污水處理廠創新節能措施技術分析

錢福娜 張德同

1中國城市建設研究院有限公司山東分院 2濟南市市政工程設計研究院（集團）有限責任公司

水資源和能源之間的關系對于可持續發展至關重要。污水處理廠在水與能源的相互作用中發揮著核心作用，通過消耗能源以消除污染并減少對天然水體的危害。但大多數的能源來自化石燃料，容易導致全球氣候的變暖。污水處理廠是重要的能源消耗者，雖然有許多節能技術，但沒有一種能滿足所有需求。而能源又是僅次于勞動力的第二大運營支出，因此對于污水廠的長期運營來說，降低消耗和成本至關重要。污水處理廠的碳中和通常與能源中和有關，升級現有的污水處理廠可以實現能源自給自足，具有適度的技術經濟影響，特別是初級沉淀和厭氧消化等工藝。為優化能源使用，需要定期監控并確定需要改進的領域。

1 降低能耗的方法

能源是污水處理廠的一項重要開支，通過減少購買的能源，可以有效降低運行成本和碳排放并提高可持續性。目前有兩種主要的方法可以最大限度地減少功耗，包括對工廠不同工段的操作改造和使用更少能源的創新處理工藝。

1.1 改良曝氣控制系統

自動控制曝氣過程對于通過調節反應器條件實現節能至關重要。曝氣池中生物過程所需的氧氣量遵循晝夜模式，早晚需求高峰，午夜需求低點，與進水有機物和氨負荷成正比。較低的溶解氧(DO)設定點可以減少曝氣能量和GHG排放，但過度減少會增加N2O的產量并抵消任何節省，峰值與最小需氧量之比通常為2:1。

與手動控制相比，適當的DO和曝氣控制可節省25%至40%的能源。DO控制根據氧氣需求調節氣流，從而節省曝氣并實現更先進的策略。用于氨、硝酸鹽和亞硝酸鹽的新型傳感器帶來了先進的曝氣控制，例如基于氨和氨/硝酸鹽的控制。

1.2 通過技術升級和工藝節約能源

由于硝化作用的需氧量，將氨轉化為氮需要高能量。另一種方法是自養脫氨，可以實現更低的能耗。這個過程不需要有機碳源，使用的曝氣能量不到傳統方法的一半。如果將富含有機碳的部分用于沼氣生產，則剩余的有機碳不足以進行常規硝化/反硝化，因此建議使用部分硝化/厭氧氨氧化工藝進行脫氮。

厭氧氨氧化是一種自養氨去除工藝，產生于20世紀90年代中期，并因其潛在的工程應用而得到廣泛研究。盡管厭氧氨氧化過程需要較少的能量，但與硝化細菌相比，厭氧氨氧化細菌的生長非常緩慢。在20℃時，生長緩慢和快速的物種的最大生長速率分別為0.019~0.08和0.13~0.14/d，而硝化細菌的最大生長速率明顯更高（＞2/d）。

與傳統的硝化-反硝化工藝相比，氨氧化菌與厭氧氨氧化相結合，脫氮效率高達70%～90%，曝氣能量減少65%，且無需補充碳。脫氨工藝已被證明可以降低廢水處理廠的總能耗，例如奧地利的Strass工廠，在從硝化/反硝化轉換為脫氨后，能耗降低了12%。該過程還產生較少的殘余污泥，并可增加沼氣中的甲烷含量。在一項研究中，與傳統處理方法（30kWh/PE）相比，使用ANAMMOX的全面主流生產線需要的能量減少44%（17kWh/PE），并且每年增加12kWh/PE的電能產量。

2 提高能量回收率的方法

有幾種類型的技術可以在整個WWTP中回收能量。回收的能量可分為三類，包括化學能、熱能和水能。

2.1 化學能回收

污水含有主要儲存在有機化學品中的熱能。當COD水平在250~1000mg/L之間時，假設COD為12M～15MJ/kg，則廢水的平均熱值約為1.5kWh/m3。在生化處理過程中，有機物的化學能轉化為生物質能。回收化學能涉及將廢水成分轉化為氣態、液態或固態燃料。

在中溫厭氧消化工藝中，污水污泥產生的沼氣主要由甲烷（60%~67%）和二氧化碳（30%~40%）組成，含少量氮、硫化氫和其他成分。沼氣中的甲烷部分是一種寶貴的燃料，經過調節后，可以替代天然氣滿足許多能源需求。通過化學計量法，在標準條件（0℃）下，甲烷的COD當量可確定為0.35 m3CH4/kg COD，而在35℃下的理論換算系數為0.4 m3CH4/kgCOD。

厭氧消化在大于22000m3/天的污水處理廠中更為常見，因為在較大的污水處理廠中，由于可用于消化的污泥量較大，厭氧消化裝置更為有利。有研究通過厭氧消化從農業廢棄物中生產沼氣并在熱電聯產廠中熱電聯產的系統的生命周期環境影響。結果表明，與化石燃料替代品相比，這可以顯著減少大多數影響，包括全球升溫潛能值，可降低50%。

厭氧膜生物反應器是傳統厭氧消化的升級版，顯著減少了反應器體積和占地面積。據報道，該技術可減少65%~80%的體積。厭氧膜生物反應器系統產生的可用電能范圍為0.15～0.3 kWh/m3，可以回收總能耗的很大一部分，甚至在某些情況下抵消能源需求。

2.2 熱能回收

廢水處理廠可以使用各種技術從流入廢水的溫度中回收熱能，包括使用熱泵收集熱能。對于廢水中每10 K的溫差，就有41.9 MJ/m3的可用熱能。與地下水、地熱或室外空氣等傳統來源相比，廢水由于來自洗碗機、淋浴和工業廠房等溫暖來源，因此表現出相對較高的溫度。回收的熱能可用于供熱需求充足的區域供暖和供冷，甚至用于低溫污泥干化應用。

廢水熱回收是一種高效且具有成本效益的技術，但往往被忽視。在奧地利，這種方法最多可將空間供暖減少17%。在較大的城鎮，主要下水道可以提供大量廢水作為能源，且可以改造熱交換器和熱泵以使用下水道熱源。這種方法對于大規模的污水處理廠來說特別經濟。直徑大于0.8m的下水道適宜使用，熱力用戶必須在周邊。對于較小的熱容量，最大距離為200m，而熱泵或用戶可以位于距離較高容量下水道2km的地方。

3.3 水能回收

在污水處理廠設計水力發電廠時，需要考慮的兩個基本參數是出口流量和水頭壓力。流量受各種因素的季節性影響，導致顯著變化。盡管位于污水處理廠出水口的小型低水頭水力發電廠產生的能源很少（僅占工廠能源需求的1%），但它仍然是一項值得投資的項目，因為它可以全年運行。一項研究表明，在廢水處理廠的出口處使用水輪機進行能量回收可以提高該行業的可持續性。污水處理廠的水力發電可能面臨水頭不足、流量波動以及由于廢水顆粒物堵塞或損壞導致的渦輪機故障等障礙。經濟可行性還取決于高流量或政府激勵措施。

3 可再生能源的外部來源

3.1 太陽能

事實證明，在污水處理廠中采用光伏系統是一種可行且可持續的能源生產解決方案。安裝在污水處理廠屋頂的96kMW伏系統可產生150.7MWh的電力，而現有建筑物中的混合光伏系統最多可滿足總能源需求的2%。一項理論研究表明，我國污水處理廠近80%的電力消耗可由單晶光伏電池產生。要完全滿足處理廠的能源需求，將需要近9000m2的光伏發電，但必須考慮成本和占地面積。此外，水的冷卻特性提高了光伏板的性能，并結合此類系統減少了工廠的占地面積。因此，將光伏系統納入污水處理廠是一種可持續的能源生產解決方案。

3.2 有機廢物共消化

共消化是一種向污泥消化池中添加少量共底物的過程，可顯著提高沼氣產量40%～200%。浮選污泥、脂肪含量、食物殘渣、蛋白質廢物等的添加很常見，共底物添加率通常在5%～20%之間。然而，在現有廢水處理廠中實施共消化可能需要額外的預處理和后處理設備，具體取決于生物廢物的濃度和流變學?？坪盏取＝ㄗh將原料污泥與高達35%的食物垃圾（基于揮發性固體含量）進行共消化，這可能會導致更高的甲烷產量，因為與未經處理的污水污泥相比，食物垃圾產生的甲烷更高。根據生命周期評估，與化石燃料替代品相比，通過厭氧消化和熱電聯產從農業廢物中生產沼氣的系統可以顯著減少環境影響，包括全球變暖潛能值，最多可減少 50%。

4 結語

通過分析可知，將鼓風機關閉超過25%的時間可以顯著降低能源使用，同時保持相同的廢水排放標準。升級技術，如實施新的脫氮途徑，可以將曝氣能源需求減少60%以上。為了有效地回收未經處理的廢水中的大量潛在化學能，推薦使用厭氧消化。雖然太陽能電池板等清潔能源正在開發中，但與污水處理廠的總能源需求相比，它們產生的能量仍然較低。