城市污水处理厂主要处理工艺及能耗点分析评价

2022-11-06陈国蓉

山西化工 2022年7期

陈国蓉

（忻州市生态环境局东部区域监测技术保障中心，山西忻州 034000）

引言

水是生命之源，是国民经济和社会发展的基础资源。然而，由于工业化发展、粗放型的生产模式、意识薄弱等原因，大量的水资源受到污染[1]。城市污水处理厂是对城市污水进行净化的场所。近年来，随着环境保护力度的加大，城市污水处理厂的建设和发展速度也十分迅速。据相关分析显示，污水处理厂各处理单元如提升泵、曝气充氧等运行皆需消耗大量电能，由于运行需要长期投入费用较高。因此，探讨工艺和设备的能耗情况，尽可能节能降耗降低运营成本，具有很现实的经济意义[2-3]。

1 城市污水处理厂运行成本分析

污水处理厂是对从污染源排出的污（废）水进行净化的场所，其生产运行主要分为设备和工艺运行两个方面，能耗主要包括直接和间接能耗，因此加强城市污水处理厂的设备管理和工艺运行管理，降低直接能耗和间接能耗非常重要。

1.1 各生产运行指标分析

以日处理污水量4 万t 并采用改良生物除磷脱氮（A2O）工艺的某城市正常投入运营的污水处理厂为例，运行成本主要包含动力费、维修费、药剂费、人工费等。其中，动力费主要包括基本电费和电度电费两部分，前者为实际收费变压器容量×每月基本电价×运行月数，根据当地峰谷平电价取值计算，为192 万元，后者为实际天数处理，为全年按365 天考虑，吨水电耗取0.5 kWh，计算结果为438 万元，二者相加为630 万元。

药剂费主要包括所有用于水处理以及污泥干化的药剂，每一种药剂的药剂费主要取决于投加量、吨水药耗等因素。一般情况下，城市污水处理厂的某一种药剂费=日实际处理水量×药剂投加量×药剂单价×投加日，总药剂费等于每种药剂费用之和。

由以上污水处理厂动力费、药剂费计算分析可知，只要确定好影响一个城市污水处理厂动力费、药剂费、人工费等关键因素，就可以通过多种方法及途径，针对其采取有效措施来降低生产运行成本。

1.2 设备运行管理及维护措施分析

首先，污水处理厂设备设备的采购要结合污水处理厂的实际需求，挑选出适合污水处理厂的设备；其次，设备的使用及维护也是需要重点关注的，应购买安全系数高、维护周期短、操作简单等的设备；第三，为了保障污水处理厂长期稳定运行，对于曝气设备等使用频率高的设备，应该多采购几个设备，以作备用。

1.3 工艺运行管理分析

首先，加强水质工艺过程监测管理，根据化验数据及进、出水水质情况及时调整工艺，进行水质排放不达标的预防性控制，确保出水水质100%达标；其次，关注污水处理厂日均处理水量和吨水耗电量，适时调整鼓风机频率以控制曝气量，加强工艺管理，控制能耗；第三，运行人员严格24 h 监控设备运行情况并认真准确做好记录，确保生产安全。

1.4 我国典型城市污水处理厂各处理单元能耗的占比

根据大量实践调研及理论调研显示，污水处理厂能耗主要包括直接能耗（运行所需电能）和间接能耗（投加的化学药剂），各处理单元能耗占比情况，如表1和下页图1 所示。

由表1、图1 可知，城市污水处理厂运营公司能耗大体主要包括七个大项，占比较大的前三位分别是曝气供氧设备、提升泵和污泥脱水系统，是节能降耗的关键点。

图1 煤三期污水处理工艺流程

表1 煤三期污水处理工艺流程

2 城市污水处理厂主要处理工艺及能耗点分析评价

一般情况下，城市污水以物化处理和生化处理为主，具体包括传统活性污泥法、生物脱氮除磷法、氧化沟等，而城市污水处理厂采取何种处理工艺，需经全面技术经济综合比较后优选确定。下面分别介绍各个工艺及其能耗点。

2.1 厌氧好氧法

厌氧好氧法是集缺氧、好氧为一体的工艺，是一种典型的生化处理工艺。该工艺工作流程一般为：污水→缺氧池A1（悬浮污染物被分解+脂肪等污染物被氨化）→好氧反应池O（对污水中的物质进行氧化）→污泥回流。

厌氧好氧法同时具有缺氧和好氧的功能，且该工艺抗冲击能力强，可以维持稳定运行；同时，此工艺对废水中有机物、氨氮等水质重要指标的去除力较强（但脱氮除磷效果较差），也是典型的生物脱氮工艺，且反硝化过程中不需要额外添加甲醇等昂贵碳源，这样能减少一部分的药剂费用。通过分析可知，厌氧好氧法时常被用作在大中型污水厂的生活污水处理中，其能耗点主要集中在工艺及设备直接能耗（运行所需电能）等方面，包括调节池内潜污泵、好氧段充氮风机、污泥提气装置、反冲洗泵，因此需对这些部位进行详细地能耗分析和节能措施研究。

2.2 生物脱氮除磷

生物脱氮除磷是集厌氧、缺氧、好氧为一体的工艺，主要由厌氧池、缺氧池和好氧池三段组成。该工艺工作流程一般为：污水、二沉池外回流→厌氧池（厌氧释放磷）、好氧内回流→缺氧池→好氧池（微生物生化降解有机物+氨化硝化有机氮+聚磷菌摄取总磷）→沉淀池→外回流、剩余污泥、出水[1]。

生物脱氮除磷工艺中，厌氧段、缺氧段、好氧段溶解氧质量浓度分别控制在＜0.2 mg/L、＜0.6 mg/L 和1 mg/L～3 mg/L 之间。生物脱氮除磷工艺基本不会出现污泥膨胀的现象，但脱氮和除磷的过程是相互矛盾的，要同时达到高效脱氮除磷是不现实的，二者只能选择其一。根据工艺特点，好氧段的溶解氧浓度值主要由鼓风机等曝气设备提供，是本工艺的主要耗能点之一，占77.7%；其次是外回流泵，占10.8%；再次是内回流泵、推流器、剩余泵、刮吸泥机，分别占比4.75%、3.8%、7.73%、1.29%，因此需对这些部位进行详细地能耗分析和节能措施研究。

2.3 氧化沟

氧化沟是活性污泥法的一种变型，是使用的最早的一种污水处理工艺。该工艺工作流程一般为：曝气机对污水进行曝气+搅拌器对污水进行搅拌→微生物有效地去降解污水中的有机物质、氨氮和总氮。

氧化沟工艺曝气池呈封闭的沟渠型，采用的连续曝气的方式，同时曝气采用的是微孔曝气，能有效的增加污水和活性污泥的接触面积，提高处理效率。氧化沟具有推流和完全混合相结合的特点，从外到内溶解氧浓度具有明显的梯度变化，能够同步去除有机物浓度、氮和磷等。奥贝尔氧化沟采用的是延时曝气法，三个沟道的溶解氧浓度依次呈梯度变化，从外沟、中沟到内沟道依次装有数量不等的表面转碟曝气机，因此也就更为节能和效率高，也是目前应用最多并且比较有代表性的。该工艺能耗点由大到小排列，依次主要集中在转碟曝气机、搅拌器、刮泥机，尤其转碟曝气机能耗占比高达75.5%，因此需对这些部位进行详细地能耗分析和节能措施研究[2]。

2.4 序批式活性污泥

序批式活性污泥工艺属于序列间歇式活性污泥法，是活性污泥法的一种变型，适用于进水水量不稳定、变化较大及出水间歇排放的情况。序批式活性污泥工艺是生化处理工艺，该工艺一个运行周期工作流程一般为：进水→反应→沉淀→出水→待机。

该工艺在一个运行周期内污水依次在反应池内生化反应，所有的操作都是在单一的反应池内进行，如此周而复始不断进行污水处理。通常反应池容积的大小根据间断来水的情况进行设置，也可以考虑设置多个反应池。生化反应过程可以分为好氧曝气、厌氧搅拌和静置三个阶段，因为沉淀时间可以自由控制，因此该工艺沉淀效率比较高，不易产生污泥膨胀。同时，曝气池容积相比于其他连续式污水处理工艺要小很多。由综合分析可知，该工艺能耗点由大到小排列，依次主要集中在搅拌机、鼓风机、剩余污泥泵和滗水器，尤其搅拌机能耗占比高达92.8%，因此需对这些部位进行详细地能耗分析和节能措施研究。

2.5 循环式活性污泥

循环式活性污泥（CAST）同时包含反应阶段、沉淀阶段和排水阶段，集反三者为一体，不需要设置沉淀池等[3]。循环式活性污泥工艺也是生化处理工艺，该工艺一个运行周期工作流程一般为：进水→曝气→沉淀→滗水→闲置。

该工艺污水分批次进入反应池，生化反应过程和泥水分离过程在同一反应池中进行，每一个运行周期均按照设定的控制时间进行操作。该工艺无需设置独立的初沉池和二沉池，工程造价低，缺氧和好氧交替进行，具有良好的脱氮除磷效果，还能能很好缓冲进水水质、水量的波动等。该工艺是在序批式活性污泥工艺基础上进行改进后的新工艺，主要能耗点为鼓风机，占比77.1%，其次能耗点由大到小排列，依次主要为回流泵、剩余污泥泵、推流器、搅拌机、滗水器，因此需对这些部位进行详细地能耗分析和节能措施研究。