污水處理中技術創新與節能降耗研究

姜麟 李壯 王勇

沈陽嘉誠水務有限公司 遼寧 沈陽 110000

1 污水處理中的節能降耗

有效實施污水處理廠的節能降耗工作，首先必須認清污水處理廠運行成本的組成。經過大量的項目運營數據分析，電費、藥劑費及污泥處置費三部分成本幾乎占到工業園區污水處理廠直接運營成本的80%～90%。因此針對電費、藥劑費及污泥處置費的節能降耗與技術創新是優化能耗與運行成本的關鍵。下面以沈陽某化工園區工業污水處理廠為例分別從電耗、藥劑投加及污泥處置三方面進行論述。

1.1 電耗

該化工園污水處理廠主要耗電設備有調節池攪拌器、污水處理提升泵、生化池曝氣鼓風機和臭氧發生器4大類。

調節池攪拌器：該項目攪拌器采用雙曲面形式，包含精細化工廢水調節池攪拌器、其他廢水攪拌器等共計28臺，設計均為24小時連續運行。由于園區污水廠進水標準執行納管標準，進水SS濃度較低。因此，攪拌機可采用間歇式運行或設備之間定時交替運行方式運行。可減少該單元能耗50%。

污水處理提升泵：污水處理廠中提升泵是不可或缺的核心設備，污水提升泵的節能降耗可采用安裝變頻器對水泵進行變頻控制降低能耗，同時在設計時充分利用水力高程，減少或避免運行中的高程提升所產生的能耗。最后在水泵的選型時要對水泵的運行工況仔細研究，使水泵運行時保持在最佳的工況運行點。對水泵輸送介質進行分析，若閉式葉輪水泵能滿足要求不會發生堵塞的情況下，就不要選擇避免污堵效果好但效率低的開式葉輪或半開式水泵。在細節上取勝實現節能降耗。

生化池曝氣鼓風機：曝氣鼓風機的節能降耗首先從設備的選項上盡量不要選擇羅茨風機，而選擇效率更高的磁懸浮或空氣懸浮風機。曝氣器盡量選擇氧氣轉移效率更高的微孔曝氣器而不要選擇旋流或旋混式曝氣器（高硬度廢水除外）。運行過程中不斷摸索實施精確曝氣，將好氧池末端溶解氧控制在2mg/L以內，精確曝氣減少溶解氧浪費，從而實現曝氣系統的節能降耗。

臭氧發生器：隨著國內污水處理環保要求的日益嚴苛，工業水難生物降解物質較多，臭氧氧化工藝在水處理領域，特別是化工污水處理領域得到了廣泛的應用。而臭氧產生機理決定了該工藝必定帶來超高的電能消耗和運行成本的升高。臭氧氧化工藝的使用可從兩個方向探索節能降耗。①氧化1kg COD通常需要3～4kg臭氧，而實現大分子有機物的開環斷鏈通常只需要1.5～2kg臭氧，因此可考慮將臭氧氧化深度處理工藝用于化工污水的預處理，臭氧僅完成破壞斷鏈工作后續處理工作仍交給生化系統完成可減少臭氧投加量40%～50%。②提高臭氧氧化效率，作為深度處理工藝時臭氧的氧化效率尤為關鍵，在傳統臭氧接觸氧化池基礎上創新出臭氧催化氧化反應器。通過催化劑的催化作用產生OH，羥基自由基具有更好的活性與電勢電位，從而提高氧化反應效率。

1.2 藥劑投加

通常污水處理中藥劑最大的消耗品種有PAC、PAM、乙酸鈉、酸、堿液等。化工園區污水各企業間pH差異較大，對各個排污企業排污周期、水量及pH特點進行排查。合理進行混合調配可減少酸堿用量降低運行成本。對于混凝沉淀根據污水水質進行試驗小試，根據不同混凝藥劑和絮凝藥劑的試驗比對，確定最佳藥劑和最佳藥量減少藥劑的浪費。C/N比的失衡是很多化工園區污水的通病，可采用生化分段進水、短程硝化反硝化等工藝技術減少碳源的投加。同時也可以利用啤酒廢水、大豆制品廢水等污水進行協同處置廢物利用減少碳源的投加實現節能降耗。

1.3 污泥處置

該項目污泥處理是采用預濃縮（加藥）、污泥調理、高壓隔膜板框壓濾機等系統，通過上述工藝降低污泥含水率，一般情況下經濃縮機處理后污泥含水率約為92%～93%，經高壓（液/氣壓）隔膜板框壓濾機處理后含水率約為60%～70%，含水率最終受污泥本身組分和石灰等干粉投加量影響較大[1]。污泥處置單元節能降耗的主要途徑是將其最大化的資源回收利用，例如高熱值污泥可用于電廠或熱源廠鍋爐參燒，高有機質污泥經堆肥發酵后可用于污泥還田和土壤改良。污泥焚燒后強度、成分等經檢驗合格可用作建筑材料或路基土等。

污泥土壤改良，生化系統產生的污泥通常含有非常多的有機物和能夠促進植被生長的微量元素如Fe、P、N等，能夠改良土壤成分、增強肥力改善理化結構等。但是在污泥進行土壤改良前需要對污水處理廠的污泥堆肥工藝進行嚴格管理和質量控制，并且對污泥成分詳細分析分析、合理施用。

污泥堆肥發酵技術是一種有效的同時可實現污泥減量、污泥滅菌害化處理、脫水減量固化的綜合性處置技術。堆肥也是污泥農用最為簡單有效的手段，堆肥工藝根據反應過程中溶解氧和菌落種類的不同，可分為厭氧堆肥和好氧堆肥兩種。反應利用厭氧微生物或好氧微生物在厭氧或有氧狀態下對有機物進行發酵分解，充分發酵后可作為肥料用于農田、土壤改良或園林綠化，但好氧堆肥能耗高、厭氧堆肥由于反應速率較慢發酵周期長需占用大面積場地。

2 污水處理中關于節能降耗的技術創新

一直以來，為了解決污水處理中脫氮工藝的各種問題，各國學者在眾多方向開展了實驗研究。隨著材料技術、電子技術等方面科技的發展，一系列新型脫氮工藝隨之誕生。而短程硝化工藝則是在原有脫氮理論和生物學研究基礎上的新突破。

傳統生物脫氮工藝對氮的去除主要分為兩種，一是利用活性污泥中微生物的同化作用將氮轉化為微生物細胞合成成分。因此，傳統生物脫氮工藝僅能去除少量污水中的氮，且受C∶N∶P營養物質比值、污泥濃度、微生物活性等客觀因素影響。二是利用硝化細菌和反硝化細菌的硝化反硝化作用。在好氧池內低底物濃度條件下通過硝化菌的作用將氨氮氧化為硝酸鹽，在缺氧池利用污水中的碳源或外加碳源在污水堿度充足的條件下，反硝化菌將硝酸鹽氮還原生成氣態氮從水中去除的過程。該工藝應用常見的水處理工藝有A2/O工藝、A/O工藝、氧化溝等。但C∶N比失衡時需補充大量碳源，為保證脫氮率也需要內回流幾倍于進水的硝化液能耗較大。近年來基于傳統工藝問題工藝研究的不斷深入，學者在研究脫氮反應實驗過程中發現了不同于傳統脫氮理論認知的新現象，例如硝化反應除自養菌參與外，異養菌也同時能參與硝化作用；甚至一些微生物在好氧環境下也能夠進行反硝化作用；甚至人們在實驗中觀察到了厭氧反應中NH3-N得到去除的現象。這些發現為脫氮工藝的設計帶來的新的思路與方向，根據上述發現創新出的工藝有短程硝化反硝化、同步硝化反硝化等。本文以短程硝化為例對技術創新對節能降耗產生和經營成本的優化進行闡述。

污水處理中生物法脫氮工藝由硝化和反硝化兩個步驟組成，而硝化過程分為氨氧化階段和亞硝酸鹽氧化階段。這兩個階段分別由氨氧化菌和亞硝酸鹽氧化菌獨立催化完成。第一階段是氨氧化階段，將氨氮NH4+-N氧化為亞硝態氮NO2—-N；而第二階段則是亞硝酸鹽氧化階段，將亞硝態氮NO2--N氧化為硝態氮NO3--N。因為硝化反應是由兩種生理特性完全不同的細菌催化完成的不同反應，所以可以通過控制反應條件，將硝化反應控制在NO2--N階段而終止，阻止NO2--N的進一步氧化，最終NO2--N直接進行反硝化實現短程硝化反硝化。

2.1 短程硝化反應的條件

2.1.1 pH值：由于亞硝酸菌與硝酸菌生長對pH值的喜好范圍不同，我們可以通過采取控制pH值的手段實現短程硝化。硝酸菌生長最佳pH值在6～7，亞硝酸菌生長最佳pH值在7.0～8.5，所以通過將pH值維持在8～8.5就能有效抑制硝酸菌生長。

2.1.2 溫度：在5～45℃之間，氨氧化細菌和硝化細菌均可生物代謝。但在12～14℃時，此時的溫度會抑制活性污泥中硝化菌的生物活性，出現NO2—-N的積累；15～30℃時，硝化反應過程形成的NO2—完全被氧化成NO3-，當溫度超過30℃后再次出現NO2—的積累。所以微生物在高、低溫均可發生亞硝酸鹽的積累。所以低溫也可實現短程硝化，低溫時亞硝酸鹽氧化菌利用氨氮的能力大于硝化細菌利用NO2—-N的能力，從而造成NO2—的累積。但短程硝化系統需要在較高溫度的夏季啟動，使在系統運行穩定后逐漸降溫，適應低溫環境，保證處理效果；通過工藝參數控制系統穩定運行優化污泥生物種群結構，逐步馴化最終在低溫條件下維持短程硝化。

2.1.3 DO濃度：通過生化系統溶解氧濃度的控制實現短程硝化是目前這些技術應用于工程案例的一種較好的手段。作為工程項目中較易控制的一項參數，設計及運行中控制好曝氣量、曝氣時間、曝氣頻率以及曝氣形式，便可以實現短程硝化。在生化處理系統就，將DO的濃度控制在0.5mg/L以下時，就可以實現亞硝態氮積累，使內回流液中亞硝態氮占總硝態氮的80%以上，甚至更多。DO濃度是氨氧化菌和亞硝酸鹽氧化菌生長的重要工藝參數，氨氧化菌和亞硝酸鹽氧化菌的氧飽和常數分別為0.3mg/L和1.1mg/L[2]。氨氧化菌對氧的爭奪力較亞硝酸鹽氧化菌強，在低DO濃度下亞硝酸鹽氧化菌的活性會顯著減弱，使氨氧化菌生長速率超過亞硝酸鹽氧化菌；雖然低DO濃度會使微生物代謝減慢，但硝化過程的氨氧化作用未有明顯減弱，從而實現NO2—-N的大量積累。

2.1.4 SRT：控制SRT雖然不能實現反應階段的控制，但SRT卻是短程硝化穩定運行的重要參數。當頻繁排泥SRT控制較低時會出現亞硝酸菌、硝酸菌的流失，最終導致處理能力下降；泥齡過長硝酸鹽菌的累計增多，系統若此時低負荷運行，生化系統會出現全程硝化轉化。因此，短程硝化反應中SRT參數的控制至關重要。

2.1.5 短程硝化的優點：①能夠使整個硝化反應過程節省約15%～20%供氧，反硝化過程的碳源投加以乙酸鈉計可節省約25%左右，實現節能降耗。②反硝化和硝化反應的反應速率被加快，所以縮短生化系統反應時間，硝化反應池池容可減少6%～9%，反硝化池池容減少20%～30%，節省了項目的初期投資。③氨氧化菌的世代周期比亞硝酸鹽氧化菌要短，所以它的泥齡更短，微生物群落活性更高，整體反應效率更快。

3 工業園區污水處理技術創新與節能降耗的重要性

為了促進我國地區經濟的高速發展，深度優化工業行業資源，各地先后建成了一批產業技術示范區、特色工業園區、經濟技術開發區等各式各樣的工業園區。這些項目的建成，對區域規劃布局、地區產業發展、招商引資、土地開發、項目運營等都是一個促進。我國在建的和建成的工業園區數量接近9500個，工業污水的排放量已達到全國總污水排放量的45%左右[3]。

隨著環保政策要求的日益嚴苛，以能耗換水質的做法已成為制約工業園區發展的枷鎖。污水處理費提高會給企業帶來巨大的經營負擔，同時不利于新建園區的招商引資工作，影響工業園區的可持續發展成為園區主管部門的頭痛問題。因此，工業園區污水處理的技術創新與節能降耗研究對工業園區乃至地區經濟的可持續發展尤為重要，是我們在污水處理運營中必須重點關注仔細研究的工作內容。

4 結束語

綜上所述，工業園區污水處理技術創新與節能降耗問題，絕不僅僅是污水處理廠或相關政府主管部門的問題，更是關系到各個園區企業切身利益的問題。無論是園區污水處理廠還是園區排污企業及市政部門，大家在工作中要密切配合，互相協助，在污水處理確保達標排放的前提下，以技術創新與節能降耗為核心驅動，實現環境的優化和經濟的可持續發展。