城市污水處理廠主要處理工藝及能耗點分析評價

陳國蓉

（忻州市生態環境局東部區域監測技術保障中心，山西 忻州 034000）

引言

水是生命之源，是國民經濟和社會發展的基礎資源。然而，由于工業化發展、粗放型的生產模式、意識薄弱等原因，大量的水資源受到污染[1]。城市污水處理廠是對城市污水進行凈化的場所。近年來，隨著環境保護力度的加大，城市污水處理廠的建設和發展速度也十分迅速。據相關分析顯示，污水處理廠各處理單元如提升泵、曝氣充氧等運行皆需消耗大量電能，由于運行需要長期投入費用較高。因此，探討工藝和設備的能耗情況，盡可能節能降耗降低運營成本，具有很現實的經濟意義[2-3]。

1 城市污水處理廠運行成本分析

污水處理廠是對從污染源排出的污（廢）水進行凈化的場所，其生產運行主要分為設備和工藝運行兩個方面，能耗主要包括直接和間接能耗，因此加強城市污水處理廠的設備管理和工藝運行管理，降低直接能耗和間接能耗非常重要。

1.1 各生產運行指標分析

以日處理污水量4 萬t 并采用改良生物除磷脫氮（A2O）工藝的某城市正常投入運營的污水處理廠為例，運行成本主要包含動力費、維修費、藥劑費、人工費等。其中，動力費主要包括基本電費和電度電費兩部分，前者為實際收費變壓器容量×每月基本電價×運行月數，根據當地峰谷平電價取值計算，為192 萬元，后者為實際天數處理，為全年按365 天考慮，噸水電耗取0.5 kWh，計算結果為438 萬元，二者相加為630 萬元。

藥劑費主要包括所有用于水處理以及污泥干化的藥劑，每一種藥劑的藥劑費主要取決于投加量、噸水藥耗等因素。一般情況下，城市污水處理廠的某一種藥劑費=日實際處理水量×藥劑投加量×藥劑單價×投加日，總藥劑費等于每種藥劑費用之和。

由以上污水處理廠動力費、藥劑費計算分析可知，只要確定好影響一個城市污水處理廠動力費、藥劑費、人工費等關鍵因素，就可以通過多種方法及途徑，針對其采取有效措施來降低生產運行成本。

1.2 設備運行管理及維護措施分析

首先，污水處理廠設備設備的采購要結合污水處理廠的實際需求，挑選出適合污水處理廠的設備；其次，設備的使用及維護也是需要重點關注的，應購買安全系數高、維護周期短、操作簡單等的設備；第三，為了保障污水處理廠長期穩定運行，對于曝氣設備等使用頻率高的設備，應該多采購幾個設備，以作備用。

1.3 工藝運行管理分析

首先，加強水質工藝過程監測管理，根據化驗數據及進、出水水質情況及時調整工藝，進行水質排放不達標的預防性控制，確保出水水質100%達標；其次，關注污水處理廠日均處理水量和噸水耗電量，適時調整鼓風機頻率以控制曝氣量，加強工藝管理，控制能耗；第三，運行人員嚴格24 h 監控設備運行情況并認真準確做好記錄，確保生產安全。

1.4 我國典型城市污水處理廠各處理單元能耗的占比

根據大量實踐調研及理論調研顯示，污水處理廠能耗主要包括直接能耗（運行所需電能）和間接能耗（投加的化學藥劑），各處理單元能耗占比情況，如表1和下頁圖1 所示。

由表1、圖1 可知，城市污水處理廠運營公司能耗大體主要包括七個大項，占比較大的前三位分別是曝氣供氧設備、提升泵和污泥脫水系統，是節能降耗的關鍵點。

圖1 煤三期污水處理工藝流程

表1 煤三期污水處理工藝流程

2 城市污水處理廠主要處理工藝及能耗點分析評價

一般情況下，城市污水以物化處理和生化處理為主，具體包括傳統活性污泥法、生物脫氮除磷法、氧化溝等，而城市污水處理廠采取何種處理工藝，需經全面技術經濟綜合比較后優選確定。下面分別介紹各個工藝及其能耗點。

2.1 厭氧好氧法

厭氧好氧法是集缺氧、好氧為一體的工藝，是一種典型的生化處理工藝。該工藝工作流程一般為：污水→缺氧池A1（懸浮污染物被分解+脂肪等污染物被氨化）→好氧反應池O（對污水中的物質進行氧化）→污泥回流。

厭氧好氧法同時具有缺氧和好氧的功能，且該工藝抗沖擊能力強，可以維持穩定運行；同時，此工藝對廢水中有機物、氨氮等水質重要指標的去除力較強（但脫氮除磷效果較差），也是典型的生物脫氮工藝，且反硝化過程中不需要額外添加甲醇等昂貴碳源，這樣能減少一部分的藥劑費用。通過分析可知，厭氧好氧法時常被用作在大中型污水廠的生活污水處理中，其能耗點主要集中在工藝及設備直接能耗（運行所需電能）等方面，包括調節池內潛污泵、好氧段充氮風機、污泥提氣裝置、反沖洗泵，因此需對這些部位進行詳細地能耗分析和節能措施研究。

2.2 生物脫氮除磷

生物脫氮除磷是集厭氧、缺氧、好氧為一體的工藝，主要由厭氧池、缺氧池和好氧池三段組成。該工藝工作流程一般為：污水、二沉池外回流→厭氧池（厭氧釋放磷）、好氧內回流→缺氧池→好氧池（微生物生化降解有機物+氨化硝化有機氮+聚磷菌攝取總磷）→沉淀池→外回流、剩余污泥、出水[1]。

生物脫氮除磷工藝中，厭氧段、缺氧段、好氧段溶解氧質量濃度分別控制在＜0.2 mg/L、＜0.6 mg/L 和1 mg/L～3 mg/L 之間。生物脫氮除磷工藝基本不會出現污泥膨脹的現象，但脫氮和除磷的過程是相互矛盾的，要同時達到高效脫氮除磷是不現實的，二者只能選擇其一。根據工藝特點，好氧段的溶解氧濃度值主要由鼓風機等曝氣設備提供，是本工藝的主要耗能點之一，占77.7%；其次是外回流泵，占10.8%；再次是內回流泵、推流器、剩余泵、刮吸泥機，分別占比4.75%、3.8%、7.73%、1.29%，因此需對這些部位進行詳細地能耗分析和節能措施研究。

2.3 氧化溝

氧化溝是活性污泥法的一種變型，是使用的最早的一種污水處理工藝。該工藝工作流程一般為：曝氣機對污水進行曝氣+攪拌器對污水進行攪拌→微生物有效地去降解污水中的有機物質、氨氮和總氮。

氧化溝工藝曝氣池呈封閉的溝渠型，采用的連續曝氣的方式，同時曝氣采用的是微孔曝氣，能有效的增加污水和活性污泥的接觸面積，提高處理效率。氧化溝具有推流和完全混合相結合的特點，從外到內溶解氧濃度具有明顯的梯度變化，能夠同步去除有機物濃度、氮和磷等。奧貝爾氧化溝采用的是延時曝氣法，三個溝道的溶解氧濃度依次呈梯度變化，從外溝、中溝到內溝道依次裝有數量不等的表面轉碟曝氣機，因此也就更為節能和效率高，也是目前應用最多并且比較有代表性的。該工藝能耗點由大到小排列，依次主要集中在轉碟曝氣機、攪拌器、刮泥機，尤其轉碟曝氣機能耗占比高達75.5%，因此需對這些部位進行詳細地能耗分析和節能措施研究[2]。

2.4 序批式活性污泥

序批式活性污泥工藝屬于序列間歇式活性污泥法，是活性污泥法的一種變型，適用于進水水量不穩定、變化較大及出水間歇排放的情況。序批式活性污泥工藝是生化處理工藝，該工藝一個運行周期工作流程一般為：進水→反應→沉淀→出水→待機。

該工藝在一個運行周期內污水依次在反應池內生化反應，所有的操作都是在單一的反應池內進行，如此周而復始不斷進行污水處理。通常反應池容積的大小根據間斷來水的情況進行設置，也可以考慮設置多個反應池。生化反應過程可以分為好氧曝氣、厭氧攪拌和靜置三個階段，因為沉淀時間可以自由控制，因此該工藝沉淀效率比較高，不易產生污泥膨脹。同時，曝氣池容積相比于其他連續式污水處理工藝要小很多。由綜合分析可知，該工藝能耗點由大到小排列，依次主要集中在攪拌機、鼓風機、剩余污泥泵和潷水器，尤其攪拌機能耗占比高達92.8%，因此需對這些部位進行詳細地能耗分析和節能措施研究。

2.5 循環式活性污泥

循環式活性污泥（CAST）同時包含反應階段、沉淀階段和排水階段，集反三者為一體，不需要設置沉淀池等[3]。循環式活性污泥工藝也是生化處理工藝，該工藝一個運行周期工作流程一般為：進水→曝氣→沉淀→潷水→閑置。

該工藝污水分批次進入反應池，生化反應過程和泥水分離過程在同一反應池中進行，每一個運行周期均按照設定的控制時間進行操作。該工藝無需設置獨立的初沉池和二沉池，工程造價低，缺氧和好氧交替進行，具有良好的脫氮除磷效果，還能能很好緩沖進水水質、水量的波動等。該工藝是在序批式活性污泥工藝基礎上進行改進后的新工藝，主要能耗點為鼓風機，占比77.1%，其次能耗點由大到小排列，依次主要為回流泵、剩余污泥泵、推流器、攪拌機、潷水器，因此需對這些部位進行詳細地能耗分析和節能措施研究。

3 結語

我國已成為污水處理能力短期內增長最快的國家之一。經過分析現有城市污水處理廠所采用的幾種主流處理工藝發現，不同工藝的主要能耗點略有不同，但能耗點大多集中在曝氣機、攪拌機、回流泵等設備的直接耗能，因此需對這些部位進行詳細地能耗分析和節能措施研究。