產(chǎn)品設(shè)計(jì)為基礎(chǔ)來真正提倡無廢物和回收技術(shù)。從長遠(yuǎn)看綠色節(jié)能設(shè)計(jì)的核心目的就是為了減少環(huán)境污染，降低能源消耗，從而實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品和零件的可回收利用，也就是我們常說的“3R1D”理念：即Reduce, Recycle, Reuse, Degradable。

2 污水處理一體化設(shè)備綠色節(jié)能設(shè)計(jì)的必要性

如果能夠在污水處理一體化設(shè)備中踐行綠色設(shè)計(jì)的理念自然可以發(fā)揮非常大的作用，重點(diǎn)表現(xiàn)在如下幾個方面：

（1）可以更好地符合環(huán)保的需要。隨著改革開放的不斷發(fā)展我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展也進(jìn)入了新高度，工業(yè)發(fā)展更加迅速，但是這種不良的經(jīng)濟(jì)發(fā)展方式可以給生態(tài)環(huán)境帶來不可逆的影響，最終自然會形成不同類型的環(huán)境污染，現(xiàn)在非常有必要在可持續(xù)發(fā)展方面下手進(jìn)行改善。而綠色設(shè)計(jì)的理念就是強(qiáng)調(diào)生態(tài)環(huán)境保護(hù)的，可以減少產(chǎn)品全壽命周期過程中產(chǎn)生的各類不同的污染。

（2）更好地迎合經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需要。隨著市場經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展污水處理一體化設(shè)備不僅需要將質(zhì)量融入中，更需要節(jié)約成本。在研究能耗對功能產(chǎn)品發(fā)展產(chǎn)生的影響時需要在減少資源消耗的基礎(chǔ)上來提升回收能力，最終才能夠在降低成本的基礎(chǔ)上更好地提升產(chǎn)品自身的質(zhì)量，最終產(chǎn)品的競爭力也能夠變強(qiáng)。

（3）可以更好地迎合社會健康發(fā)展的需要。在可持續(xù)理念的迎合下任何自然的和諧相處成為了多數(shù)目標(biāo)的眾多要求。如果能夠有效地運(yùn)用綠色設(shè)計(jì)理念自然可以減少對自然造成的破壞，并為廣大工業(yè)企業(yè)提供低碳化和環(huán)?；陌l(fā)展理念，最終才能夠在保證大眾生命健康的基礎(chǔ)上增強(qiáng)社會大眾的環(huán)保意識。同時能夠匹配環(huán)保產(chǎn)品本身內(nèi)涵。

3 污水處理一體化設(shè)備設(shè)計(jì)中綠色節(jié)能理念的特點(diǎn)

污水處理一體化設(shè)備中綠色節(jié)能理念包括如下幾點(diǎn)：

（1）從一定程度看綠色節(jié)能設(shè)計(jì)是以功能產(chǎn)品設(shè)計(jì)為基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)過程，為的是維護(hù)自然資源運(yùn)作的過程，并通過利用各類資源來實(shí)現(xiàn)功能產(chǎn)品的可持續(xù)發(fā)展。

（2）應(yīng)該直接減少在功能產(chǎn)品全壽命周期內(nèi)的廢物排放量，并更好地強(qiáng)化資源利用率。

（3）綠色產(chǎn)品設(shè)計(jì)的理念可以更好地減少產(chǎn)品更換的頻率，并在提升產(chǎn)品使用質(zhì)量的基礎(chǔ)上降低報(bào)廢重置的數(shù)量。

4 污水處理一體化設(shè)備的綠色節(jié)能設(shè)計(jì)及應(yīng)用

污水處理一體化設(shè)備主要用于處理相對集中或分散式點(diǎn)源污染，廣泛應(yīng)用于賓館、食堂、高速公路服務(wù)區(qū)以及農(nóng)村村鎮(zhèn)等污水處理，必須具有能耗低，處理效果穩(wěn)定，抗干擾能力強(qiáng)、維護(hù)成本低等綠色概念特點(diǎn)。以下以農(nóng)村鄉(xiāng)鎮(zhèn)生活污水處理一體化設(shè)備的綠色節(jié)能設(shè)計(jì)為例，詳細(xì)表述污水處理一體化設(shè)備的綠色節(jié)能設(shè)計(jì)。

4.1 污水處理工藝的選擇

農(nóng)村生活污水水質(zhì)非常不穩(wěn)定，水量晝夜變化，早晚比白天、夜間排水量小，甚至可能停止，污水排放呈間斷狀態(tài)，耗水量變化系數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于城市中的數(shù)值。同時，由于農(nóng)村這一特定環(huán)境，居民分散居住，配套的用電，維護(hù)保障能力均有所限制，這決定農(nóng)村生活污水一體化設(shè)備在一開始設(shè)計(jì)就要選擇好所承載的污水處理工藝，使其能夠工藝流程簡單、處理效果穩(wěn)定、能耗少。

（1）生物接觸氧化法。目前農(nóng)村鄉(xiāng)鎮(zhèn)污水一體化設(shè)備中最為常用的就是接觸氧化工藝，生物接觸氧化法是從生物膜法派生出來的一種廢水生物處理法。在該工藝中污水與生物膜相接觸，在生物膜上微生物的作用下，可使污水得到凈化，因此又稱“淹沒式生物濾池”。該方法采用與曝氣池相同的曝氣方法提供微生物所需的氧量，并起攪拌與混合的作用，同時在曝氣池內(nèi)投加填料，以供微生物附著生長，因此，又稱為接觸曝氣法，是一種介于活性污泥法與生物濾池兩者之間的生物處理法，是具有活性污泥法特點(diǎn)的生物膜法，它兼具兩者的優(yōu)點(diǎn)。建設(shè)地位于湖北，處理量為5m3/d，處理水質(zhì)達(dá)到(GB 18918-2002)一級B標(biāo)準(zhǔn)，耗電量0.6kW.h/m3。

（2） 膜 生 物 反 應(yīng) 器（Membrane Bio-Reactor，MBR）。MBR工藝是以分離膜（通常采用超濾膜）為過濾介質(zhì)，將生物降解反應(yīng)與膜分離技術(shù)相結(jié)合，在一個反應(yīng)器內(nèi)完成生物反應(yīng)和固液分離過程。本工藝采用膜分離技術(shù)富集微生物，提高活性污泥濃度和曝氣效率，膜過濾對污水中有機(jī)物、病原菌和病毒進(jìn)行高效截留，提高了出水水質(zhì)。同時配合吸附除磷工藝，最終出水可達(dá)到一級A標(biāo)準(zhǔn)。建設(shè)地位于廣東，處理量為50m3/d，處理水質(zhì)達(dá)到(GB 18918-2002)一級A標(biāo)準(zhǔn)，耗電量0.858kW.h/m3。

（3）厭氧-缺氧-好氧法（Anaerobic-Anoxic-Oxic，A2O）。A2/O是最典型的活性污泥脫氮除磷工藝，在好氧段，硝化細(xì)菌將污水中有機(jī)氨氮化成的氨氮，通過生物硝化作用，轉(zhuǎn)化成硝酸鹽；在缺氧段，反硝化細(xì)菌將內(nèi)回流帶入的硝酸鹽通過生物反硝化作用，轉(zhuǎn)化成氮?dú)庖萑氲酱髿庵校瑥亩_(dá)到脫氮的目的；在厭氧段，聚磷菌釋放磷，并吸收低級脂肪酸等易降解的有機(jī)物；而在好氧段，聚磷菌超量吸收磷，并通過剩余污泥的排放，將磷除去。

相比其他工藝，這種工藝的運(yùn)作流程非常簡單，甚至也會存在厭氧區(qū)域內(nèi)部，在一定程度上可以成為一種生物選擇器，但是如果不采用合適的處理措施，活性污泥中的菌絲將很難在較短的時間內(nèi)生長和繁殖，最終會提升污泥的沉降性。當(dāng)然這種常見的A2O工藝也確實(shí)存在很大的不足，一方面回流回來的硝化液確實(shí)帶有一定的溶解氧，如果無法讓溶解氧發(fā)揮更大的作用則會直接影響后續(xù)的運(yùn)行。此外如果污泥沒有經(jīng)歷過厭氧和好氧的運(yùn)作過程就會進(jìn)一步降低除磷的效果。最后硝化菌和聚磷菌之間的沖突也是常見的一個問題。一般結(jié)合其他工藝優(yōu)化，建設(shè)地位于南方鄉(xiāng)鎮(zhèn)，處理量為400m3/d的A2O（包含MBBR）一體化設(shè)備，處理水質(zhì)達(dá)到(GB18918-2002)一級A標(biāo)準(zhǔn)，耗電量0.5kW.h/m3。

（4）移動床生物膜反應(yīng)器(Moving-Bed Biofilm Reactor，MBBR)。MBBR是近年來頗受研究者重視的另一種革新型生物膜反應(yīng)器，它是為解決固定床反應(yīng)器需定期反沖洗、流化床需使載體流化、淹沒式生物濾池堵塞需清洗濾料和更換曝氣器的復(fù)雜操作而發(fā)展起來的。MBBR 工藝結(jié)合了流化床流動性與接觸氧化的充分混合的特性，具有節(jié)約能耗、剩余污泥量小、耐沖擊負(fù)荷、耐低溫等優(yōu)點(diǎn)。該工藝可與其他污水處理工藝進(jìn)行協(xié)同處理，具有靈活性強(qiáng)等特點(diǎn)。建設(shè)地位于重慶，處理量為10m3/d，處理水質(zhì)達(dá)到(GB 18918-2002)一級B標(biāo)準(zhǔn)，0.418 元 /m3。

進(jìn)行綠色節(jié)能設(shè)計(jì)選擇工藝，在先滿足實(shí)現(xiàn)功能達(dá)成，再優(yōu)選能耗低，設(shè)備化實(shí)現(xiàn)簡單的工藝。本案例選用A2O+MBBR組合工藝實(shí)現(xiàn)處理水質(zhì)穩(wěn)定達(dá)到(GB 18918-2002)一級標(biāo)準(zhǔn)，既兼顧功能達(dá)成，又堅(jiān)持低能耗，設(shè)備化實(shí)現(xiàn)簡單。

圖1

4.2 設(shè)備制作材料的合理選用

應(yīng)該將不同類型的綠色環(huán)保型材料融入綠色設(shè)計(jì)中，并在制造設(shè)備時更好地回收和利用不同類型的材料，并同時考慮材料的經(jīng)濟(jì)性、安全性和材料的兼容性，以便更好地實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品功能的提升，最終才能夠更好地實(shí)現(xiàn)對環(huán)境的保護(hù)。在選擇材料時一定要滿足如下幾點(diǎn)要求：

（1）讓不同類型的材料滿足設(shè)備設(shè)計(jì)的功能要求。

（2）讓不同類型的材料都能夠具備一定的可塑性和工藝性，并在完成制造產(chǎn)品之后都可以和其他不同類型的工藝建立合適的聯(lián)系。

（3）將綠色理念植入發(fā)展中，并讓所有的材料都具備很強(qiáng)的耐高溫和耐腐蝕的性能，自身也會擁有很強(qiáng)的抗沖擊能力。本一體化設(shè)備本體材質(zhì)采用SPA-H耐候鋼板，耐腐蝕性能是普通的碳鋼3倍以上，整體防腐維護(hù)，可正常運(yùn)營15年以上，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高，同時成本適中，后期可回收。

4.3 通用設(shè)備的綠色配套

該一體化設(shè)備集成泵，閥門、過濾裝置，攪拌系統(tǒng)等配套設(shè)備。綠色配套設(shè)計(jì)包括選用節(jié)能氣泵，多臺聯(lián)用、互為熱備，降低能耗，減少碳排放；采用氣提回流替代傳統(tǒng)水泵回流，解決設(shè)備回流能耗高問題；過濾裝置采用氣水反沖洗，無需反洗泵，工藝簡潔且降耗；加藥裝置采用間歇?dú)怏w攪拌替代傳統(tǒng)機(jī)械攪拌，降低能耗及噪音。管路系統(tǒng)統(tǒng)一為塑膠閥門管路，既能防腐又便于安裝和運(yùn)輸。同時在管路中通過設(shè)置橡膠減震墊或者是砼板減震墊來達(dá)到良好的減震降噪效果。出水口位置，設(shè)計(jì)通過柔性接頭或者是消聲止回閥等的合理應(yīng)用來達(dá)到良好的降噪效果。通過這樣的設(shè)計(jì)，可以有效降低機(jī)械設(shè)備運(yùn)行過程中的震動和噪聲，盡最大限度減輕震動和噪聲污染，以此來達(dá)到良好的綠色環(huán)保效果。

4.4 設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)化、自動化、智能化設(shè)計(jì)及并聯(lián)化使用

由于農(nóng)村鄉(xiāng)鎮(zhèn)污水水量少且分散，處理量大的設(shè)備投入會造成資源浪費(fèi)，同時為滿足設(shè)備處理能力，提高管網(wǎng)一次性接戶率，更是造成管網(wǎng)工程成本大幅上升和施工難度增加。因此，通過設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)，并聯(lián)化使用，可以有效提高資源利用率和降低營運(yùn)成本。針對運(yùn)營調(diào)試，設(shè)計(jì)安裝流量傳感器，溶解氧傳感器等強(qiáng)化回流、曝氣的自動反饋調(diào)節(jié)精度和無延遲，在優(yōu)化處理效果的同時不斷降低能耗和成本。

5 結(jié)語

綜上所述，在進(jìn)行污水處理一體化設(shè)備設(shè)計(jì)與應(yīng)用過程中，全面分析把握實(shí)際狀況的應(yīng)用需求，在這基礎(chǔ)上進(jìn)行設(shè)備功能設(shè)計(jì)，并將節(jié)能設(shè)計(jì)、全壽命成本設(shè)計(jì)等綠色設(shè)計(jì)理念融入進(jìn)去具有重大現(xiàn)實(shí)意義，不但可以提高設(shè)備的競爭力，實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新超越，幫助企業(yè)實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，同時也是我們踐行“雙碳”戰(zhàn)略的最好行動。當(dāng)然，后續(xù)將針對具體的綠色節(jié)能設(shè)計(jì)點(diǎn)進(jìn)行優(yōu)化攻關(guān)，這將有利于推進(jìn)綠色節(jié)能設(shè)計(jì)在水處理一體化設(shè)備設(shè)計(jì)中實(shí)現(xiàn)更大價值。