浅议污水处理厂的节能

摘要：系统地介绍并分析了污水处理厂流程中各个处理构筑的能耗情况，并针对各个构筑物提出有效的节能途径。指出了常用的污水好氧处理能耗过高的突出问题，建议改用能耗低，但是造价稍高的好氧过滤等处理方法。污水再生利用也是解决污水处理能耗高的途径之一。

关键词：污水能耗与功效　好氧过滤　生态处理　自净

一、前言
　　 目前我国城市污水处理率低、环境污染压力大，但现行的处理技术多数面临高额资金投入的难题，当前迫切需要低能耗、生态型的污水处理技术。并且，随着人民生活水平的提高和城市化的日益加快，我国城市污水排放量持续增长。我国水污染的治理重点已经开始从工业点源为主的控制治理，逐步转变为以城市生活污水污染为主的控制治理。如何经济有效地解决生活污水的污染问题已成为一个亟待解决的难题，引起了人民群众和政府部门的极大关注。
　　 然而污水处理的费用也是一个很大的问题，要想将污水和废水处理好，对环境的污染降到最低，我们就必须以最经济的方式处理污水，这就涉及到一个污水能耗与功效的问题。下面就污水处理厂的整个污水处理的流程进行分析，找到当前常用的污水处理流程中工艺的不足之处，并提出更好的解决方法，使以后的污水处理更加容易，更加全面，将污水对环境的污染降到最低的限度。

二、污水处理厂的工艺流程
　　 目前，常用于我国城市污水处理的方式为集中污水处理系统和传统的三格式化粪池。其它的处理构筑物也都是大同小异的，主要的流程不外乎如此：
　　 污水收集设施［包括污水管道、雨水管道、工厂排放水管道等］-->污水提升泵站-->格栅拦截-->沉砂池-->初沉池-->曝气池、厌氧池等核心处理工艺流程-->二次沉淀池-->排水管道或渠排入水体①
　　 其中核心处理流程可分为一级处理和二级及以上的深度处理。深度处理流程主要有好氧处理流程、厌氧处理流程及两者相结合的处理方法。
　　 目前，好氧处理方法有SBR工艺、UASB工艺、氧化沟、氧化塘等工艺，在曝气池里充入空气或氧气，让好氧细菌除去污水中的有机物杂质；厌氧处理流程主要有厌氧流化床、两相厌氧发酵、厌氧滤池等利用厌氧菌进行厌氧发酵的方法除去污水中的有机物的；另外常用的还有像A²0及其变种的工艺流程都是好氧处理和厌氧处理相结合的处理流程，其处理效果往往比单一的处理方式好得多。
　　 深度处理构筑物不外乎以下几种：曝气池、厌氧池、氧化塘、厌氧反应器及特殊的除磷脱氮设备，或者是它们的变种工艺，但是处理原理都是大同小异的。

三、各个处理构筑物的能耗分析
3.1、污水处理系统②
　　 目前，污水处理系统又有集中污水处理系统和分散式处理系统。前者是指各种城市生活污水，经预处理符合管道排放标准的工业废水和城市融雪、降水等混合废水经过城市下水管道收集，然后集中被输往城市污水处理厂，城市污水处理厂再根据进水的水质，综合规划，采用适宜的措施集中处理；在达到国家排放标准后，排入自然水系的一种污水处理方式。一般用于经济比较发达的大中型城市。该系统初始投资大，需要敷设相应的城市污水管网，运行管理成本很高，因而对于经济欠发达地区的中小城镇有极大的应用局限性。
　　 分散式污水处理系统，是指在小区或一个工厂设置化粪池或小型的污水处理设施，对生活污水进行预处理，对能够利用的中水进行冲厕所、洗车、浇洒路面花坛等。虽然分散式处理流程可能导致处理费用提升，但是这种处理方式是有它的优越性的，特别是现在过于集中的污水处理费用越来越高，处理流量也越来越大的情况下，分散式处理方式更显示了它的优越性。
3.２、污水提升泵站的能耗分析
　　 随着人们对环境污染越来越严重这一状况的认识和对加强环境保护意识的加强，现在大多数城市都纷纷建设了污水处理厂，处理流程也由简单的一级处理升级为二级或更深度的处理。但是对于大中型城市来说，普启遍还是采用集中处理的方式。一个污水处理厂处理的污水面积都很大，这就需要用提升泵站将远处的污水提升到污水处理厂进行集中处理，这些污水提升泵站不仅要保障所有污水都要提升到污水处理厂，还要适应污水量变化的要求，一般其流量都是很大的，输送的路程也很远，再者污水管道一般都埋设较深，泵站需要有很高扬程，电耗十分可观。
　　 电费是污水提升泵站的主根能耗，输送路程越远，电价越高，像武汉的龙王嘴污水处理厂就设有五个污水提升泵站，将附近很大面积的污水汇集起来，其流量还是不大，目前正在扩建的工程处理流量也才15万吨。
3.３、格栅、沉砂池和初沉池的能耗分析
　　 格栅是利用栅条拦截污水中粗大的杂质，污水经过格栅时，由于栅条的阻挡会引起水头损失，这就需要有水泵提升污水以增大污水的势能；再者，栅渣的机械粉碎处理也是耗能过程。这两者是格栅处理流程的主要能耗根源。
　　 沉砂池和初沉池用以除去污水中粗大的砂粒以及细小的悬浮物，除了污水在池子中的水损外，刮砂刮泥设施以及其后续处理会有很大的能耗，但是这些能耗都不大。
3.４、曝气池的能耗分析
　　 曝气池是好氧处理工艺的能耗大户，大部分的能耗都集中于此。能降低曝气池的能耗就相当于解决了好氧处理工艺流程的能耗问题。
　　 常规的曝气池都是用机械的方式向污水中鼓入空气或是从池底充入空气，并且用搅拌等方式让空气和污水充分混合，从而使空气均匀地分布于污水中，提高好氧使理的效果。
　　 污水在曝气池里的停留时间一般会在两个小时以上，其容积是相当大的，不管是采用叶轮旋转曝气还是通气帽在池底鼓入空气的方式曝气，电机的功率很大，且要昼夜运行，其能耗之大是可想而知的了。
3.５、厌氧池及厌氧处理设备的能耗分析
　　 除了好氧处理技术之处，厌氧处理工艺也很容易为人们所接受，厌氧处理工艺的能耗相对较低，并且可以产生沼气，回收利用也很方便，只是厌氧处理过程中，污水停留时间很长，并且要保证好的处理效果，必须要有较好的隔绝空气的措施。尽管如此，厌氧处理的趋势还是很看好的。
3.６、二沉池及其它处理设施的能耗分析
　　 二沉池是处理后的污水进行泥水分离的地方，现在普遍使用的二沉池都设有刮渣挡板，出水排泥等装置，二沉池的面积也比较大。分离出来的污泥还要用污泥泵输送到污泥泵房，污泥的压缩处理等也是耗能很大的。
　　 现在常用的污泥机械压缩处理，浓缩后的污泥外运填进等方法，耗能巨大，并容易引起二次污染。像污泥中的高浓度污染物很容易随雨水再次进入水循环系统，造成二次污染，有关二次污染的处理也是很伤脑筋的事情。

四、污水处理各个环节的节能途径
4.1、再生回用以减少深度处理
　　 城市污水处理出水的再生利用在我国，花费大量投资建设了城市污水处理厂，但经过处理后的再生水并没有得到充分利用，在城市污水处理决策中应充分考虑污水的再生利用。发展再生水在农业灌溉、绿地浇灌、城市杂用、生态恢复和工业冷却等方面的利用。
　　 城市污水再生利用，应根据用户需求和用途，合理确定用水的水量和水质。污水再生利用，可选用混凝、过滤、消毒或自然净化等深度处理技术。因此，缺水城市和水环境污染严重的地区，在规划建设远距离调水之前应积极实施城市污水再生利用工程，同时做好非投资性或低投资性的节水减污工作。
　　 城市污水再生利用规划建设要依照客观需要和实际可能的原则，按照远期规划确定最终规模，以现状水量及用水需求为主要依据确定实施规模。城市污水再生利用技术选择与工程实施要考虑国情、实际条件和用户需求，城市污水再生利用规模、处理程度、处理流程、输水方式、再生水质、使用用途的选择上，既要满足要求，又要经济合理。目前城市污水再生利用应着重于农业灌溉、市政杂用、景观水体、生活杂用、工业冷却、生态环境和补充地表水。
　　 但是，城市污水再生过程和再生水的使用应确保公众和操作人员的健康安全，以及周边的环境安全，尤其要有效地控制病原菌的污染和传播。再生水使用应满足国家和地方有关污水再生利用的水质标准和规定，处理工艺的选择，尤其是工艺的可靠性和安全性的保障，应经过严格的专家论证、评估和主管部门的批准。
4.2、环境自净和生态处理以降低能耗
　　 城市污水处理厂出水也可看作是水文循环的组成部分，将合乎质量要求的出水排放到河流水体中，使河流水体能维持或变成供下游使用的原水源，不仅经济可行，而且可减少风险并发挥河流自净能力。
　　 正是因为自然环境自身有很强的处理污水的能力，我们可以用生态的方法处理污水，这样不仅可以获得很好的处理效果还能省去很多处理费用，是两全其美的办法。
　　 目前的生态处理方法中很多处理方法都存在占地多，处理流量小的问题。所以生态处理方法要因地制宜，用在空地较多、生物生长好的地方，像人工湿地、土壤层微生物滤池、植物浮床等都是很好的生态处理方法，能耗低，很值得推广。
4.3、各个处理构筑物的节能途径
　　 在污水处理流程中，各个污水处理构筑物的节能途径很多，下面就污水处理流程中各个构筑物的节能方法。
　　 污水提升泵站节能途径。将现有的集中式污水处理改成分散式处理，并充分利用一级处理后的中水，可以减小城市污水处理厂的压力，更可以大大减少深度处理所需的费用。同时污水提升泵站的水量也会适当减少，甚至可以取消，全部采用分散处理模式。污水处理厂只负责处理工厂附近、污水量大的用户排放的污水。
　　 格栅的节能途径。尽量将污水处理设备安装在地势较低的地方，可以减小提升泵的功率。污水经过格栅的时候可以凭借其较快的流速通过栅条，必要时再用提升泵将污水提升至沉淀池。
　　 曝气设施的节能途径③。不管是好氧处理还是厌氧处理设施，其能耗都是非常大的。因为我们必须要用电力设备将空气充入到污水中，但是我们可以采用多层好氧过滤的方式减小这一能耗开支。好氧过滤的各个滤层的厚度的材料都是不相同的，实现的过滤效果也大相径庭。
　　 好氧过滤具体的方法是：污水经过格栅拦截之后，即可以直接进入第一层好氧过滤层，第一层好氧过滤层的孔隙是很大的，一般用粗大的砂石铺垫，主要去除污水中大的悬浮物并通过水流在砂石中紊动的流动将空气中的氧气混入污水中。然后污水进入第二层好氧过滤层，这一层的砂石粒径相对较小，污水在这一层的停留时间相对较长，主要是好氧微生物对有机物的氧化过程，在这一好氧滤层里，很容易生成生物膜，类似于生物膜的处理。如果污水的有机物的含量不是很高的话，处理水已经基本达到了排放的标准了，也可以将处理后的水收集起来作中水使用。如果污水的有机物含量很高的话，可以让污水继续进行下一层的好氧过滤，滤层的孔隙也将更小，处理时间更长，效果也更好。在这一层中，由于污水的停留时间较长，对污水中的N和P也有较好的去除效果。
　　 进行好氧过滤处理的排放水已经可以达到排放的要求，没有必要设置二次沉淀池进行泥水分离。这种处理流程适用于建设在河湖的旁边，有利用处理水的就近排放，而且可以不用清水管道或管渠即可。

五、结论
　　 上面提到的比较节能的污水处理方法主要是生态的处理方法，其中好氧生物滤池尽管很节能，但是也有它自身的限制因素所在：
　　 1　占地较大。因为这种处理方式全靠生物进行氧化分解有机物的方式处理污水，污水停留时间很长，所以处理流量是十分有限的，但是正如前面提到的，在大部分污水都用分散式处理方式的情况下，处理流量都不会很大，所以这种处理方式是有它的优势所在的。
　　 2　不能进行反冲洗，容易堵塞。由于污水通过滤层的时候，会生成很厚的生物膜，老化的生物膜脱落后很容易堵塞住滤层的孔隙，过滤效果会因此而大为降低。所以我们只能用孔隙较大的滤料层，并且尽量避免用垂直分层的布置方式。
　　 3　初期造价高，但是处理费用低。初期造价主要集中在滤层铺砌和滤层上面草皮的种植上，但是一经运行，其运行费用是很低的。
　　 该处理方案有以下几个方面的特点：
　　 1　如果在滤层上面种植植被的话，可以将过滤和湿地相结合建设，处理效果会更好。
　　 2　这种处理方案只适用于分散式处理方案中，处理流量很小，具体的设施可以同家庭的小花坛、花园合建，并不会影响建设的美观性。处理后的水可以直接渗透到附近的水池里，用于花坛的浇灌，路面浇洒等，甚至可以回用于冲洗厕所。
　　 3　好氧过滤可以结合化粪池共同使用，有化粪池进行初步处理，粗大的杂质已经去除，滤层的堵塞的几率会大大减小。

参考文献：

［1］《排水工程》第四版，张自杰主编，顾夏声主审，中国建筑工业出版社出版。
［2］《污水处理能耗与能效》[美]W.F.OWEN，章北平、车武译，金儒霖校，能源出版社出版。

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[①] ：这里没有分析污泥处理流程和能耗。
[②] ：这里的污水处理系统分类是针对污水收集和处理方式而言，分为集中处理和分散处理两种。
[③] ：二级及以上的深度处理流程未完全列出，只以好氧处理流程中的曝气池为例，提出了曝气处理的新方法。