污水处理厂能源回收工艺和优化策略分析

摘要：目前，污水处理厂常用的污泥能源回收技术主要有2种，即污泥热解产氢技术和污泥厌氧消化热电联产技术。随着科学技术的发展，污水处理厂能源回收新工艺应运而生，主要有厌氧消化耦合微生物电解池产甲烷工艺和厌氧消化耦合微生物燃料电池产电工艺。为了增强能源回收效果，有必要分析污水处理厂能源回收技术，综述污水处理厂能源回收新工艺，提出我国污水处理厂能源回收优化策略。我国污水处理厂能源回收可以采用3种优化策略，一是多目标需求导向的能源回收策略，二是工艺改造结合前沿技术的能源回收策略，三是多目标功能导向的能源回收策略。随着优化策略的落实，污水处理厂可以更好地实现能源自给，减少能耗，提高资源化利用水平。

关键词：污水处理厂；能源回收；工艺；优化策略；污泥

中图分类号：X703 文献标识码：A 文章编号：1008-9500（2024）07-0-05

DOI：10.3969/j.issn.1008-9500.2024.07.066

Analysis of energy recovery process and optimization strategy in sewage treatment plants

ZHANG Jun

（Zibo City Construction Project Environmental Assessment Service Center， Zibo 255000， China）

Abstract： At present， there are two commonly used sludge energy recovery technologies in sewage treatment plants， namely sludge pyrolysis hydrogen production technology and sludge anaerobic digestion cogeneration technology. With the development of science and technology， new energy recovery processes for sewage treatment plants have emerged， mainly including anaerobic digestion coupled microbial electrolysis tank methane production process and anaerobic digestion coupled microbial fuel cell electricity production process. In order to enhance the efficiency of energy recovery， it is necessary to analyze the energy recovery technology of sewage treatment plants， summarize the new energy recovery processes of sewage treatment plants， and propose optimization strategies for energy recovery in sewage treatment plants in China. There are three optimization strategies for energy recovery in sewage treatment plants in China， and the first is a multi-objective demand oriented energy recovery strategy， the second is an energy recovery strategy that combines process transformation with cutting-edge technology， and the third is a multi-objective function oriented energy recovery strategy. With the implementation of optimization strategies， sewage treatment plants can better achieve energy self-sufficiency， reduce energy consumption， and improve the level of resource utilization.

Keywords： sewage treatment plant; energy recovery; process; optimization strategy; sludge

随着全球能源的日益紧张，能源回收利用已经成为许多国家经济社会发展的重要战略。污水处理厂作为城市的重要基础设施，其能耗占城市总能耗的比例逐年递增，如何有效地降低污水处理厂能耗，提高能源利用率，成为急需解决的问题。因此，有必要分析污水处理厂能源回收技术，综述污水处理厂能源回收新工艺，提出我国污水处理厂能源回收优化策略，以期为污水处理厂的可持续发展提供参考。

1 污水处理厂能源回收技术

1.1 污泥热解产氢技术

污泥脱水处理后，在高温和无氧条件下，大分子有机物可以热解为小分子物质。污泥热解后，可得到具有优良孔径和吸附性能的吸附剂。污泥热解产氢技术已成为研究热点，氢气生成量随污泥含水量和温度升高而增加，通过调节污泥的含水量和反应温度，可以提高氢气产量。超临界水气化技术底物转化率高，无须预先干燥，被广泛用于污泥产氢。但是，为实现商业化应用，该技术仍需要进一步优化反应条件，研制高效催化剂，提高产氢效率，降低能耗[1]。此外，生物发酵制氢和高温热解产氢也是污泥能源化的有效途径，高温热解可提高氢气产量和热解气体热值，促进高质燃气的生成。

1.2 污泥厌氧消化热电联产技术

沼气发电是指将沼气在发动机中燃烧，并通过能量转换将化学能转化为电能。但是，有效能量转换效率仅为25%～30%，其余热能主要通过缸套水、废气热回收装置和空气散失，如图1所示。污泥厌氧消化热电联产技术是一种将污泥中的化学能转化为电能和热能的高效能源回收技术，多个污泥消化池生产沼气用于发电，可节省电力成本。污泥热水解+高级厌氧消化处理工艺具有显著的降碳潜力，能够减少温室气体排放。热水解工艺运行时，所需能量主要由消化池提供[2]。但是，热水解工艺复杂，系统建设和维护成本高，需要独立的设施来处理厌氧消化液，由于热水解后消化液化学需氧量（Chemical Oxygen Demand，COD）和氨氮含量增加，不宜直接回流至污水处理厂的进水，否则可能导致污染物浓度增加。污泥热水解后需要进行冷却处理，以降低温度，但冷却交换后的低品位热能难以回收利用，限制系统的能量利用效率。

1.3 污泥能源回收技术比较

污泥能源回收的主要技术途径包括焚烧、厌氧消化产甲烷和产氢。污泥焚烧因其高能量回收率而备受关注，但成本较高，需要预先降低污泥的含水率。厌氧消化产氢技术能够将有机物转化为氢气，但能量回收率较低，同时产生大量二氧化碳，因此它并非实现清洁能源回收的有效途径。相较之下，厌氧消化产甲烷为理想的污泥能源回收方式。

目前，生活污水处理主要采用好氧生物技术，该技术需要大量曝气，以满足硝化菌和好氧微生物的代谢需求，导致能耗高、效率低。随着水资源供需矛盾的加剧，开发污水资源化新技术，实现能源回收和节能降耗变得尤为迫切[3]。生活污水具有高有机物含量和大水量的特点，厌氧生物技术已成为研究的热点。该技术产生的气体不仅可以实现资源化，还可以实现能源化，为污水处理厂的能源自给和节能减排提供新的可能性。

2 污水处理厂能源回收新工艺

2.1 厌氧消化耦合微生物电解池产甲烷工艺

传统厌氧消化技术将污泥中的有机质转化为甲烷，实现资源化，但甲烷转化率低。微生物电解池产氢技术通过广泛利用底物，将大分子有机物转化为氢气，促进嗜氢产甲烷菌生长，提高甲烷转化率。微生物电解池技术以污泥发酵废液作为碳源底物，增强产氢作用，并消耗糖类物质，从而提高处理效果。产氢效果受到缓冲溶液的影响，而污泥发酵废液可以同时作为反应底物和缓冲溶液，不仅降低成本，还避免二次污染。优化微生物催化电解技术的操作条件，可以进一步提高甲烷产量[4]。

2.2 厌氧消化耦合微生物燃料电池产电工艺

微生物燃料电池（Microbial Fuel Cell，MFC）是一种将有机物中的化学能直接转化为电能的装置，如图2所示。在MFC中，微生物在厌氧条件下将氧化有机物产生的电子传递给电极材料，然后电子通过外电路输出电流。MFC的阳极隔室是微生物生长代谢和有机底物降解的主要区域，其中有机物为微生物提供电子。生成三磷酸腺苷后，电子传递给阳极，并进一步传向外电路。MFC技术的废水处理规模达到2.25 t/d，出水清洁度满足要求，可供15人使用。该系统实现电能的自给自足，并且有盈余电能。

3 我国污水处理厂能源回收优化策略

目前，我国污水处理厂主要采用好氧工艺，以活性污泥为基础，通过调节废水COD和通气为微生物提供生长环境。污水处理厂能耗较低，但实际能耗涉及消化、脱水、燃烧和通风等环节。2019年数据显示，82%以上的污水处理厂能耗超过0.44 kW·h/m3。2021年，污水处理用电量占全国用电量的0.3%。污水中的COD是一种潜在的环保能源，传统的污水处理方式往往导致能量损失。废水处理应充分利用废物资源，以实现能源回收和节能降耗[5-6]。吸附生物降解工艺是一种提取废水中COD的有效方法，其中约74%的COD进入剩余污泥。剩余污泥是一种有机能源，通过有效的回收利用，结合生物能、太阳能等其他能源回收技术，污水处理厂可以逐步实现能量自给自足，如图3所示。

3.1 多目标需求导向的能源回收策略

污水处理厂的能源回收主要涉及农田灌溉用水、城市景观用水和市政杂用水。为满足农田灌溉用水需求，要采用能源回收技术对污水进行一级处理和厌氧处理，如图4所示。在此过程中，采用变频调速技术可以实现23%～43%的节能效果。城市景观用水的水质需要达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB 18918—2002）的一级A标准或一级B标准，而市政杂用水的水质仅需要满足二级标准。

数据显示，污水处理过程中，出水水质执行一级B标准时，COD和氨氮的削减量分别为300.4 g/m3和62.2～91.5 g/m3，而氧需求量为362.6～391.9 g/m3。

若出水水质降至二级标准供市政杂用，则预期的COD削减量可减少50～60 g/m3，氨氮削减量可减少10～17 g/m3，氧需求量可减少50～60 g/m3，氨氮消耗可减少41.8～62.7 g/m3。当出水水质调整为二级标准供市政杂用时，氧消耗量削减，为94.2～122.7 g/m3，预计曝气能耗削减率为24.0%～33.8%，整体节能率为13.1%～18.4%。

3.2 工艺改造结合前沿技术的能源回收策略

3.2.1 原位污泥能源化

原位污泥能源化利用热电联产技术，将污泥厌氧发酵产生的甲烷用于热电联产机组，实现能源的原位利用。产生的热量用于维持污泥发酵系统的温度，而电力则用于驱动厂区内的耗电设备。污泥厌氧消化产甲烷，通过热电联产获得能量，最高可达污水处理厂能耗的30%。结合工艺节能率，原位污泥能源化可以实现50%以上的能耗降低，如图5所示。

3.2.2 与短程硝化反硝化工艺结合

对污水处理厂进行短程硝化反硝化工艺改造，并应用自动化控制系统，可实现26.00%～31.73%的节能率，如图6所示。污泥产生量减少40%，既节能，又降低可用于厌氧消化产甲烷的污泥量。

3.2.3 与厌氧氨氧化技术结合

污泥处理采用厌氧消化技术，一体化厌氧氨氧化工艺可提高污泥产生量。改造后，厌氧硝化回收的有机物占进水COD的比例从传统厌氧-缺氧-好氧（Anaerobic-Anoxic-Oxic，A2O）工艺的20%提高到40%，回收的甲烷能量占A2O工艺能耗的60%。这实现污水中有机物和氨氮的分离，使城市污水处理厂的能源自给率提高到90%。

3.2.4 开发基于能源回收的高效厌氧工艺

将厌氧氨氧化技术和产甲烷技术相结合，开发出一种新的城市污水处理工艺，旨在实现低碳脱氮和能源回收。该工艺系统由3个部分组成，即厌氧系统、半亚硝化系统和厌氧氨氧化系统。厌氧技术的应用不仅可以降低水处理工艺的能耗，还可以直接从污水中产生能量，以补偿运行过程的能耗。

3.3 多目标功能导向的能源回收策略

污水处理厂可通过技术升级实现节能降耗和能源回收，关键技术升级节点包括污水提升和生化池曝气系统，并采用变频调速、智能控制和新型鼓风机等设备进行升级。工艺应以短程硝化反硝化和厌氧氨氧化为主，结合节能型工艺和新技术新设备，可实现节能降耗，节能率为26%～40%。通过增加厌氧处理单元，利用厌氧消化产甲烷和热电联产技术，可至少将能源自给率提高至28%。同时，采用热泵等新技术回收污水中的潜在热能，并开发太阳能发电技术，利用新型清洁能源，能源自给率可超过27%。根据我国国情，污水处理厂的排放标准应适应多目标功能需求。根据排水用途选择性调整出水标准，以减少相对耗能的处理单元，从而降低能耗。多目标功能导向的能源回收策略如图7所示，根据不同排水标准选配节能技术方案，污水处理厂能源自给率可超过50%。

4 结论

污泥热解产氢技术和污泥厌氧消化热电联产技术是污水处理厂常用的能源回收技术，可实现污泥的能源化处理，但它们仍需要进一步优化反应条件，研制高效催化剂，提高产氢效率，降低能耗。作为污水处理厂能源回收新工艺，厌氧消化耦合微生物电解池产甲烷工艺和厌氧消化耦合微生物燃料电池产电工艺可以降低酸性抑制，提高污泥水解酸化效果，减少能耗。我国污水处理厂主要采用好氧工艺，能耗较高，适当调整出水标准，可以减少相对耗能的处理单元，从而降低能耗。通过技术升级改造，污水处理厂采用短程硝化反硝化工艺、厌氧氨氧化技术等，可以进一步提高能源自给率，降低能耗。

参考文献

1 左 锋，莫 剑，古 伟.污水处理厂节能降耗措施及效益分析：以湖南省某再生水厂为例[J].节能与环保，2024（2）：67-74.

2 郭 杨，张 雪，蒋福春，等.基于碳达峰碳中和目标下供水节能降耗技术研究及管理探讨[J].给水排水，2022（7）：11-15.

3 赵 红，张建强，杨自强，等.潜水推流器在矩形生物池节能降耗中的应用[J].化学工程与装备，2023（2）：265-267.

4 杜文中，张 金，赵永亮.我国供水工程中水泵节能降耗技术研究现状与展望[J].机电工程技术，2022（12）：284-287.

5 袁文娟，吴 韬，倪玉飞.某水厂能源回收工程调流调压电站电气设计[J].小水电，2024（1）：23-25.

6 何大伟.污水处理厂节能降耗与能源回收利用技术途径与策略研究[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2021：16-17.