城市污水处理厂节能技术与发展

近年来，中国的城市污水处理进程加速，水污染治理和再生水回用已成为各地政府及社会普遍关注的问题。截至2010年底，全国城镇累计建成污水处理厂2830余座，总处理能力已达到1.25亿m3/d，全年累计处理279亿m3/d，年削减COD约900万t，城市污水处理厂已经成为削减COD和氮磷等物质的最重要手段之一。
城市污水处理是能源密集的行业之一。目前，大多数污水处理厂普遍采用的活性污泥好氧生物处理工艺，已实现了污染物的消减,但也是一个能源的消耗过程。在常规的城市污水处理厂运行成本中，电费占30%～50%，其中污水生物处理系统中的电耗占污水处理厂全厂电耗的40%～50%。
高科技为污水处理厂提高能量效率及应用新的节能措施提供了新的机会。欧美等国家已从2000年开始，着力研究城市污水处理厂的高效节能与智能控制技术；我国也在“十一五”期间加大了对城市污水处理厂直接能耗控制技术的研究和推广应用。
污水处理厂的能耗是指污水处理运行工艺中外界供给的电能、煤等的消耗如用于污水提升、预处理、二级生物处理、污水消毒、污泥处理处置等所消耗的能量。在污水处理过程中，污水提升、二级处理（曝气、回流）、污泥处理处置等的能耗约占全部能耗的90%以上。
污水处理厂的节能技术和措施可以从合理优化单元构筑物的运行、实现工艺过程中各环节的设备配置以及对工艺过程实现优化控制几方面着手，充分挖掘污水处理厂全过程各个环节的节能潜力，以下仅列举一些我们在大型污水处理厂探索性应用后具有明显效果的节能调控策略和措施。
1进水泵房优化运行
与国外城市污水处理厂相比，我国在污水处理工艺选择、工程设计和设备选型等方面并不落后，但在单元构筑物的运行管理和优化调控方面尚有较多优化空间。
进水泵房是污水处理厂污水提升所必需的重要构筑物，污水处理厂的来水量通常存在季节性变化，由于用水波动，一天24h中也有水量的峰值和谷值出现，制定不同季节、每日不同时间的水泵开停运行组合方案和调整措施，可以直接节省水泵的耗电。实现水泵节能降耗、经济运行还可以通过两个具体途径进行。一个是尽量提高泵前池水位，降低水泵扬程，增加水泵在高效率区内的运行时间，这样既提高了水泵效率又减少了电耗；另一个途径就是充分利用输水管网的调蓄能力，也可以减少水泵的开启时间。通过水泵的编组运行、液位监测实现低水位差运行等措施，整个泵房的电能可以减少10%～15%。
2曝气池的工艺优化控制
曝气池是活性污泥处理系统中的核心构筑物，它的主要功能是去除污水中COD、氨氮、总氮等主要污染物,也是污水处理厂工艺环节中最大的耗能单元。由于进入曝气池的污染物通常每天呈现规律性变化，而曝气池一般都是通过稳态设计方法确定的构筑物尺寸和运行参数，设计中使用较大的安全系数来克服进水的动态变化，这不仅增加了处理系统的建造成本，也使得处理工艺绝大部分时间内运行在非满负荷条件下，导致系统的运行能耗的升高。在运行过程中，可以通过实时的监测水质对其工艺参数进行动态调节，针对耗能的关键因素进行详细分析后提出工艺调整方案，对于曝气池的节能具有非常大的意义。
仅以采用A2/O工艺的污水处理厂为例，在某污水处理厂运行中发现，曝气池沿程观测时，经常有曝气段过长、过度曝气的现象，原因是进水中氨氮等污染物浓度经常发生规律性变化,针对这个问题提出了节能方案：在进水氨氮浓度处于低谷时,缩短曝气段长度维持曝气池DO在较低水平（2～3mg/L）,将其余曝气段变成缺氧区；当进水氨氮浓度提高后,恢复曝气段的长度。采用这一工艺调整策略，既不影响COD的去除和硝化效果，又可以提高约14%的TN去除率，而且可以节约17%左右的曝气能耗。
降低内回流比也是曝气池工艺优化的一种节能手段,当进水氨氮浓度处于低谷,缺氧段出水中含有较高浓度的NO3—N时,可将好氧段前段不曝气调整为缺氧池，并严格控制曝气池DO在2～3mg/L，将内回流比由300%调整为200%，即可保证出水达标,又可节约内回流的能耗。
3精确控制曝气池溶解氧水平
溶解氧是现有污水处理厂曝气过程控制的首要监测因素，在曝气池的生物处理过程中，一般安装2～3处监测仪实时监测溶解氧，通过设定各点溶解氧值来控制鼓风机的曝气量，实现生化反应生物生长所需的氧环境。这种方法是最基本的曝气量控制模式，但是由于水质波动，曝气池内各点对溶解氧的需求不断变化，鼓风机的送气量不断调整，造成池内溶解氧的较大波动，同时也增大了鼓风机的能耗。精确曝气是一个集成的控制系统（见图1），实现污水处理控制由单变量调节向多参数综合优化控制的转变，对于污水处理效果影响显著的进水氨氮浓度、溶解氧、曝气量、污泥内外回流比等参数进行综合优化，分析单一参数变化对生化反应过程的影响，通过优化算法实现多种控制参数和运行能耗的优化选择。系统通过动态控制曝气量可以为生物处理过程提供精确曝气，即使受到进水负荷变动的冲击，仍能使工艺处于平稳状态，实现工艺精细化控制，同时降低曝气能耗。
鼓风机是污水厂的核心工艺设备，是曝气系统的源头，鼓风机流量应该能连续调整以精确满足工艺需要。采用可以进行双导叶调节的单级离心式鼓风机在大型污水处理厂节电效果更明显,精确曝气系统根据当前进水流量、进水负荷实时计算出所需空气总量，并且传递给鼓风机的主控制系统，通过空气总量设定值对各鼓风机进行启停、进出风导叶的调节操作，满足生化系统对曝气量的需求，避免了进水负荷高峰时的曝气不足和进水负荷低谷时的曝气过量，实现了工艺的精细化、稳定化控制，节约了曝气能耗。另一方面，鼓风机如果调解不当喘振会带来很大的设备损伤，精确曝气系统同时可以给出当前工况下的喘振压力保护值，有利于保护鼓风机的运行。
鼓风机的开启模式也会影响其能耗，通常选用开启度能达到50%的风机。因为如果1台风机不能满足对通风量的要求，可以开启第2台，然后让2台风机在近似最小流量条件下运行。这样既可以减少调节步骤，又可以满足工艺需要，从而使风机功率最小化。在进出风导叶调整后鼓风机主机电流的下降将直接降低风机的用电量（见图2）。采用精确曝气系统，在大型污水处理厂进行节能实践，可以节省生化反应系统能耗10%～17%。
4结语
根据污水处理厂进水水质、水量的变化，采用工艺优化，过程精细控制，设备设施优化运行等手段和措施能够降低污水处理的直接能耗。工程运行实践表明，采用这些技术措施可以降低污水处理成本20%～30%。