污水處理工藝能耗和節能趨勢探討

何 卿，王 琦，沈 眾，付益偉

(1.江蘇省環境科學研究院，江蘇省環境工程重點實驗室，江蘇南京 210036；2.北控安耐得環保科技發展常州有限公司，江蘇常州 213022)

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污水處理工藝能耗和節能趨勢探討

何 卿1，王 琦2，沈 眾1，付益偉1

(1.江蘇省環境科學研究院，江蘇省環境工程重點實驗室，江蘇南京 210036；2.北控安耐得環保科技發展常州有限公司，江蘇常州 213022)

污水處理屬能耗密集型行業，研究污水處理工藝的能耗和節能途徑具有重要的現實意義。綜述了國內外污水處理工藝概況，從污水處理工藝能源審計、污水處理工藝能耗比較、污水處理工段能耗比較3個方面，分析了我國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能途徑，包括曝氣系統和污泥處理系統。

污水處理；能耗；節能；發展

國家統計局初步核算，2015年全年能源消費總量為43億t 標準煤，比2014年增長0.9%。預計到2050年將超過50億t 標準煤，但常規化石能源的實際供應力只有30億t標準煤左右，這不僅使能源供應不堪重負，而且面臨難以承受的環境壓力。隨著我國經濟的快速增長，能耗增加，能源緊缺已成為制約我國經濟社會進一步發展的因素之一。因此，進一步強調新能源開發、節能優先及建設節能型社會是今后我國的重大國策。

污水處理屬能耗密集型行業，其消耗的能源主要包括電能、燃料等潛在能源。由于我國城市污水產生量巨大，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營成本較高；另一方面，一定程度上加重了我國現階段的能源危機。筆者比較分析了國內外污水處理的能耗現狀，并探討了節能趨勢，以期為我國污水處理節能減排及資源化提供理論啟示。

1　國內外污水處理工藝概況

自工業革命以來，污水處理越來越受到人們的重視，已從原始的自然處理、簡單的一級處理發展到利用各種先進技術、深度處理污水并回用。處理工藝也從傳統活性污泥法、氧化溝工藝發展到A/O、A2/O、AB、SBR(包括CASS工藝)等，達到不同的出水要求[1]。目前，污水二級處理普遍使用活性污泥法、生物膜法和生態處理法，通過微生物的好氧代謝來完成污水中有機物的去除[2]。表1比較了國內外污水處理工藝的使用情況、運營費用和經濟效益。國外積極研發出了一些更先進的污水處理技術和工藝，1998年，日本開發出能夠有效清除工業和生活廢水中氮化合物的生物反應器，其可將氮化合物轉換成氮氣；20世紀90年代，美國研發出成熟的電絮凝污水處理技術，該工藝運行平穩，水質穩定；20世紀末，歐盟國家研究出了等離子體廢水處理技術，電耗比一般臭氧發生器低10倍以上。由于對污水條件要求過高或投入成本較大，目前這些先進污水處理工藝尚未大規模投入使用。

相對于發達國家，我國污水處理起步晚，現有的污水處理廠普遍采用生物處理工藝作為主體工藝，也有部分地區采用化學、物理強化一級處理、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-生物反應器、生態處理法等污水處理工藝[4]。

2　國內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、處理方法、處理程度及運轉方式有關。總體而言，污水處理的能源大多耗費在主要污染物的處理，尤其是有機物的穩定化、無害化方面。能量作為維持城市污水處理中各種生物反應與污水處理廠正常運轉的必要條件，主要包括直接能耗(鼓風曝氣或機械曝氣電機的電耗，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所需的能量)[5]。典型的二級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20世紀70年代末，WPCF(Water Pollution Control Federation)編撰的污水處理廠運行手冊[7]中提出了城市污水處理廠節省能量的基本方案，包括對各單元過程的用能分析和節能措施的制訂。能源審計管理不僅能為處理廠運轉提供可靠的基礎數據，而且可指導處理廠工藝方案的選擇與節能改造。芝加哥都市衛生區[8]所轄各城市污水處理廠的節能降耗方案設計就得益于能源審計。國外對污水處理廠的能耗審計研究較為深入。20世紀70年代末Reardon等[9]提出了城市污水處理廠能源審計的主要方法和實施步驟；Rushbrook等[10]通過能耗和費用效益比較了延時曝氣、生物轉盤(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依據；Evans等[11]于1994年對加拿大安大略省主要的污水處理廠能耗狀況進行了審計，確定具備節能潛力的過程或工序。

我國的能源審計工作比國外晚了幾十年。1982～1985年國家經濟貿易委員會開展了《企業能源審計》的試點工作。1989年我國首次對造紙、紡織、化工、煉油和水泥5個行業的企業進行了能源審計，建立了一套定量的企業能源審計方法；1997年國家技術監督局頒布了《企業能源審計技術通則》(GB/17166—1997)等3項有關企業能源審計的國家標準；2001年河南省質量技術監督局頒布了《企業能源審計方法》地方標準(DB/T 270—2001)。羊壽生[12]結合設計經驗，對我國典型一級、二級污水處理廠各單元過程進行了能耗(電能)估算，二級處理廠的能耗(電能)為0.266 kW·h/m3(污水處理廠規模為25 000 m3/d)。結果表明，我國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工藝過程，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　國內外我國城市污水主要采用的處理工藝對比

2.2污水處理工藝能耗比較我國現有污水處理廠工藝能耗統計結果見表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，該廠采用傳統活性污泥法，能耗為0.750 kW·h/m3；能耗最小的是廣州某高級生活小區污水處理廠，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，工藝對能耗的影響較大，通過新工藝的研究來減少能耗具有一定的現實意義。Imhoff[13]比較了完全混合活性污泥法、延時曝氣活性污泥法、Carousel氧化溝、純氧活性污泥法和生物轉盤等生物處理系統的總能量需求和運轉費用，其中，生物轉盤的能耗和費用最低，而延時曝氣最高，二者能耗相差約20%。

表2我國部分污水處理廠不同工藝的規模和能耗

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

工藝Process企業Enterprise規模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廣州某住宅小區污水處理廠0.200.3700.240北京某店污水廠2.000.250上海東區污水處理廠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廣州某高級生活小區污水處理廠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天津紀莊子污水廠26.000.210傳統活性污泥上海曹楊污水處理廠2.000.2300.380法Traditional上海曲陽污水處理廠5.500.240activatedsludge上海天山污水處理廠7.200.250process北京某會議中心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

不同區域污水處理的能耗差異主要取決于環境條件、處理工藝和廢水性質等，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問題，也決定了污水處理工程實施后的能效。新工藝必須遵循節能、節省投資和處理后水質符合排放與回用標準的基本原則，如SBR法或改進的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，由于土地和生態處理技術具備高效低耗的特點，也得到了一定程度的應用[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、曝氣系統和污泥處理處置系統，國內外的研究也以這2個領域為主。Acobs[19]和Burris[20]研究認為，處理設施大部分的能量消耗發生在電機這類單一的設備上，因而節能應從提高全廠功率因數、選擇高效機電設備及減少高峰用電等方面入手。而有學者認為，污水處理廠能源的消耗主要是污水和污泥的處理。據此，筆者調查了日本[21]、伊朗[22]和我國[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。如果將整個過程分為污水提升、污水處理和污泥處理(包括焚燒)3個階段，我國污水提升能耗占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%。扣除污泥焚燒能耗，日本污水處理能耗低于我國和伊朗。這表明各個國家各工藝階段的能耗差異較大，根據各工藝階段能耗進行有針對性的研究，更加有利于減少整個工藝的能耗。

3　污水處理工藝節能途徑

3.1曝氣系統對曝氣系統能耗能效的研究涉及曝氣設備的改造和革新，可劃分為兩類：第1類是采用淹沒式的多孔擴散頭或空氣噴嘴產生空氣泡將氧氣傳遞進水溶液的方法，對擴散曝氣設備的研究集中于微孔曝氣(可產生直徑2.0～2.5 mm的氣泡)，具有傳氧效率高、可有效節約風量的特點，各國實踐都證明微孔曝氣器可節電20%以上[23]；第2類是采用機械方法攪動污水促使大氣中的氧溶于水的方法，羅馬利亞學者Ognean[24-25]對機械表曝設備研究較為深入，他建立了與理想曝氣機和用于生產的實際曝氣機相關的氧傳輸速率、曝氣機直徑、轉速三者的關系。

3.2污泥處理系統污泥處理系統節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性組分約占65%(國內一般低于該值)，可通過消化穩定約45%，產生的消化氣熱值約為2.26×104kJ/kg。消化氣可通過內燃機或燃料電池轉化為機械能或電能，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題[26]。在國內沼氣發電機組并網發電的研究和應用已有應用實例，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轉。Show等[28]按該思路選擇了Montgomery進行了可行性研究，結果發現，工程地點、環境因素、固體廢物量及經濟上都具備可行性，且污水廠實現了能量自給。

表3　我國、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

國家水體污染控制與治理科技重大專項(2013ZX07504-004)。

何卿(1973- )，男，江蘇泰州人，高級工程師，從事生態環境保護規劃及水污染防治研究。

2016-07-15

S 181.3;X 703

A

0517-6611(2016)26-0052-04