污水處理廠改擴建中的節能減排措施分析與研究

郭輝 孫穎 山東華城工程技術有限公司

山東某污水處理廠規劃規模為4.0 萬m3/d，現狀一期處理規模為2.0 萬m3/d，服務面積約44.47 km2，生活污水約占總污水處理量的90%。現狀一期污水處理廠95%保證率條件下的進水量為20184 m3/d，其中雨季（6～9 月份）平均進水量為16631m3/d、最大進水量為21982 m3/d；旱季（1～5、10～4 月份）平均進水量為10893m3/d、最大進水量為20184m3/d。雨季進水量明顯高于旱季，說明現狀片區污水管道存在雨污混接現象。現狀一期污水處理廠基本滿負荷運行，甚至雨季時超負荷運行，因此急需根據規劃對污水處理廠進行擴建，根據規劃和水量預測，擴建規模為4 萬m3/d。

污水處理廠作為重要市政設施，在污水處理過程中將消耗大量能源。因此，在設計過程中必須考慮采取適當的節能減排措施，而節能設計涵蓋了建筑、工藝和設備配置等方面，其最終目的是降低能耗、成本。

將節能理念融入污水處理工藝流程中，并對能源的使用路徑進行優化，是降低污水處理廠運行能耗的有效途徑之一。同時，選用能效較高的設備、采用先進自動控制技術，也能有效降低運行能耗，提高能源利用率。

2 擴建進出水水質分析及工藝確定

2.1 擴建工程進出水水質

影響污水水質的主要因素有排水體制、污水管網的完善程度、城市化進程及生活水平的高低、排入城市污水管道系統的工業廢水的種類與數量、工業廢水處理率和處理程度等。

現狀在進水指標95%保證率條件下，CODcr濃度為93mg/L，懸浮物濃度為155mg/L，氨氮濃度為25.1mg/L，總氮濃度為37.5mg/L，總磷濃度為2.4mg/L，BOD5濃度為46.6mg/L。根據現狀進水水質和相關規范要求，確定擴建工程進水水質，設計進出水水質見表1。由表1 可知，出水水質除CODcr ≤25mg/L、NH3-N ≤1mg/L 以外，其余指標均達到一級A 標準。

表1 設計進出水水質

2.2 擴建工藝流程分析

擴建工藝的工藝路線為“粗格柵及進水泵房+細格柵及曝氣沉砂池+AAO 生化池+二沉池+高密度沉淀池+轉盤濾池+二級提升泵房+臭氧接觸氧化池+碳砂雙層濾料濾池+次氯酸接觸消毒池+巴氏計量槽”。

3 主要污水處理構筑物設計

3.1 AAO 生化池

尺寸為L×B×H=79.5m×58.7m×9.2m，設計水量1666.667m3/h，每池分6 個區：預缺氧區、厭氧區、缺氧區、好氧區、后置缺氧區、后置好氧區。各區停留時間如下：預缺氧區0.5hr，厭氧區1.5hr，缺氧區8.0hr，好氧區7.5hr，后置缺氧區2.0hr，后置好氧區1.5hr。進水點4 個：1 個預缺氧區、1 個厭氧區、2 個缺氧區。混合液回流點一個為缺氧區。根據進水水質和工藝需要調節進水點和進水流量比例使AAO 可按常規AAO、改良AAO 或多級AO 工藝運行。

污泥濃度5000mg/L，設計水溫10℃，好氧池泥齡13.31d，系統總污泥齡18.93d，水力停留時間21h，污泥產率0.8，污泥負荷0.046kgBOD5/kgMLSS·d，容積負荷0.229 kgBOD5/m3·d，內回流比0～300%，外回流比0～100%，標準供氧速率15643.78kgO2/d，標準狀態下供氣量11639.72m3/h，氣水比1:7。

其中缺氧池推流器設8 臺，槳葉直徑1600mm，功率3.5kW；好氧池推流器設8 臺，槳葉直徑2100mm，功率3.5KW；內回流泵設6 臺，流量1670m3/h，揚程1.2m，功率10.5kW；管式曝氣器設1474 臺，7.9m3/根·h，Φ63，L=1000mm；鑄鐵鑲銅調節閘門（進水渠）設8 臺，中心至頂板高度900mm；鑄鐵鑲銅調節閘門（污泥回流）設2 臺，中心至頂板高度1100mm；鑄鐵鑲銅圓閘門設2 臺；潛水攪拌器設2 臺(預缺氧區)，功率4.5kW，葉輪直徑500mm；潛水攪拌器設2 臺(厭氧區)，功率6.5kW，葉輪直徑600mm；潛水攪拌器設4 臺(后置缺氧區)，功率6.5kW，葉輪直徑600mm。

3.2 高密度沉淀池

尺寸為L×B×H=20.70m×26.3m×6.7m，污泥回流比3%～5%，高效沉淀池設2 組，由混凝池、絮凝反應池、高效沉淀池組成。

混合池。平面尺寸2.45 m×2.0m；有效水深3m，反應時間63.5s（平均流量時）、46.69s（高日高時流量）

絮凝反應池。平面尺寸5.2 m×5.2m；有效水深6.3m，反應時間735.9s（平均流量時）、541.12s（高日高時流量）

沉淀池。平面尺寸12.9 m×12.9m；斜管區平面尺寸4×5.6 m×10.0m，斜管區表面負荷7.44m/h（平均流量時）、10.12m/h（高日高時流量）

3.3 臭氧接觸池

臭氧接觸池為1 座2 格，平面尺寸L×B=23.95m×19.5m×8 m，接觸室分3 段，各段停留時間20min。

3.4 碳砂雙層濾料濾池

碳砂雙層濾料濾池設1 座8 格，單格尺寸為6m×6m，總過濾面積288m2，最大時濾速7.87m/h，濾層厚度2.4m，反沖洗強度11～13L/s.m2，反沖洗時間8～12min；定期大流量沖洗時，反沖洗強度15～18 L/s.m2，反沖洗時間8～12min。

主要設備有反洗水泵4 臺，Q=730m3/h，H=10m，N=30kW；活性炭濾料576m3，d10=1.5mm，k80=1.4，濾層厚度2m；石英砂濾料115m3，粒徑0.6mm，濾層厚度0.5m；鵝卵石承托層φ2～4mm、4～8mm 各60m3，8～16mm，30m3；濾池專用濾板288 塊，L×B×H=960×960×100mm；濾池專用濾頭14112個，φ21×440mm；進水槽24只：L=6.35m，厚度5mm；恒壓供水機組1 套，Q=60m3/h，H=27m，配套2 臺泵，單泵32.7～56m3/h，H=30.6～24m，功率N=7.5kW。

4 節能減排措施分析

4.1 建筑節能措施

4.1.1 自然采光

在污水處理廠廠房建筑的設計中，強化自然采光是一項關鍵舉措。這有助于減少電量的使用，提高能源效率。在屋頂上設置條形采光帶，并在墻體裝配高、低雙層采光窗，這些措施可以確保室內擁有充足的自然光線，從而減少對人工照明的需求，降低了電能消耗。

4.1.2 照明

在滿足照明需求的前提下，建議采用帶3C 標志和節能認證標志的燈具，這些燈具不僅具備出色的照明效果，還可以顯著降低能源消耗。同時，嚴格遵循《關于創建山東省節省型建設行業的意見》也是推廣節能照明的有效途徑。該政策有助于規范建筑領域的能源消耗，鼓勵使用符合要求的高效照明產品，從而推動建筑行業朝著節能目標邁進。

4.1.3 保溫材料

為了進一步降低能耗，廠房的墻體和屋面可以采用創新的節能保溫材料。粉煤灰空心磚、空心切磚、加氣混凝土等新型材料具備輕質、保溫性能出色的特點，可以在建筑中廣泛應用。同時，高效保溫材料如發泡聚苯乙烯、巖棉、玻璃棉、膨脹珍珠巖等，能夠顯著提高建筑的隔熱性能，減少能源浪費。

此外，門窗的合理使用也至關重要，特別是在保溫隔熱性能和空氣滲透性能方面。通過增加窗玻璃層數、貼透明聚脂膜、門窗密封條、高效保溫塑料窗等措施，有助于減少室內與室外之間的熱交換，從而降低室內能耗。通過增加絕熱層，有效減少室內與室外的熱傳導，可以進一步降低冷熱交換帶來的能源消耗。

4.2 設備、設施節能

4.2.1 潛水泵

在污水處理系統中，應當選擇高效率的潛水泵。為了最大程度地提高能源利用效率，應使泵的流量和揚程的工作效率超過80%，同時采用變頻調速電機驅動水泵，以適應流量變化，進一步降低能耗。

高效潛水泵能夠在提供所需水流的同時，減少能源浪費。在選擇泵時，應綜合考慮設計流量和揚程，確保泵的工作點在其性能曲線的高效區域。當泵的流量和揚程匹配度高于80%時，泵的運行效率將大大提升，能源利用更加充分。變頻調速電機驅動水泵也有較好的節能效果，隨著流量的變化，變頻器可以調整電機轉速，確保泵始終在高效工作區域內運行，避免了常規電機運行過程中的能源浪費。此外，變頻器還可以提供更加精確的流量控制，滿足不同工況下的需求，提高系統的穩定性和靈活性。

4.2.2 鼓風機

在工業生產中，為了提高能源利用效率，鼓風機的選擇和應用至關重要。為確保鼓風機的高效運行，需將工作點置于效率最高的工作區域，以充分發揮其性能。通過引入變頻裝置優化鼓風機的能源消耗。變頻技術能根據實際需求調整設備運行速度，實現節能運行，同時滿足不同工況下的需求。這有助于降低能源消耗，促進可持續發展。

4.2.3 變頻技術

通過引入變頻技術，可以將電機的工作狀態從輕載轉變為接近額定負荷，從而提高設備的效率和功率因數，實現節能目標。據統計，利用變頻技術可以實現高達21%的節電率，顯著降低能源消耗。為保持設備的最佳運行狀態，需要加強設備和電氣維護。定期檢查、維修和保養設備，確保其處于良好的工作狀態，可以進一步提高能源利用率。

為了確保設備的正常運行，維修和操作人員也需要接受專業培訓，全面了解設備的使用和操作方法。通過提高操作人員的技術水平，減少操作不當帶來的能源浪費。通過優化設備使用效率，進而達到節能的效果。

4.3 減排效果分析

擴建工程建成后，污水處理廠出水水質除CODcr ≤25mg/L、NH3≤1mg/L 其他指標執行一級A 排放標準。

根據進出水水質計算，建成后每年減少外排CODcr 6205t，BOD52774t，SS 3942t，氨氮496.4t，總氮511t，總磷80.3t。

5 結語

在自然采光、照明、保溫材料、潛水泵、鼓風機及變頻技術等方面采取有效的節能措施，能夠大幅降低污水處理廠的運行能耗，并減少了CODcr、BOD5、SS 等污染物的排放。在滿足污水出水水質的前提下，實現節能減排，有效緩解能源依賴性和環境壓力。