德国污水处理面临的新挑战及应对措施——降耗增产篇-北极星环保网

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如何节省能耗

由于地球上燃料资源的日益消耗殆尽以及温室气体排放带来的影响，污水处理厂如何降低能源消耗变得越来越重要。德国已经决定在未来十年内，关闭所有的核能工厂，这也将意味着德国要面对能耗更加紧缺的局面。德国所有的污水处理厂每年消耗4400GWh的电能，平均每个污水厂每年消耗电能35KWh/PE×y，即每天100Wh/PE×d。

在一个改良活性污泥工艺的污水处理厂内，电能消耗如表3所示：

为了降低能源消耗，污水处理厂内所有的耗能环节都需要进行改良优化。对于耗能大户“曝气系统”而言，大部分污水厂采用的都是鼓风曝气，空气直接压送至曝气池内的曝气头，因此鼓风机是整个水厂里最大的耗能设备。为了减少能源消耗，污水厂应当采用高效能的鼓风机和氧利用率高的曝气头。同时，还应采取“智能化曝气过程控制”。针对水泵、搅拌机这类相对较小的耗能环节，通过设备改进与优化，可使污水厂每年减少20KWh/PE×y的电能消耗。

另外，厌氧氨氧化工艺可以为水厂节省更多的能源。1990年左右，专门针对处理高氨氮废水提出了厌氧氨氧化工艺，该工艺也被称为部分亚硝化工艺与厌氧氨氧化工艺的结合。该工艺包括以下两个步骤：

(1)部分亚硝化反应，大约有50%的氨氮被氧化为亚硝酸盐。NH4+ + 1.5 O2 → NO2– + H2O + 2 H+

(2)厌氧氨氧化反应，在厌氧氨氧化菌的作用下，第一环节中未参与反应的50%的氨氮和第一环节中产生的亚硝酸盐直接被氧化生成N2。NH4+ + NO2– → N2 + 2 H2O

跟传统硝化/反硝化脱氮工艺相比，厌氧氨氧化工艺中脱氮过程对氧的需求量可以减少50%，整体工艺对氧的需求量可以减少10%。目前该工艺仅被用作处理几百ppm的高氨氮废水。

10年以前，在德国的Hattingen建造了第一座采用厌氧氨氧化工艺的污水处理厂，该厂的消化污泥脱水液采用厌氧氨氧化工艺进行处理，并成功得以应用。但是直到今天，相比处理消化污泥脱水液而言，由于污水本身的氨氮含量较低，所以厌氧氨氧化工艺一直没有得到直接处理污水的主流应用。如果主流应用可以实现，传统工艺中反硝化过程需要额外补充碳源的问题将被彻底解决。同时，传统工艺中反硝化反应是异养反应，要想维持异养反应的正常运行，BOD/N不能低于4，正因为如此，预处理工艺中挥发性悬浮固体(VSS)的去除率就受到了一定限制，大约只有50%的VSS可以被去除。如果不是因为这个局限，预处理工艺可以就去除更多的有机物，这样以来，消化污泥脱水液中的有机物含量就会越高，也意味着产生的可利用沼气就越多。另外，还有一个关键问题依然处在研究阶段：部分亚硝化工艺需要在低氧浓度条件下进行，以避免氧浓度较高发生全程硝化，全程硝化会产生大量硝酸盐，但是在这种条件下，如果控制不好，氧浓度过低，又会产生反硝化脱氮，直接导致N2O大量产生，而N2O本身也是一种温室气体，所以如何稳定控制低氧浓度依然是个关键问题。

如何增加产能

废水中含有两种能源：有机物和氨氮。在厌氧条件下，有机物可以被降解形成沼气、二氧化碳和氨等终极产物，其中沼气则可以用来发电、产热。污水处理过程去除污染物的同时，也意味着将这两种能源去除掉，并且曝气和硝化过程还需要消耗大量的能量，比如耗电。

相比好氧反应而言，厌氧反应耗能更少而产能更多。但是迄今为止，仍然没有主流厌氧工艺进行污水脱氮的技术实例。这就是为什么好氧工艺在污水处理厂中依然处于主导位置，而目前也只有预处理和二沉池的污泥可以被用来产生沼气和发电。

以下增加电能产量的方法可以供参考：——增加污泥产量，尤其是有机污泥产量;

——增加消化池的沼气产量;

——增加电能的产率。

1、增加污泥产量

图9展示了传统硝化/反硝化活性污泥工艺中沼气的产生过程。进水中总挥发固体TVS含量为90g/PE，其中40g是挥发性悬浮固体(VSS)，50g是挥发性溶解固体(VDS)。为了保证反硝化过程有足够的有机物，预处理工艺中初沉池的停留时间只有0.5~1小时，在这个工况下，大约有20g的TVS将会被沉淀并作为初沉污泥排至消化池，而剩余的70gTVS将会送往活性污泥反应器。假设70gTVS中有50%将被矿化，而剩余50%将留在水中，被矿化的TVS中包括30g的VSS和5g的VDS。在二级生物反应器中，30g的VSS经过3小时的沉淀将全部得以去除，并作为二沉污泥送往中温厌氧消化罐。这样一来，消化罐将接收50gVSS，其中20g来自初沉污泥，30g来自二沉污泥。消化罐的反应时间设置为20~30天，消化率大约为50%。25g有机物将产生25L沼气，而其中甲烷含量是60%左右，也就是说甲烷产量是15L。15L甲烷将产生150Wh的热值。

延伸阅读：

德国污水处理面临的新挑战及应对措施——现状篇

德国污水处理面临的新挑战及应对措施——概述篇

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