谈污水处理设施的改造与技术措施

闫香领 秦菊芬 杨涛

摘要：城镇污水处理设施提效改造是一个系统工程，不只是对污水与污泥处理系统的节能降耗改造，也应包括对污水收集系统提高收集效率的改造。污水处理厂是重要的市政基础设施，也是水污染控制的最关键单元，在人类社会活动中发挥着重要作用。完成城镇污水处理设施大规模建设之后，提升改造将是一项长期的任务。通过不断提升改造可使城镇污水处理厂更加高效地满足日益严格的环境质量要求，并在改造过程中使新技术、新材料和新设备得以应用。

关键词：城镇污水处理、环境、设备

中图分类号： U664 文献标识码： A 文章编号：

引言

城镇污水处理厂的提升改造可分为提标改造和提效改造两个方面：提标改造是指以进一步提高出水水质为目标而进行的改造；提效改造是指在保证一定出水水质的前提下以降低能量及物料消耗为目标而进行的改造。目前，我国正在对已建污水处理设施进行不同程度的提标改造，而提效改造尚未得到重视。西方国家一直将提效改造作为污水处理领域的一个重要内容，强调高效地进行污水处理。

1 城镇污水处理设施提效改造的重要性

城镇污水处理是一个高能耗行业。美国城镇污水处理行业年总电耗超过200亿kW·h，已占全社会总电耗的3%，占城市总电耗的15%以上。我国污水处理程度虽然不高，但2011年总电耗也已达到100亿kW·h。另外，城镇污水处理还是一个高物耗行业。美国污水处理年消耗聚丙烯酰胺等化学药剂超过5万t，我国则已超过3万t。

高能耗物耗一方面增大了处理成本，更重要的是使污水处理成为一个不可忽视的碳排放领域。美国2007年排放温室气体71.5亿t碳当量，其中污水处理领域耗电导致的间接碳排放为0.72亿t，占总排放当量的1%。当然，污水处理的直接碳排放在总排放量中也占有相当的比例。在美国排放的71.5亿t碳当量中，甲烷5.8亿t，其中污水处理领域的直接排放达0.25亿t；一氧化二氮3.1亿t，其中污水处理直接排放0.05亿t。甲烷和一氧化二氮导致的直接碳排放为0.3亿t，加上间接碳排放，污水处理直接排放与间接排放总计1.02亿t，占总排放碳当量的1.42%。

因此，对城镇污水处理设施进行提效改造，已经显得非常必要。首先，通过改造降低能耗物耗可以降低处理成本，减轻污水处理费负担。其次，“以高能耗高物耗为基础的优质出水”以及由此带来的“减排水污染物，增排温室气体”局面不利于污水处理行业的健康发展，低碳污水处理应是未来的发展方向。另外，污水处理领域碳减排与能源交通等其他行业相比，减排成本较低，可以低成本为国家增加碳汇。美国很多州或城市已经系统地制定了污水处理碳减排计划，总体碳排放量在逐年降低。

2 城镇污水处理设施提效改造的技术对策

城镇污水处理设施提效改造是一个系统工程，不只是对污水与污泥处理系统的节能降耗改造，也应包括对污水收集系统提高收集效率的改造。同时，开发回收污水污泥中的能量，提高污水处理设施的能源自给率，也是提效改造的重要内容。

2.1 污水收集系统的提效改造

当污水处理厂实际负荷达到设计负荷时，总体能效物效最高。在我国已投入运行的3000多座城镇污水处理厂中，虽然平均水力负荷率已超过80%，但污染物负荷不足60%。一些处理厂由于进水污染物负荷太低，虽然单位处理水量的电耗不高，但单位污染物去除量的电耗却极高，导致能效很低。因此，应对污水收集系统进行改造，提高污水处理厂的水力负荷率和污染物负荷率，这是进行其它提效改造的前提。

提高负荷的具体技术对策包括：完善收集管网、强化溢流控制，提高污水收集率；实施雨污分流、控制管网的入流入渗、控制溢流口倒灌，提高污水浓度。通过以上措施，长期仍无法提高负荷时，应基于现状对处理厂进行适应性改造。

2.2 污水与污泥处理设施的提效改造

污水与污泥处理设施提效改造的目标是降低能耗与物耗。

曝气系统的电耗约占污水处理总电耗的50%～70%，是改造的重点。曝气系统提效改造应包括提高鼓风机机械效率、提高曝气器充氧效率以及强化曝气控制三个方面。罗茨或多级低速离心风机机械效率较低，应考虑更换为单级高速离心风机。为进一步提高充氧性能，曝气器有向超微孔发展的趋势。混合曝气、逆流曝气、限制性曝气、全布曝气都是可以采用的高效曝气形式。另外，适当增加曝气器数量，降低单位通气量，也可明显提高充氧性能。目前，前馈、反馈、前馈-反馈等各种不同控制品质的精确曝气控制器已较成熟，可以实现按需供氧，避免不必要的电耗。

污水提升以及污泥回流等泵组常由于流量级配与控制不能满足实际泵送介质的变化，大部分时段在低效工况运行，应予以改造。由于担心污泥沉积，设计的搅拌功率普遍偏大，实际处于过度搅拌状态，导致电耗增加。随着脱氮除磷要求的日益严格，污水处理过程需要搅拌器数量也越来越多，成为不容忽视的耗电环节。目前，国际上已出现感应式调速搅拌器和线性搅拌器，采用后可降低搅拌环节的电耗。

离心脱水机虽然具有很多优点，但能耗极高，如无特殊必要可酌情改为“压滤”类脱水设备。目前，国际上对污泥脱水系统提效改造的一个重点方向是控制投药比。改造的难点是控制参数的在线测定，国外一些处理厂正在探索采用基于微波原理的在线含固量测定“前馈”或“前馈-反馈”控制投药比，以降低物料消耗。

美国污水处理行业平均电耗为0.32kW·h/m3，其中污水收集平均为0.04kW·h/m3，污水及污泥处理平均为0.28kW·h/m3。我国污水处理厂平均进水污染物浓度很低、出水水质标准也不高，且污泥基本没有处理处置，但平均电耗却与美国相当，达到0.26kW·h/m3，说明能效很低。导致低能效的原因很多，但污染物负荷率不足、设施设备效率低以及总体控制水平不高是主要原因。随着各地提标改造的实施，污水处理能耗将进一步增大，亟需将提效改造与提标改造同步实施。按照国际经验，通过系统全面的提效改造，电耗与药耗将分别降低15%～35%。以全国污水处理厂通过提效改造电耗与药耗分别降低20%计算，年降低电耗15亿～20亿kW·h，节药6 000t，既节约运营成本，又大量降低间接碳排放。

2.3 能量开发与回收

污水处理领域的能量开发与回收现阶段主要集中在污泥的厌氧消化，但热解技术已开始逐步实现工程化。通过污泥厌氧消化工艺进行能源回收，一般可使污水处理实现20%～30%的能源自给率。近年来，厌氧消化预处理技术有了较大进展，通过热水解、化学、超声波等细胞破壁技术，可大大提高消化效率，从而提高能源回收率。通过“节流”和“开源”措施，欧洲一些污水处理厂的能源自给率超过了60%。

美国年产污泥750万t，建设了650座集中厌氧消化设施，将58%的污泥进行了厌氧消化。设置76套热电联供系统（CHP），总装机装机容量220MW，且正在迅速增加。欧盟国家年产污泥800万t，50%以上进行了厌氧消化，英国厌氧消化率达到66%，总体能源自给率约20%。目前，我国年产污泥约540万t，仅有不到50座消化设施，厌氧消化率不足5%，能量开发与回收空间巨大。

2.4 提效改造的发展

在设施设备提效改造完成以后，低能耗污水处理工艺的开发和污水潜能的开发利用将是污水处理提效改造的两大主要技术方向。污水深度过滤、高效厌氧处理、厌氧氨氧化等工艺将有可能在城镇污水处理中得以普遍采用，从根本上大大降低污水处理能耗，实现污水处理革命性变化。大量研究已经证明，污水中的潜能远高于处理污水所需能量，污水处理在理论上可以成为净产能过程，开发污水潜能将是未来的重要研究方向。