污水處理工藝能耗和節(jié)能趨勢(shì)探討

何 卿，王 琦，沈 眾，付益?zhèn)?/p>

(1.江蘇省環(huán)境科學(xué)研究院，江蘇省環(huán)境工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇南京 210036；2.北控安耐得環(huán)?？萍及l(fā)展常州有限公司，江蘇常州 213022)

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污水處理工藝能耗和節(jié)能趨勢(shì)探討

何 卿1，王 琦2，沈 眾1，付益?zhèn)?

(1.江蘇省環(huán)境科學(xué)研究院，江蘇省環(huán)境工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇南京 210036；2.北控安耐得環(huán)?？萍及l(fā)展常州有限公司，江蘇常州 213022)

污水處理屬能耗密集型行業(yè)，研究污水處理工藝的能耗和節(jié)能途徑具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。綜述了國(guó)內(nèi)外污水處理工藝概況，從污水處理工藝能源審計(jì)、污水處理工藝能耗比較、污水處理工段能耗比較3個(gè)方面，分析了我國(guó)污水處理工藝能耗情況，最后闡述了城市污水處理工藝的節(jié)能途徑，包括曝氣系統(tǒng)和污泥處理系統(tǒng)。

污水處理；能耗；節(jié)能；發(fā)展

國(guó)家統(tǒng)計(jì)局初步核算，2015年全年能源消費(fèi)總量為43億t 標(biāo)準(zhǔn)煤，比2014年增長(zhǎng)0.9%。預(yù)計(jì)到2050年將超過(guò)50億t 標(biāo)準(zhǔn)煤，但常規(guī)化石能源的實(shí)際供應(yīng)力只有30億t標(biāo)準(zhǔn)煤左右，這不僅使能源供應(yīng)不堪重負(fù)，而且面臨難以承受的環(huán)境壓力。隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速增長(zhǎng)，能耗增加，能源緊缺已成為制約我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)進(jìn)一步發(fā)展的因素之一。因此，進(jìn)一步強(qiáng)調(diào)新能源開(kāi)發(fā)、節(jié)能優(yōu)先及建設(shè)節(jié)能型社會(huì)是今后我國(guó)的重大國(guó)策。

污水處理屬能耗密集型行業(yè)，其消耗的能源主要包括電能、燃料等潛在能源。由于我國(guó)城市污水產(chǎn)生量巨大，處理量也不斷增加，污水處理的能耗不容忽視。高能耗一方面易造成污水處理運(yùn)營(yíng)成本較高；另一方面，一定程度上加重了我國(guó)現(xiàn)階段的能源危機(jī)。筆者比較分析了國(guó)內(nèi)外污水處理的能耗現(xiàn)狀，并探討了節(jié)能趨勢(shì)，以期為我國(guó)污水處理節(jié)能減排及資源化提供理論啟示。

1　國(guó)內(nèi)外污水處理工藝概況

自工業(yè)革命以來(lái)，污水處理越來(lái)越受到人們的重視，已從原始的自然處理、簡(jiǎn)單的一級(jí)處理發(fā)展到利用各種先進(jìn)技術(shù)、深度處理污水并回用。處理工藝也從傳統(tǒng)活性污泥法、氧化溝工藝發(fā)展到A/O、A2/O、AB、SBR(包括CASS工藝)等，達(dá)到不同的出水要求[1]。目前，污水二級(jí)處理普遍使用活性污泥法、生物膜法和生態(tài)處理法，通過(guò)微生物的好氧代謝來(lái)完成污水中有機(jī)物的去除[2]。表1比較了國(guó)內(nèi)外污水處理工藝的使用情況、運(yùn)營(yíng)費(fèi)用和經(jīng)濟(jì)效益。國(guó)外積極研發(fā)出了一些更先進(jìn)的污水處理技術(shù)和工藝，1998年，日本開(kāi)發(fā)出能夠有效清除工業(yè)和生活廢水中氮化合物的生物反應(yīng)器，其可將氮化合物轉(zhuǎn)換成氮?dú)猓?0世紀(jì)90年代，美國(guó)研發(fā)出成熟的電絮凝污水處理技術(shù)，該工藝運(yùn)行平穩(wěn)，水質(zhì)穩(wěn)定；20世紀(jì)末，歐盟國(guó)家研究出了等離子體廢水處理技術(shù)，電耗比一般臭氧發(fā)生器低10倍以上。由于對(duì)污水條件要求過(guò)高或投入成本較大，目前這些先進(jìn)污水處理工藝尚未大規(guī)模投入使用。

相對(duì)于發(fā)達(dá)國(guó)家，我國(guó)污水處理起步晚，現(xiàn)有的污水處理廠普遍采用生物處理工藝作為主體工藝，也有部分地區(qū)采用化學(xué)、物理強(qiáng)化一級(jí)處理、土地處理法等[3]。在生物處理工藝中，廣泛采用的是活性污泥法，我國(guó)80%城市污水處理廠采用該工藝，另外還有生物濾池和膜-生物反應(yīng)器、生態(tài)處理法等污水處理工藝[4]。

2　國(guó)內(nèi)外污水處理工藝能耗概況

污水處理的能耗與所處理的污水水量、水質(zhì)、處理方法、處理程度及運(yùn)轉(zhuǎn)方式有關(guān)?？傮w而言，污水處理的能源大多耗費(fèi)在主要污染物的處理，尤其是有機(jī)物的穩(wěn)定化、無(wú)害化方面。能量作為維持城市污水處理中各種生物反應(yīng)與污水處理廠正常運(yùn)轉(zhuǎn)的必要條件，主要包括直接能耗(鼓風(fēng)曝氣或機(jī)械曝氣電機(jī)的電耗，回流污泥泵、污水提升泵等的電耗，污泥消化消耗的熱能，污泥脫水、攪拌推流機(jī)械的電耗等)和間接能耗(絮凝劑、活性炭、鋁鹽、氯氣、石灰、外加碳源等耗材生產(chǎn)所需的能量)[5]。典型的二級(jí)城市污水處理廠電耗中，污水提升、污水生物處理(主要用于曝氣供氧)、污泥處理三者能耗之和占總直接能耗的70%以上[6]。

2.1污水處理工藝能源審計(jì)20世紀(jì)70年代末，WPCF(Water Pollution Control Federation)編撰的污水處理廠運(yùn)行手冊(cè)[7]中提出了城市污水處理廠節(jié)省能量的基本方案，包括對(duì)各單元過(guò)程的用能分析和節(jié)能措施的制訂。能源審計(jì)管理不僅能為處理廠運(yùn)轉(zhuǎn)提供可靠的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，而且可指導(dǎo)處理廠工藝方案的選擇與節(jié)能改造。芝加哥都市衛(wèi)生區(qū)[8]所轄各城市污水處理廠的節(jié)能降耗方案設(shè)計(jì)就得益于能源審計(jì)。國(guó)外對(duì)污水處理廠的能耗審計(jì)研究較為深入。20世紀(jì)70年代末Reardon等[9]提出了城市污水處理廠能源審計(jì)的主要方法和實(shí)施步驟；Rushbrook等[10]通過(guò)能耗和費(fèi)用效益比較了延時(shí)曝氣、生物轉(zhuǎn)盤(pán)(好氧消化或厭氧消化)1 800 m3/d的工藝流程，為政府的決策提供了科學(xué)依據(jù)；Evans等[11]于1994年對(duì)加拿大安大略省主要的污水處理廠能耗狀況進(jìn)行了審計(jì)，確定具備節(jié)能潛力的過(guò)程或工序。

我國(guó)的能源審計(jì)工作比國(guó)外晚了幾十年。1982～1985年國(guó)家經(jīng)濟(jì)貿(mào)易委員會(huì)開(kāi)展了《企業(yè)能源審計(jì)》的試點(diǎn)工作。1989年我國(guó)首次對(duì)造紙、紡織、化工、煉油和水泥5個(gè)行業(yè)的企業(yè)進(jìn)行了能源審計(jì)，建立了一套定量的企業(yè)能源審計(jì)方法；1997年國(guó)家技術(shù)監(jiān)督局頒布了《企業(yè)能源審計(jì)技術(shù)通則》(GB/17166—1997)等3項(xiàng)有關(guān)企業(yè)能源審計(jì)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)；2001年河南省質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局頒布了《企業(yè)能源審計(jì)方法》地方標(biāo)準(zhǔn)(DB/T 270—2001)。羊壽生[12]結(jié)合設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，對(duì)我國(guó)典型一級(jí)、二級(jí)污水處理廠各單元過(guò)程進(jìn)行了能耗(電能)估算，二級(jí)處理廠的能耗(電能)為0.266 kW·h/m3(污水處理廠規(guī)模為25 000 m3/d)。結(jié)果表明，我國(guó)城市污水處理廠能耗主要用于污水、污泥的提升、生物處理的供氧及污泥處理這幾個(gè)工藝過(guò)程，其中污水生物處理和污泥處理的耗能量占污水廠直接能耗的60%以上。

表1　國(guó)內(nèi)外我國(guó)城市污水主要采用的處理工藝對(duì)比

2.2污水處理工藝能耗比較我國(guó)現(xiàn)有污水處理廠工藝能耗統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表2。由表2可知，各工藝污水處理能耗平均為0.304 kW·h/m3，其中能耗最大的是浙江紹興污水處理廠，該廠采用傳統(tǒng)活性污泥法，能耗為0.750 kW·h/m3；能耗最小的是廣州某高級(jí)生活小區(qū)污水處理廠，該廠采用SBR工藝，能耗為0.050 kW·h/m3。就平均能耗而言，CASS和氧化溝工藝的能耗最小，均為0.240 kW·h/m3；其次是SBR法，能耗為0.270 kW·h/m3；A2/O的能耗最大，為0.390 kW·h/m3。可見(jiàn)，工藝對(duì)能耗的影響較大，通過(guò)新工藝的研究來(lái)減少能耗具有一定的現(xiàn)實(shí)意義。Imhoff[13]比較了完全混合活性污泥法、延時(shí)曝氣活性污泥法、Carousel氧化溝、純氧活性污泥法和生物轉(zhuǎn)盤(pán)等生物處理系統(tǒng)的總能量需求和運(yùn)轉(zhuǎn)費(fèi)用，其中，生物轉(zhuǎn)盤(pán)的能耗和費(fèi)用最低，而延時(shí)曝氣最高，二者能耗相差約20%。

表2我國(guó)部分污水處理廠不同工藝的規(guī)模和能耗

Table 2Scale and energy consumption of various processes in different sewage plants in China

工藝Process企業(yè)Enterprise規(guī)模Scale×104m/d能耗Energyconsu-mptionkW·h/m3平均能耗Averageenergyconsu-mptionkw·h/m3A2/O杭州市七格污水處理廠40.000.2800.390上海吳淞污水處理廠3.300.320上海龍華污水處理廠8.300.210廣州大坦河污水處理廠14.000.490廣州惠州惠陽(yáng)污水廠6.000.240河北某鋼鐵廠生活污水處理工程0.800.510山東某污水處理廠D2.000.710CASS廣州某住宅小區(qū)污水處理廠0.200.3700.240北京某店污水廠2.000.250上海東區(qū)污水處理廠2.600.340北京航天城綜合污水處理工程1.440.140新疆某城市污水處理工程5.000.110SBR昆明第三污水處理廠20.000.3000.270福建某生活污水處理廠0.600.270上海桃浦污水處理廠4.800.420廣州某高級(jí)生活小區(qū)污水處理廠0.400.050山東某污水處理廠A2.500.320四川某城市污水處理廠1.000.250氧化溝福建泉州寶洲污水處理廠15.000.2200.240Oxidationditch太原北郊污水處理廠1.400.260河南漯河市污水處理廠8.000.250山東濰坊市污水處理10.000.250山東某污水處理廠B20.000.200西安北石橋污水廠15.000.280天津紀(jì)莊子污水廠26.000.210傳統(tǒng)活性污泥上海曹楊污水處理廠2.000.2300.380法Traditional上海曲陽(yáng)污水處理廠5.500.240activatedsludge上海天山污水處理廠7.200.250process北京某會(huì)議中心0.200.390總裝備部某校污水處理廠0.170.570山東某污水處理廠C12.000.240四川成都三瓦窯污水廠10.000.400浙江紹興污水處理廠30.000.750平均能耗Av-erageenergyconsumption∥kW·h/m30.304

不同區(qū)域污水處理的能耗差異主要取決于環(huán)境條件、處理工藝和廢水性質(zhì)等，其中處理工藝起著決定性作用。處理工藝的選擇涉及城市污水處理的適用技術(shù)問(wèn)題，也決定了污水處理工程實(shí)施后的能效。新工藝必須遵循節(jié)能、節(jié)省投資和處理后水質(zhì)符合排放與回用標(biāo)準(zhǔn)的基本原則，如SBR法或改進(jìn)的SBR工藝[14]；低溶解氧條件(0.5～1.0 mg/L)下的活性污泥法[15]；采用綜合式曝氣系統(tǒng)的氧化溝工藝；厭氧處理城市污水的流程[16]。另外，由于土地和生態(tài)處理技術(shù)具備高效低耗的特點(diǎn)，也得到了一定程度的應(yīng)用[17]。

2.3污水處理工段能耗比較城市污水處理工藝能量密集的過(guò)程和操作主要集中于生物處理單元[18]，特別是污水提升、曝氣系統(tǒng)和污泥處理處置系統(tǒng)，國(guó)內(nèi)外的研究也以這2個(gè)領(lǐng)域?yàn)橹鳌cobs[19]和Burris[20]研究認(rèn)為，處理設(shè)施大部分的能量消耗發(fā)生在電機(jī)這類(lèi)單一的設(shè)備上，因而節(jié)能應(yīng)從提高全廠功率因數(shù)、選擇高效機(jī)電設(shè)備及減少高峰用電等方面入手。而有學(xué)者認(rèn)為，污水處理廠能源的消耗主要是污水和污泥的處理。據(jù)此，筆者調(diào)查了日本[21]、伊朗[22]和我國(guó)[12]典型污水處理方法不同處理階段的能耗分布。由表3可知，我國(guó)的廢水處理單位能耗為0.266 kW·h/m3，伊朗為0.300 kW·h/m3，日本為0.455 kW·h/m3。如果將整個(gè)過(guò)程分為污水提升、污水處理和污泥處理(包括焚燒)3個(gè)階段，我國(guó)污水提升能耗占22.55%，污水處理能耗占67.00%，污泥處理能耗占10.45%；日本污水提升能耗占10.08%，污水處理能耗占31.20%，污泥處理能耗占11.40%；伊朗污水提升能耗占92.82%，污泥處理能耗占7.18%?？鄢勰喾贌芎模毡疚鬯幚砟芎牡陀谖覈?guó)和伊朗。這表明各個(gè)國(guó)家各工藝階段的能耗差異較大，根據(jù)各工藝階段能耗進(jìn)行有針對(duì)性的研究，更加有利于減少整個(gè)工藝的能耗。

3　污水處理工藝節(jié)能途徑

3.1曝氣系統(tǒng)對(duì)曝氣系統(tǒng)能耗能效的研究涉及曝氣設(shè)備的改造和革新，可劃分為兩類(lèi)：第1類(lèi)是采用淹沒(méi)式的多孔擴(kuò)散頭或空氣噴嘴產(chǎn)生空氣泡將氧氣傳遞進(jìn)水溶液的方法，對(duì)擴(kuò)散曝氣設(shè)備的研究集中于微孔曝氣(可產(chǎn)生直徑2.0～2.5 mm的氣泡)，具有傳氧效率高、可有效節(jié)約風(fēng)量的特點(diǎn)，各國(guó)實(shí)踐都證明微孔曝氣器可節(jié)電20%以上[23]；第2類(lèi)是采用機(jī)械方法攪動(dòng)污水促使大氣中的氧溶于水的方法，羅馬利亞學(xué)者Ognean[24-25]對(duì)機(jī)械表曝設(shè)備研究較為深入，他建立了與理想曝氣機(jī)和用于生產(chǎn)的實(shí)際曝氣機(jī)相關(guān)的氧傳輸速率、曝氣機(jī)直徑、轉(zhuǎn)速三者的關(guān)系。

3.2污泥處理系統(tǒng)污泥處理系統(tǒng)節(jié)能研究主要集中于污泥處理的能量回收。目前有兩種回收途徑，一種是污泥厭氧消化氣的利用，一般城市污水污泥的揮發(fā)性組分約占65%(國(guó)內(nèi)一般低于該值)，可通過(guò)消化穩(wěn)定約45%，產(chǎn)生的消化氣熱值約為2.26×104kJ/kg。消化氣可通過(guò)內(nèi)燃機(jī)或燃料電池轉(zhuǎn)化為機(jī)械能或電能，廢熱還可回收用于消化污泥加熱，因此利用消化氣能解決污水廠不同程度的能量自給問(wèn)題[26]。在國(guó)內(nèi)沼氣發(fā)電機(jī)組并網(wǎng)發(fā)電的研究和應(yīng)用已有應(yīng)用實(shí)例，是大型污水處理廠消化氣綜合利用的可行途徑[27]。另一種是污泥焚燒熱的利用，即把城市固體廢物焚燒場(chǎng)建在污水處理廠旁，將固廢與污水污泥一起焚燒，獲得的電能用于處理廠的運(yùn)轉(zhuǎn)。Show等[28]按該思路選擇了Montgomery進(jìn)行了可行性研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，工程地點(diǎn)、環(huán)境因素、固體廢物量及經(jīng)濟(jì)上都具備可行性，且污水廠實(shí)現(xiàn)了能量自給。

表3　我國(guó)、日本和伊朗城市污水處理不同工段的能耗

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Study on Energy Consumption and Energy-saving Trend of Sewage Treatment Processes

HE Qing1, WANG Qi2, SHEN Zhong1et al

1. Jiangsu Provincial Key Laboratory of Environmental Engineering, Jiangsu Provincial Academy of Environmental Science, Nanjing, Jiangsu 210036; 2. Beikong Annaide Environment Technology Development Changzhou Co., Ltd., Changzhou, Jiangsu 213022)

Sewage treatment is an energy intensive industry, and it has important practical significance to study energy consumption and energy-saving approaches of sewage treatment processes. In this study, the general situation of sewage treatment processes at home and abroad was summarized firstly, and then the status of energy consumption of sewage treatment processes in China was analyzed from energy audit and energy consumption comparison of sewage treatment processes as well as energy consumption comparison of sewage treatment sections. Finally, energy-saving approaches of municipal sewage treatment processes including an aerating system and sludge treatment system were introduced.

Sewage treatment; Energy consumption; Energy saving; Development

國(guó)家水體污染控制與治理科技重大專(zhuān)項(xiàng)(2013ZX07504-004)。

何卿(1973- )，男，江蘇泰州人，高級(jí)工程師，從事生態(tài)環(huán)境保護(hù)規(guī)劃及水污染防治研究。

2016-07-15

S 181.3;X 703

A

0517-6611(2016)26-0052-04