污水处理中技术创新与节能降耗研究

姜麟 李壮 王勇

沈阳嘉诚水务有限公司 辽宁 沈阳 110000

1 污水处理中的节能降耗

有效实施污水处理厂的节能降耗工作，首先必须认清污水处理厂运行成本的组成。经过大量的项目运营数据分析，电费、药剂费及污泥处置费三部分成本几乎占到工业园区污水处理厂直接运营成本的80%～90%。因此针对电费、药剂费及污泥处置费的节能降耗与技术创新是优化能耗与运行成本的关键。下面以沈阳某化工园区工业污水处理厂为例分别从电耗、药剂投加及污泥处置三方面进行论述。

1.1 电耗

该化工园污水处理厂主要耗电设备有调节池搅拌器、污水处理提升泵、生化池曝气鼓风机和臭氧发生器4大类。

调节池搅拌器：该项目搅拌器采用双曲面形式，包含精细化工废水调节池搅拌器、其他废水搅拌器等共计28台，设计均为24小时连续运行。由于园区污水厂进水标准执行纳管标准，进水SS浓度较低。因此，搅拌机可采用间歇式运行或设备之间定时交替运行方式运行。可减少该单元能耗50%。

污水处理提升泵：污水处理厂中提升泵是不可或缺的核心设备，污水提升泵的节能降耗可采用安装变频器对水泵进行变频控制降低能耗，同时在设计时充分利用水力高程，减少或避免运行中的高程提升所产生的能耗。最后在水泵的选型时要对水泵的运行工况仔细研究，使水泵运行时保持在最佳的工况运行点。对水泵输送介质进行分析，若闭式叶轮水泵能满足要求不会发生堵塞的情况下，就不要选择避免污堵效果好但效率低的开式叶轮或半开式水泵。在细节上取胜实现节能降耗。

生化池曝气鼓风机：曝气鼓风机的节能降耗首先从设备的选项上尽量不要选择罗茨风机，而选择效率更高的磁悬浮或空气悬浮风机。曝气器尽量选择氧气转移效率更高的微孔曝气器而不要选择旋流或旋混式曝气器（高硬度废水除外）。运行过程中不断摸索实施精确曝气，将好氧池末端溶解氧控制在2mg/L以内，精确曝气减少溶解氧浪费，从而实现曝气系统的节能降耗。

臭氧发生器：随着国内污水处理环保要求的日益严苛，工业水难生物降解物质较多，臭氧氧化工艺在水处理领域，特别是化工污水处理领域得到了广泛的应用。而臭氧产生机理决定了该工艺必定带来超高的电能消耗和运行成本的升高。臭氧氧化工艺的使用可从两个方向探索节能降耗。①氧化1kg COD通常需要3～4kg臭氧，而实现大分子有机物的开环断链通常只需要1.5～2kg臭氧，因此可考虑将臭氧氧化深度处理工艺用于化工污水的预处理，臭氧仅完成破坏断链工作后续处理工作仍交给生化系统完成可减少臭氧投加量40%～50%。②提高臭氧氧化效率，作为深度处理工艺时臭氧的氧化效率尤为关键，在传统臭氧接触氧化池基础上创新出臭氧催化氧化反应器。通过催化剂的催化作用产生OH，羟基自由基具有更好的活性与电势电位，从而提高氧化反应效率。

1.2 药剂投加

通常污水处理中药剂最大的消耗品种有PAC、PAM、乙酸钠、酸、碱液等。化工园区污水各企业间pH差异较大，对各个排污企业排污周期、水量及pH特点进行排查。合理进行混合调配可减少酸碱用量降低运行成本。对于混凝沉淀根据污水水质进行试验小试，根据不同混凝药剂和絮凝药剂的试验比对，确定最佳药剂和最佳药量减少药剂的浪费。C/N比的失衡是很多化工园区污水的通病，可采用生化分段进水、短程硝化反硝化等工艺技术减少碳源的投加。同时也可以利用啤酒废水、大豆制品废水等污水进行协同处置废物利用减少碳源的投加实现节能降耗。

1.3 污泥处置

该项目污泥处理是采用预浓缩（加药）、污泥调理、高压隔膜板框压滤机等系统，通过上述工艺降低污泥含水率，一般情况下经浓缩机处理后污泥含水率约为92%～93%，经高压（液/气压）隔膜板框压滤机处理后含水率约为60%～70%，含水率最终受污泥本身组分和石灰等干粉投加量影响较大[1]。污泥处置单元节能降耗的主要途径是将其最大化的资源回收利用，例如高热值污泥可用于电厂或热源厂锅炉参烧，高有机质污泥经堆肥发酵后可用于污泥还田和土壤改良。污泥焚烧后强度、成分等经检验合格可用作建筑材料或路基土等。

污泥土壤改良，生化系统产生的污泥通常含有非常多的有机物和能够促进植被生长的微量元素如Fe、P、N等，能够改良土壤成分、增强肥力改善理化结构等。但是在污泥进行土壤改良前需要对污水处理厂的污泥堆肥工艺进行严格管理和质量控制，并且对污泥成分详细分析分析、合理施用。

污泥堆肥发酵技术是一种有效的同时可实现污泥减量、污泥灭菌害化处理、脱水减量固化的综合性处置技术。堆肥也是污泥农用最为简单有效的手段，堆肥工艺根据反应过程中溶解氧和菌落种类的不同，可分为厌氧堆肥和好氧堆肥两种。反应利用厌氧微生物或好氧微生物在厌氧或有氧状态下对有机物进行发酵分解，充分发酵后可作为肥料用于农田、土壤改良或园林绿化，但好氧堆肥能耗高、厌氧堆肥由于反应速率较慢发酵周期长需占用大面积场地。

2 污水处理中关于节能降耗的技术创新

一直以来，为了解决污水处理中脱氮工艺的各种问题，各国学者在众多方向开展了实验研究。随着材料技术、电子技术等方面科技的发展，一系列新型脱氮工艺随之诞生。而短程硝化工艺则是在原有脱氮理论和生物学研究基础上的新突破。

传统生物脱氮工艺对氮的去除主要分为两种，一是利用活性污泥中微生物的同化作用将氮转化为微生物细胞合成成分。因此，传统生物脱氮工艺仅能去除少量污水中的氮，且受C∶N∶P营养物质比值、污泥浓度、微生物活性等客观因素影响。二是利用硝化细菌和反硝化细菌的硝化反硝化作用。在好氧池内低底物浓度条件下通过硝化菌的作用将氨氮氧化为硝酸盐，在缺氧池利用污水中的碳源或外加碳源在污水碱度充足的条件下，反硝化菌将硝酸盐氮还原生成气态氮从水中去除的过程。该工艺应用常见的水处理工艺有A2/O工艺、A/O工艺、氧化沟等。但C∶N比失衡时需补充大量碳源，为保证脱氮率也需要内回流几倍于进水的硝化液能耗较大。近年来基于传统工艺问题工艺研究的不断深入，学者在研究脱氮反应实验过程中发现了不同于传统脱氮理论认知的新现象，例如硝化反应除自养菌参与外，异养菌也同时能参与硝化作用；甚至一些微生物在好氧环境下也能够进行反硝化作用；甚至人们在实验中观察到了厌氧反应中NH3-N得到去除的现象。这些发现为脱氮工艺的设计带来的新的思路与方向，根据上述发现创新出的工艺有短程硝化反硝化、同步硝化反硝化等。本文以短程硝化为例对技术创新对节能降耗产生和经营成本的优化进行阐述。

污水处理中生物法脱氮工艺由硝化和反硝化两个步骤组成，而硝化过程分为氨氧化阶段和亚硝酸盐氧化阶段。这两个阶段分别由氨氧化菌和亚硝酸盐氧化菌独立催化完成。第一阶段是氨氧化阶段，将氨氮NH4+-N氧化为亚硝态氮NO2—-N；而第二阶段则是亚硝酸盐氧化阶段，将亚硝态氮NO2--N氧化为硝态氮NO3--N。因为硝化反应是由两种生理特性完全不同的细菌催化完成的不同反应，所以可以通过控制反应条件，将硝化反应控制在NO2--N阶段而终止，阻止NO2--N的进一步氧化，最终NO2--N直接进行反硝化实现短程硝化反硝化。

2.1 短程硝化反应的条件

2.1.1 pH值：由于亚硝酸菌与硝酸菌生长对pH值的喜好范围不同，我们可以通过采取控制pH值的手段实现短程硝化。硝酸菌生长最佳pH值在6～7，亚硝酸菌生长最佳pH值在7.0～8.5，所以通过将pH值维持在8～8.5就能有效抑制硝酸菌生长。

2.1.2 温度：在5～45℃之间，氨氧化细菌和硝化细菌均可生物代谢。但在12～14℃时，此时的温度会抑制活性污泥中硝化菌的生物活性，出现NO2—-N的积累；15～30℃时，硝化反应过程形成的NO2—完全被氧化成NO3-，当温度超过30℃后再次出现NO2—的积累。所以微生物在高、低温均可发生亚硝酸盐的积累。所以低温也可实现短程硝化，低温时亚硝酸盐氧化菌利用氨氮的能力大于硝化细菌利用NO2—-N的能力，从而造成NO2—的累积。但短程硝化系统需要在较高温度的夏季启动，使在系统运行稳定后逐渐降温，适应低温环境，保证处理效果；通过工艺参数控制系统稳定运行优化污泥生物种群结构，逐步驯化最终在低温条件下维持短程硝化。

2.1.3 DO浓度：通过生化系统溶解氧浓度的控制实现短程硝化是目前这些技术应用于工程案例的一种较好的手段。作为工程项目中较易控制的一项参数，设计及运行中控制好曝气量、曝气时间、曝气频率以及曝气形式，便可以实现短程硝化。在生化处理系统就，将DO的浓度控制在0.5mg/L以下时，就可以实现亚硝态氮积累，使内回流液中亚硝态氮占总硝态氮的80%以上，甚至更多。DO浓度是氨氧化菌和亚硝酸盐氧化菌生长的重要工艺参数，氨氧化菌和亚硝酸盐氧化菌的氧饱和常数分别为0.3mg/L和1.1mg/L[2]。氨氧化菌对氧的争夺力较亚硝酸盐氧化菌强，在低DO浓度下亚硝酸盐氧化菌的活性会显著减弱，使氨氧化菌生长速率超过亚硝酸盐氧化菌；虽然低DO浓度会使微生物代谢减慢，但硝化过程的氨氧化作用未有明显减弱，从而实现NO2—-N的大量积累。

2.1.4 SRT：控制SRT虽然不能实现反应阶段的控制，但SRT却是短程硝化稳定运行的重要参数。当频繁排泥SRT控制较低时会出现亚硝酸菌、硝酸菌的流失，最终导致处理能力下降；泥龄过长硝酸盐菌的累计增多，系统若此时低负荷运行，生化系统会出现全程硝化转化。因此，短程硝化反应中SRT参数的控制至关重要。

2.1.5 短程硝化的优点：①能够使整个硝化反应过程节省约15%～20%供氧，反硝化过程的碳源投加以乙酸钠计可节省约25%左右，实现节能降耗。②反硝化和硝化反应的反应速率被加快，所以缩短生化系统反应时间，硝化反应池池容可减少6%～9%，反硝化池池容减少20%～30%，节省了项目的初期投资。③氨氧化菌的世代周期比亚硝酸盐氧化菌要短，所以它的泥龄更短，微生物群落活性更高，整体反应效率更快。

3 工业园区污水处理技术创新与节能降耗的重要性

为了促进我国地区经济的高速发展，深度优化工业行业资源，各地先后建成了一批产业技术示范区、特色工业园区、经济技术开发区等各式各样的工业园区。这些项目的建成，对区域规划布局、地区产业发展、招商引资、土地开发、项目运营等都是一个促进。我国在建的和建成的工业园区数量接近9500个，工业污水的排放量已达到全国总污水排放量的45%左右[3]。

随着环保政策要求的日益严苛，以能耗换水质的做法已成为制约工业园区发展的枷锁。污水处理费提高会给企业带来巨大的经营负担，同时不利于新建园区的招商引资工作，影响工业园区的可持续发展成为园区主管部门的头痛问题。因此，工业园区污水处理的技术创新与节能降耗研究对工业园区乃至地区经济的可持续发展尤为重要，是我们在污水处理运营中必须重点关注仔细研究的工作内容。

4 结束语

综上所述，工业园区污水处理技术创新与节能降耗问题，绝不仅仅是污水处理厂或相关政府主管部门的问题，更是关系到各个园区企业切身利益的问题。无论是园区污水处理厂还是园区排污企业及市政部门，大家在工作中要密切配合，互相协助，在污水处理确保达标排放的前提下，以技术创新与节能降耗为核心驱动，实现环境的优化和经济的可持续发展。