城市污水处理厂节能减排的路径

浙江双益环保科技发展有限公司 蔡潇彦，马敏杰，汪健桦

一、引言

据国家统计局公开数据显示，2020年我国全年城市污水排放量达到571.36亿立方米，以污水处理平均能耗0.45 kWh/m3计算，全年城市废水生物处理总用电量为257.11亿kWh。参考我国电力以火力发电为主的实际情况，按照电能全部以煤炭为主的火力发电计算，生产一千瓦时电会释放895.84 g二氧化碳，那么每年污水处理所排放的二氧化碳量会达到2.30亿吨。面对这些挑战，在实现城市可持续发展政策过程中，污水处理工作深受重视。但在污水处理过程中会造成大量能源物资耗用现象，导致污水处理成本上升，同时污水处理的大量资金投入需求，也会导致污水处理的严重耗用，因此传统的城市废水处理节能减排实现路径的研究具有重要作用。

二、城市污水处理厂能源物资耗用现状分析

根据公布的数据来看，到2020年，我国城市已建成2618座污水处理厂，全天污水处理容量约1.93亿立方米。拥有大量的废水处理设施，提高废水处理能力必然会消耗大量能源，这不仅会对环境产生负面影响，也会造成污水处理厂运行费用的上升，节能减排势在必行。就目前的情况来看，在污水处理的过程中能耗较高。不仅运行成本在增加，而且在处理过程中产生的CO2也在增加，一些废弃物也在增加。在污水处理过程中，供氧环节中曝气会产生大量的生物污泥和二氧化碳，同时混凝沉淀也会产生大量的无机污泥。随着对水质的要求逐步升高，污泥的产生和二氧化碳的排放量也越来越多，这与我国实施的节能减排和可持续发展的理念是背道而驰的。

（一）水、电、气、药剂、备品为主要能源物资耗用

污水处理厂运行期间，主要消耗电、水、药剂和其他工艺配件。其中，消耗最大的能源是电力。根据相关统计，城市一级污水处理厂平均每处理一立方米废水需要0.074千瓦时电量，城市二级污水处理厂处理一立方米废水需要0.328千瓦时电量。另外，处理污水时，渗透膜、水泵以及脱水器需要大量的清水进行冲击。举例来说，一个10万吨的污水处理厂带式脱水机，每台每小时耗水量达17立方米，加上其他设备的用水需求，污水处理厂每天必然消耗巨量水资源；在处理废水的过程中，还需要清洗制剂，每吨200克水；经过两次脱氮工艺后，还必须通过活性炭吸附或反渗透法净化废水中的杂质，然后通过臭氧或次氯酸钠对水进行灭菌，然后通过符合国家排放标准的后处理工艺向工业、绿化等部门排放。大量的水、电、药剂和备用物品的使用在污水处理厂污水处理运行成本中占据较大部分。

（二）设备选型设计存在缺陷，生产工艺落后

污水处理效率和污水处理设备的合理性直接关系到能源和材料的消耗。为降低投资成本，部分现有污水处理厂长期未及时引进新设备、新技术，污水处理工艺不适合后期水质的变化，厂内设备保养严重脱节，导致设备老化、磨损加剧，长期超负荷运行，污水处理设备维修费用增加。

三、城市污水处理厂节能减排的途径

（一）配备更加高效的污水处理装置

污水处理工作中电力消耗是巨大的，它是完成一个污水处理厂的最重要因素。为了保持低资本投资，重点应放在能源消耗和使用现代技术和设备上。同时，污水处理的发展离不开新技术的使用，应解决污水处理过程中各个环节的能源消耗问题，绿色能源消耗应尽可能渗透到整个污水处理过程中，并使污水处理厂在排放过程中的设备选择更加容易。同时，污水处理厂应该选择能够更有效地处理废污水的设备，并确保在这个过程中使用更少的有害物质。

（二）适当添加药剂

在污水处理过程中，污水处理厂首先要关注的是如何使污水处理过程危害小、节能、环保，以便在节能环保的基础上取得最大效益。在废水处理过程中可以加入一些绿色无污染的药剂，在添加药剂的过程中，对水的酸碱度和温度进行调节，结合污水的特点，加入适合使用的药剂，有关专业人员在选择药剂产品时应及早注意其效果，应尽可能选择小量但有效的产品，避免大量使用。另一方面，处理药剂产品投放的医药专业人员应该清楚地了解其与污水处理的任何方面有关的剂量，而不要因为人为操作不当造成污水的二次污染。在选择产品时，要确保选择廉价和快速起效的药剂，以确保污水处理的质量和最大效果。

（三）合理利用排放物

污水处理厂在污水处理过程中会产生大量的残留物、污泥和杂质。在污水处理中，杂质相对较少，但污泥含量往往相对较高。在污泥处理过程中，污水处理厂需要将自身的发展趋势与相关的国家立法和政策相结合，以确保合理和有针对性的处理。污水必须使用设备和化学品进行处理，以确保水质符合国家废水处理标准。水资源短缺是当今社会可持续发展面临的最严峻挑战之一，改善水质以及有效保护水资源和控制有害物质的排放尤为重要。污水处理厂的节能减排也能提高工厂的经济效益和环境效益，确保可持续发展。污水处理过程必须严格按照法规和标准来执行。

四、工艺节能

（一）污水提升泵节能减排

以昆明市某污水处理厂运行能耗为例，污水处理厂包括混凝过滤和深度紫外线消毒处理，预处理、二级处理、高级处理和污泥处理的能耗比分别为7.2%、64.8%、21.6%和6.4%，其中污水提升泵占6.9%，二次处理泵4.8%，通风能耗占55.4%。因此，废水处理厂最重要的节能措施是泵的提升和曝气。这个过程是能源密集型的，是节约能源和减少消耗的关键。目前，污水处理厂水泵能耗高的原因是电机有用效率低、设计和运行能力不匹配、水的波动以及管理控制不力所导致的。为了节约能源和减少消耗，全面分析应该从污水提升系统开始。首先，在污水处理过程的设计阶段，应全面调查现有的管网和整个污水处理过程，尽量减少待处理的污水和污水处理厂之间的高度差，并尽可能考虑使用淹没流方式。此外，应根据水道的容量及其变化，选择适当的泵或泵的组合。

根据管道系统变化的特点，特别是污水流量变化，选择相应的泵，达成泵在高水位条件下工作效率的需求。根据污水处理能力、扬程、水头损失和泵输出等，选取适当高效的泵组合，包括配比和调节变频器和固定功率泵，以减小泵操作轴运行功率，避免泵频繁打开，造成泵的使用寿命缩短。还应注意泵与发动机之间的匹配，以提高发动机的工作效率。还应该注重管道设计，保证系统结构紧凑、运行顺畅，减少管道弯曲长度，降低管道系统阻力和能耗。最后，要注意过程控制和设备维护，减少操作系统的滴水、污垢和机械磨损，确保设备和系统在高效条件下运行。

在我国的污水处理厂的设计和运行中，泵的改进主要是通过变频控制技术实现的。通过使用变频泵进行电机转速控制，在工作频率方面，泵的平均速度可以降低20%以上，总体节能效率为20-45%。中小型污水处理厂可以在一年左右收回变频控制系统投资成本。超声波液位计用于监测进水水位，并与出口管道的流量计相结合。

控制潜水泵逆变器的运动，可节省约10%的能源。采用变频调速技术取代阀门或节流控制器，降低水位，实现高水位运行，节能率为15%。三台潜水泵用于提升泵，其中一台是变频泵，设置超声波液位指示器，用于控制实际水位。在选择变频器时，在需要处理的水量变化较大且抗冲击负荷能力较低的地方，应安装变频泵；反之，不一定设置。基于泵站编组轮换算法和动态液位控制算法的进水提升泵智能控制方法，使泵站运行的能源节约率达到9.6%，整个厂的能源节约率约为2.5%。基于智能旋转控制算法，水位约为6.5%。此外，使用前端管网储水可以减少泵的运行数量，并实现20%的能源节省。

（二）污水生物处理曝气节能减排

曝气生物滤池是一种切实可行的污水处理技术，其自动化程度高，所需人力少耗能低，易上手操作简单，污水处理效果好。在消耗少量能量的情况下去除大量的污泥，达到改善水质的目的。污水中污染物的去除主要通过微生物的生化代谢来实现。污水生化处理工艺主要有A2O工艺、氧化沟工艺和MBR工艺。生物化学代谢与微生物清除污染物有关，需要电子受体的存在，电子受体主要由曝气供氧供给。因此，高效曝气是COD、氨氮等污染物去除和废水有效处理的重要保证.它还导致一定的能量消耗，因为污染物去除过程，（如A2O脱氮），需要蒸发混合物以产生硝酸氮作为电子受体，而化学脱磷过程需要添加化学物质以促进化学沉淀。溶解氧的控制是污水生物处理过程中的一个重要环节。可通过对曝气管道布局、曝气设备应用以及曝气供给制度的优化实现节能降耗。

曝气风机主要有TURPO风机和罗茨风机两种，TURPO风机是通过打开几个风机控制叶片进行曝气控制，而罗茨风机要采用变频控制风量，广泛应用于中小型污水处理厂。关于曝气技术，微孔曝气现在通常用于A2O和MBR工艺，而旋转刷曝气和倒伞曝气则通常用于氧化沟。微孔曝气可以提高氧气传输效率，减少曝气能耗，工作原理是通过微孔产生直径为1.5-3.0毫米的微小气泡，具有曝气均匀的特点。由于微孔曝气可以提高氧气传输效率，现在许多氧化沟工艺都配备了底部微孔曝气。氧化沟工艺通过从竖轴表面曝气转为使用可变微孔曝气器和水下推流器推流方法，实现了每单位污水处理能耗减少25-45%。曝气方法通常包括单面和全面曝气。传统上，人们认为单面曝气可以减少气流，但实践表明，全面曝气可以产生均匀的小涡流，形成局部混合，促进小气泡的迁移，提高氧气传输效率。当使用全面曝气时，与穿孔管相比，使用微孔盘式曝气头氧的有效率能大幅提高，可节省20%以上的能源。

除了曝气设备和曝气方法外，输送曝气量以节约能源和减少消耗的方法也是一个重要途径。曝气太少会影响出水水质，曝气太多导致能量损失，并影响活性污泥堵塞物的结构和沉降性能。节约曝气能源的实质是在生化处理过程中有效地去除污染物，保证污水的水质，平衡电子受体溶解氧所需的数量和供应的数量，避免浪费曝气能耗。在降低能耗方面，主要是将好氧区的溶解氧控制在一定水平，以避免过度曝气，根据污水处理的溶解氧的逐渐降低设置曝气量，并根据污水中的氨氮、COD浓度来调节曝气量。

在传统的活性污泥生化处理工艺中，曝气主要负责防止COD和硝化反应，因此供氧量的计算主要基于这两种生化工艺。通过将好氧区的DO质量浓度控制在2-3mg/l或通过工艺调整，缩短好氧区的长度，可以达到能耗降低17.1%，避免过度曝气，这也提高了TN的去除效率。在生化领域，连接到控制面板的DO信号可以用风压值进行编程，利用风压精确控制曝气，可以节省27.95%的能源。通过控制氧化沟转刷的时间，也可以减少每个处理单元的能耗。

为A2O工艺优化的曝气流量控制系统有效地控制了好氧区的溶解氧浓度，使每吨处理水的能耗降低了11.2%，从升级前的0.149 3千瓦时到升级后的0.132 6千瓦时－－并确保出水质量达到A级标准。溶解氧由曝气流量控制系统控制，引入控制技术后，能耗从0.38kWh/m3降至0.25kWh/m3。鉴于现有的溶解氧控制系统在低溶解氧时的控制效率较低，风扇控制的主要方面是避免曝气风扇过冲的问题。为解决风机喘振问题，需要控制风机出口压力实现DO的自动控制，通过采用低DO和出水氨氮浓度控制，可以实现有效的系统自动控制和节能。精确的曝气也可以通过在废水处理过程中控制ORP和pH值来实现，但这种方法变化很大，在实践中没有广泛使用。

我国的污水处理工艺通常存在设计曝气量远远大于实际现状需求量的问题，故好氧段可以缩短停留时间以降低好氧能耗。氧化沟工艺前端的好氧区变为缺氧区，出水DO浓度主要控制在1-2mg/L，不仅改善了废水水质，而且将处理能耗降低到0.241kWh/m3，比转化前降低20%以上。优化工艺设备的运行也可以有效降低能耗。污水处理过程在低氧条件下（0.5-0.8 mg/L）的运行也确保了硝氮的去除，保证良好的出水水质和能源节约。通过降低生物池的混合功率密度，节省搅拌单元50%的能源。除了优化工艺操作外，污水厂还可以考虑峰谷电的政策，尽可能减少高峰用电，以及与污水处理厂网络的综合控制协同，减少电力消耗成本。

（三）优化或革新的污水处理节能减排

从工艺的角度来看，能够节约能源的新的废水处理工艺包括反硝化除磷和厌氧氨氧化以及基于短程硝化的污水脱氮工艺，短期硝化工艺节省了25%的能源，因为它只将氨氮硝化为亚硝酸盐而不是硝酸盐。用亚硝酸盐代替硝酸盐进行反硝化，也能减少反硝化对碳源的需求，并且可以使污水脱氮更加有效。厌氧氨氧化技术主要应用于含氨量高的污水处理中，其中约50%的氨氮必须被氧化成亚硝酸盐，因此其需氧量要低得多，可以实现高能效。由于反硝化作用和除磷是同时进行的，而且硝态氮是主要的电子受体，因此，反硝化方法还可以显著节省曝气能耗。与传统的先进生物除磷技术相比，反硝化技术可将碳源利用率提高50%，节省30%的曝气量，减少50%的泥沙形成。

污水中的有机物本身就是一种能量载体，所以除了在废水处理中节约能源外，还可以考虑从污水水中回收能量。主要方法包括污水的厌氧处理，包括膜厌氧处理新工艺等。能源回收还侧重于通过增加废水的有机碳源和利用厌氧发酵从污水中提取碳能源。

五、结语

我国城市污水处理厂的建设正在不断完善，但是在节能减排方面仍旧存在一些问题，未来对城市污水处理厂的节能减排提出了更高要求，为实现这一目标，精细化管理和污水处理全过程优化值得深入实践，本文重点内容主要包括：

（1）从污水处理厂主要能耗方向入手，进行设备选型和工艺技术的革新

（2）从配备更加高效的污水处理装置、适当添加药剂、合理利用排放物方面入手，开展城市污水处理厂节能减排工作

（3）废水处理厂的节能降耗最重要的是提升泵和曝气。可以通过提升泵、生物处理曝气达到污水处理节能减排的目的

(4）开发新的节能减排的污水处理工艺。去除污水中污染物及其附带细菌的，开发新的废水处理工艺，以及在废水处理中认真推广节能和节约资源的做法，是节能降耗的一些技术手段。

(5）开发和应用基于节能减排效益的综合评价方法和系统。为了全面评估节能减排的影响，全面评估如何减少能源消耗，应该建立一个基于整个污水处理过程的生命周期评估概念。为了全面分析能源消费对可持续发展的影响，还必须建立一个由环境、经济和技术指标组成的评价体系。