中小型污水处理厂节能途径及措施探讨

城市污水处理厂是能源密集的高能耗产业之一，污水处理厂的能耗费用占污水处理厂运营维护成本的30%~80%。据有关统计资料显示，中国82%以上的污水处理厂能耗高于0.440 (kW˙h)/m3 (包括污泥处理在内)，与欧、美、日等发达国家相比差距较大。近几年来，随着国家对水环境问题的持续重视，要求全国各县级以上城市必须建污水处理设施，污水处理率不断提高。但新建的县级污水处理厂的规模通常为处理能力小于10×104 m3/d的中小型污水处理厂。中小型污水处理厂一般具有规模小，投资低，工艺相对落后，单位处理量的能耗水平偏高等特点。高能耗不仅加剧了中国当前的能源危机，也造成高处理成本，一段时期以来，能耗大、运行费用高，一定程度上阻碍了中国城市污水处理厂的建设，建成的一些中小型污水处理厂也因能耗原因难以正常运行，处于停产和半停产状态。在今后相当长的一段时期内，能耗问题仍将严重制约中小型城市污水处理厂的运营与管理。因此，分析中小型污水处理厂的能耗环节，探讨节能措施，对降低污水处理厂的运行成本具有重要意义。

1 污水处理厂能耗分析

污水处理厂节能的首要任务是分析不同污水处理工艺的能耗水平及污水处理厂高能耗的设备工序，是否可通过工艺流程设计和管理等措施来降低能耗。

中国城市污水处理的典型工艺主要有传统活性污泥法、前置反硝化生物脱氮(A/O)工艺、厌氧/缺氧/好氧(A2/O)生物脱氮除磷工艺、氧化沟活性污泥法、序批式活性污泥法(SBR)及其改进工艺、水解酸化-好氧活性污泥法、AB两段活性污泥法、生物接触氧化法、曝气生物滤池(BAF)及其它生物膜法等，其中A2/O、氧化沟和SBR工艺在数量和处理能力方面占全国80%左右。虽然不同的污水处理厂采用的工艺不尽相同，但典型工艺流程包括：污水提升泵站→格栅→沉砂池→初次沉淀池→曝气池(生物池)→二次沉淀池→受纳水体或深度处理。总体来看，污水处理厂的能耗主要分布在以下几个环节：

a) 污水提升系统：一般情况下，污水处理厂的设计根据地形特点，需要将污水通过一级或几级泵站提升到一定的高度形成水位差，后续的处理以污水的自然流态进行。污水提升系统的能耗一般占全厂能耗的10%～20%;

b) 污水预处理系统：污水预处理系统主要包括格栅、沉砂池和初沉池。格栅主要拦截污水中粗大的漂浮物，其能耗主要表现在污水经过格栅时引起的水头损失;同时，清理栅渣的机械也将耗能。沉砂池和初沉池用以除去污水中粗大的砂粒及比重较大的悬浮物，刮砂刮泥设施会有一定的能耗，约占全厂电耗的2%～3%;

c) 污水处理系统：曝气池(生物池)是污水处理的核心。曝气池是好氧处理工艺的能耗大户，常规的曝气池供氧方式有鼓风曝气和机械曝气两种，需要用鼓风机或表曝机向污水中鼓入空气，使空气与污水充分混合，提高污水溶解氧，满足好氧细菌的生长条件，提高其净化污水的能力。此过程需要用到鼓风机、机械搅拌器等，因鼓风机或搅拌机的功率大，且要昼夜运行，其能耗约占污水处理厂总能耗的50%～70%;

d) 污泥回流系统：为了提高污水处理效果，保持曝气池的混合液悬浮固体(MLSS)浓度，需要一定量的污泥回流，回流泵会消耗一部分能量。其能耗约占污水处理厂总能耗的6%左右;

e) 污泥处理系统：污泥处理阶段的浓缩、消化、脱水及传输等，耗能也比较大，其能耗约占污水处理厂总能耗的10%～25%;

f) 污水处理厂照明及附属设施能耗：污水处理厂内各个单元的照明用电，办公室用电，化验室分析仪器设备用电等，其能耗约占污水处理厂总能耗的2%～3%。

对污水处理厂进行处理工艺和单元过程的能耗进行分析是有效运转和管理的需要，能提高能源利用率，降低处理成本，对缓解中国当前的能源危机及保障污水处理厂正常运行具有重要意义，还能在污水处理厂的规划、设计阶段体现节能的指导思想。

2 污水处理厂节能途径与措施

从污水处理厂节能的范围来看，涉及到工艺和设计、运行和管理及材料和设备三个主要方面。但具体到污水处理厂的能耗环节和处理单元看，主要分布在污水提升、污水一级物理处理、二级生化处理和污泥处理等单元，能耗主要由设备电耗产生，耗能主要设备包括污水提升泵、回流泵、鼓风机和污泥加热设备等。下面以城市污水处理的典型工艺流程为例，分析各处理单元节能途径和措施。

2.1 污水提升系统节能

污水提升泵是污水提升系统的主要耗能设备。据报道，可通过减小污水提升高度的设计措施，如：采取管道淹没出流，改变出水方式降低水头损失，控制跌水高度等技术，以减小出口处水头损失，可有效降低污水提升高度，节约能耗;在运行管理上，通过水泵电机调速运行，扩大水泵的有效工作范围可解决水泵效率低下的问题。向伟芳提出可用变频调速技术控制提升泵，能有效降低泵的能耗。特别是对于中、小型污水处理厂，由于不同时段的污水流量不同，如果提升泵的运行参数是固定的，则流量低时提升泵空转，引起能源的浪费。目前变频技术的应用范围越来越广，变频变速技术应用在污水处理厂中取得了明显的效果。实际运行数据表明，使用变频调速设备可使水泵平均转速比工频转速降低20%以上，综合节能效率可达20%～40%。同样情况下，与用阀门调节流量相比，可节能40%～60%。另外，很多中、小型污水处理厂由于使用老式泵，能耗大，效率低，如果采用新式节能水泵代替老式泵，可明显降低提升系统能耗。

2.2 污水预处理节能

污水预处理系统包括格栅、沉砂池和初次沉淀池，用来截留污水中较粗大漂浮物和比重较大的悬浮物，以保证后续污水处理设施的正常运行。其中格栅的节能空间较少;沉砂池用于去除污水中的泥沙等无机颗粒，常用的沉砂池主要有曝气沉砂池、平流式沉砂池、旋流沉砂池等，其中，曝气沉砂池因含曝气设备而能耗较高，平流式和旋流式则能耗相对较低，因此，在污水BOD浓度不太高的情况下，应尽量采用平流式和旋流式沉砂池来降低能耗;常用的初次沉淀池主要有平流、辐流和竖流三种，其中平流式沉淀池能耗最低，其次为辐流沉淀池，竖流沉淀池能耗最高，尽量选用低能耗的平流式或辐流式沉淀池。

2.3 污水处理系统

城市污水处理厂的处理工艺通常采用好氧生物处理，污水好氧生物处理工艺的曝气系统是最主要的耗能单元，寻找曝气系统的节能方法可以大大降低污水处理厂的整体能耗。

2.3.1 采用合理的曝气方式

污水处理厂常见的曝气方式有鼓风曝气和机械曝气两大类，鼓风曝气又可分为侧面曝气和池底全面曝气;机械曝气又可分为垂直轴式的机械曝气和水平轴式的机械曝气。通常情况下鼓风曝气的动力效率(每消耗1 kW˙h的电所提供的O2量)为1.0 kg O2/(kW˙h)～3.0 kg O2/(kW˙h)，机械曝气的动力效率为1.2 kg O2/(kW˙h)～2.4 kg O2/(kW˙h)。对于较小的曝气池，采用机械曝气能减少动力费用，并省去鼓风曝气所需的管道系统和鼓风机等设备，维护管理也比较方便。这类曝气器的缺点是，转速高，其动力消耗随曝气池的增大而迅速增大，所以曝气池不能太大。对于较大的曝气池，一般用鼓风曝气，优点是供应空气的伸缩性较大，曝气效果也较好，缺点是需要鼓风机和管道系统，曝气头易堵塞，时间长时曝气呈现不均匀等现象。

2.3.2 采用微气泡曝气器

氧转移效率和动力效率的高低是衡量曝气器性能好坏的重要指标。气泡体积越小，单位体积气体产生的气泡量越多，气泡的比表面积就越大，和污水的接触面积也越大，越有利于气体向污水中转移，因此，氧转移效率和动力效率就越高。据报道，采用微孔曝气器相比中大气泡的曝气器能明显提高氧转移效率和动力效率。如国外进口硅橡胶管膜式微孔曝气器，氧转移效率达23%，动力效率约为3.0 kg O2/(kW˙h)。该曝气器具有布气均匀、氧利用率高、动力效率高、微孔不容易堵塞等优点，且用进口硅橡胶材料制成，使用寿命长，与传统曝气器相比，使用该曝气器可明显降低能耗。