污水处理工艺能耗和节能趋势探讨

何 卿，王 琦，沈 众，付益伟

(1.江苏省环境科学研究院，江苏省环境工程重点实验室，江苏南京 210036；2.北控安耐得环保科技发展常州有限公司，江苏常州 213022)



污水处理工艺能耗和节能趋势探讨

何 卿1，王 琦2，沈 众1，付益伟1

(1.江苏省环境科学研究院，江苏省环境工程重点实验室，江苏南京 210036；2.北控安耐得环保科技发展常州有限公司，江苏常州 213022)

污水处理属能耗密集型行业，研究污水处理工艺的能耗和节能途径具有重要的现实意义。综述了国内外污水处理工艺概况，从污水处理工艺能源审计、污水处理工艺能耗比较、污水处理工段能耗比较3个方面，分析了我国污水处理工艺能耗情况，最后阐述了城市污水处理工艺的节能途径，包括曝气系统和污泥处理系统。

污水处理；能耗；节能；发展

国家统计局初步核算，2015年全年能源消费总量为43亿t 标准煤，比2014年增长0.9%。预计到2050年将超过50亿t 标准煤，但常规化石能源的实际供应力只有30亿t标准煤左右，这不仅使能源供应不堪重负，而且面临难以承受的环境压力。随着我国经济的快速增长，能耗增加，能源紧缺已成为制约我国经济社会进一步发展的因素之一。因此，进一步强调新能源开发、节能优先及建设节能型社会是今后我国的重大国策。

污水处理属能耗密集型行业，其消耗的能源主要包括电能、燃料等潜在能源。由于我国城市污水产生量巨大，处理量也不断增加，污水处理的能耗不容忽视。高能耗一方面易造成污水处理运营成本较高；另一方面，一定程度上加重了我国现阶段的能源危机。笔者比较分析了国内外污水处理的能耗现状，并探讨了节能趋势，以期为我国污水处理节能减排及资源化提供理论启示。

1　国内外污水处理工艺概况

自工业革命以来，污水处理越来越受到人们的重视，已从原始的自然处理、简单的一级处理发展到利用各种先进技术、深度处理污水并回用。处理工艺也从传统活性污泥法、氧化沟工艺发展到A/O、A2/O、AB、SBR(包括CASS工艺)等，达到不同的出水要求[1]。目前，污水二级处理普遍使用活性污泥法、生物膜法和生态处理法，通过微生物的好氧代谢来完成污水中有机物的去除[2]。表1比较了国内外污水处理工艺的使用情况、运营费用和经济效益。国外积极研发出了一些更先进的污水处理技术和工艺，1998年，日本开发出能够有效清除工业和生活废水中氮化合物的生物反应器，其可将氮化合物转换成氮气；20世纪90年代，美国研发出成熟的电絮凝污水处理技术，该工艺运行平稳，水质稳定；20世纪末，欧盟国家研究出了等离子体废水处理技术，电耗比一般臭氧发生器低10倍以上。由于对污水条件要求过高或投入成本较大，目前这些先进污水处理工艺尚未大规模投入使用。

相对于发达国家，我国污水处理起步晚，现有的污水处理厂普遍采用生物处理工艺作为主体工艺，也有部分地区采用化学、物理强化一级处理、土地处理法等[3]。在生物处理工艺中，广泛采用的是活性污泥法，我国80%城市污水处理厂采用该工艺，另外还有生物滤池和膜-生物反应器、生态处理法等污水处理工艺[4]。

2　国内外污水处理工艺能耗概况

污水处理的能耗与所处理的污水水量、水质、处理方法、处理程度及运转方式有关。总体而言，污水处理的能源大多耗费在主要污染物的处理，尤其是有机物的稳定化、无害化方面。能量作为维持城市污水处理中各种生物反应与污水处理厂正常运转的必要条件，主要包括直接能耗(鼓风曝气或机械曝气电机的电耗，回流污泥泵、污水提升泵等的电耗，污泥消化消耗的热能，污泥脱水、搅拌推流机械的电耗等)和间接能耗(絮凝剂、活性炭、铝盐、氯气、石灰、外加碳源等耗材生产所需的能量)[5]。典型的二级城市污水处理厂电耗中，污水提升、污水生物处理(主要用于曝气供氧)、污泥处理三者能耗之和占总直接能耗的70%以上[6]。

2.1污水处理工艺能源审计20世纪70年代末，WPCF(Water Pollution Control Federation)编撰的污水处理厂运行手册[7]中提出了城市污水处理厂节省能量的基本方案，包括对各单元过程的用能分析和节能措施的制订。能源审计管理不仅能为处理厂运转提供可靠的基础数据，而且可指导处理厂工艺方案的选择与节能改造。芝加哥都市卫生区[8]所辖各城市污水处理厂的节能降耗方案设计就得益于能源审计。国外对污水处理厂的能耗审计研究较为深入。20世纪70年代末Reardon等[9]提出了城市污水处理厂能源审计的主要方法和实施步骤；Rushbrook等[10]通过能耗和费用效益比较了延时曝气、生物转盘(好氧消化或厌氧消化)1 800 m3/d的工艺流程，为政府的决策提供了科学依据；Evans等[11]于1994年对加拿大安大略省主要的污水处理厂能耗状况进行了审计，确定具备节能潜力的过程或工序。

我国的能源审计工作比国外晚了几十年。1982～1985年国家经济贸易委员会开展了《企业能源审计》的试点工作。1989年我国首次对造纸、纺织、化工、炼油和水泥5个行业的企业进行了能源审计，建立了一套定量的企业能源审计方法；1997年国家技术监督局颁布了《企业能源审计技术通则》(GB/17166—1997)等3项有关企业能源审计的国家标准；2001年河南省质量技术监督局颁布了《企业能源审计方法》地方标准(DB/T 270—2001)。羊寿生[12]结合设计经验，对我国典型一级、二级污水处理厂各单元过程进行了能耗(电能)估算，二级处理厂的能耗(电能)为0.266 kW·h/m3(污水处理厂规模为25 000 m3/d)。结果表明，我国城市污水处理厂能耗主要用于污水、污泥的提升、生物处理的供氧及污泥处理这几个工艺过程，其中污水生物处理和污泥处理的耗能量占污水厂直接能耗的60%以上。

表1　国内外我国城市污水主要采用的处理工艺对比

2.2污水处理工艺能耗比较我国现有污水处理厂工艺能耗统计结果见表2。由表2可知，各工艺污水处理能耗平均为0.304 kW·h/m3，其中能耗最大的是浙江绍兴污水处理厂，该厂采用传统活性污泥法，能耗为0.750 kW·h/m3；能耗最小的是广州某高级生活小区污水处理厂，该厂采用SBR工艺，能耗为0.050 kW·h/m3。就平均能耗而言，CASS和氧化沟工艺的能耗最小，均为0.240 kW·h/m3；其次是SBR法，能耗为0.270 kW·h/m3；A2/O的能耗最大，为0.390 kW·h/m3。可见，工艺对能耗的影响较大，通过新工艺的研究来减少能耗具有一定的现实意义。Imhoff[13]比较了完全混合活性污泥法、延时曝气活性污泥法、Carousel氧化沟、纯氧活性污泥法和生物转盘等生物处理系统的总能量需求和运转费用，其中，生物转盘的能耗和费用最低，而延时曝气最高，二者能耗相差约20%。

表2我国部分污水处理厂不同工艺的规模和能耗

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

工艺Process企业Enterprise规模Scale×104m/d能耗Energyconsu-mptionkW·h/m3平均能耗Averageenergyconsu-mptionkw·h/m3A2/O杭州市七格污水处理厂40.000.2800.390上海吴淞污水处理厂3.300.320上海龙华污水处理厂8.300.210广州大坦河污水处理厂14.000.490广州惠州惠阳污水厂6.000.240河北某钢铁厂生活污水处理工程0.800.510山东某污水处理厂D2.000.710CASS广州某住宅小区污水处理厂0.200.3700.240北京某店污水厂2.000.250上海东区污水处理厂2.600.340北京航天城综合污水处理工程1.440.140新疆某城市污水处理工程5.000.110SBR昆明第三污水处理厂20.000.3000.270福建某生活污水处理厂0.600.270上海桃浦污水处理厂4.800.420广州某高级生活小区污水处理厂0.400.050山东某污水处理厂A2.500.320四川某城市污水处理厂1.000.250氧化沟福建泉州宝洲污水处理厂15.000.2200.240Oxidationditch太原北郊污水处理厂1.400.260河南漯河市污水处理厂8.000.250山东潍坊市污水处理10.000.250山东某污水处理厂B20.000.200西安北石桥污水厂15.000.280天津纪庄子污水厂26.000.210传统活性污泥上海曹杨污水处理厂2.000.2300.380法Traditional上海曲阳污水处理厂5.500.240activatedsludge上海天山污水处理厂7.200.250process北京某会议中心0.200.390总装备部某校污水处理厂0.170.570山东某污水处理厂C12.000.240四川成都三瓦窑污水厂10.000.400浙江绍兴污水处理厂30.000.750平均能耗Av-erageenergyconsumption∥kW·h/m30.304

不同区域污水处理的能耗差异主要取决于环境条件、处理工艺和废水性质等，其中处理工艺起着决定性作用。处理工艺的选择涉及城市污水处理的适用技术问题，也决定了污水处理工程实施后的能效。新工艺必须遵循节能、节省投资和处理后水质符合排放与回用标准的基本原则，如SBR法或改进的SBR工艺[14]；低溶解氧条件(0.5～1.0 mg/L)下的活性污泥法[15]；采用综合式曝气系统的氧化沟工艺；厌氧处理城市污水的流程[16]。另外，由于土地和生态处理技术具备高效低耗的特点，也得到了一定程度的应用[17]。

2.3污水处理工段能耗比较城市污水处理工艺能量密集的过程和操作主要集中于生物处理单元[18]，特别是污水提升、曝气系统和污泥处理处置系统，国内外的研究也以这2个领域为主。Acobs[19]和Burris[20]研究认为，处理设施大部分的能量消耗发生在电机这类单一的设备上，因而节能应从提高全厂功率因数、选择高效机电设备及减少高峰用电等方面入手。而有学者认为，污水处理厂能源的消耗主要是污水和污泥的处理。据此，笔者调查了日本[21]、伊朗[22]和我国[12]典型污水处理方法不同处理阶段的能耗分布。由表3可知，我国的废水处理单位能耗为0.266 kW·h/m3，伊朗为0.300 kW·h/m3，日本为0.455 kW·h/m3。如果将整个过程分为污水提升、污水处理和污泥处理(包括焚烧)3个阶段，我国污水提升能耗占22.55%，污水处理能耗占67.00%，污泥处理能耗占10.45%；日本污水提升能耗占10.08%，污水处理能耗占31.20%，污泥处理能耗占11.40%；伊朗污水提升能耗占92.82%，污泥处理能耗占7.18%。扣除污泥焚烧能耗，日本污水处理能耗低于我国和伊朗。这表明各个国家各工艺阶段的能耗差异较大，根据各工艺阶段能耗进行有针对性的研究，更加有利于减少整个工艺的能耗。

3　污水处理工艺节能途径

3.1曝气系统对曝气系统能耗能效的研究涉及曝气设备的改造和革新，可划分为两类：第1类是采用淹没式的多孔扩散头或空气喷嘴产生空气泡将氧气传递进水溶液的方法，对扩散曝气设备的研究集中于微孔曝气(可产生直径2.0～2.5 mm的气泡)，具有传氧效率高、可有效节约风量的特点，各国实践都证明微孔曝气器可节电20%以上[23]；第2类是采用机械方法搅动污水促使大气中的氧溶于水的方法，罗马利亚学者Ognean[24-25]对机械表曝设备研究较为深入，他建立了与理想曝气机和用于生产的实际曝气机相关的氧传输速率、曝气机直径、转速三者的关系。

3.2污泥处理系统污泥处理系统节能研究主要集中于污泥处理的能量回收。目前有两种回收途径，一种是污泥厌氧消化气的利用，一般城市污水污泥的挥发性组分约占65%(国内一般低于该值)，可通过消化稳定约45%，产生的消化气热值约为2.26×104kJ/kg。消化气可通过内燃机或燃料电池转化为机械能或电能，废热还可回收用于消化污泥加热，因此利用消化气能解决污水厂不同程度的能量自给问题[26]。在国内沼气发电机组并网发电的研究和应用已有应用实例，是大型污水处理厂消化气综合利用的可行途径[27]。另一种是污泥焚烧热的利用，即把城市固体废物焚烧场建在污水处理厂旁，将固废与污水污泥一起焚烧，获得的电能用于处理厂的运转。Show等[28]按该思路选择了Montgomery进行了可行性研究，结果发现，工程地点、环境因素、固体废物量及经济上都具备可行性，且污水厂实现了能量自给。

表3　我国、日本和伊朗城市污水处理不同工段的能耗

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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

国家水体污染控制与治理科技重大专项(2013ZX07504-004)。

何卿(1973- )，男，江苏泰州人，高级工程师，从事生态环境保护规划及水污染防治研究。

2016-07-15

S 181.3;X 703

A

0517-6611(2016)26-0052-04