污水处理与节能减排.docx
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污水处理与节能减排
能源利用与环境保护
污水处理与节能减排
一、绪论
1.1、常见基本概念
（1）污水处理
为使污水达到排入某一水体或再次使用的水质要求，对其进物理的、化学的、生物的净化的过程。
（2）污水水量
在一定的时间内排放污水的量，常用m3/d或m3/h表示。
（3）污水水质
用各种指标表征的污水的物理、化学或生物性质。
常见的指标有PH、SS、COD、BOD、NH3-N、TP、油类物质、重金属、大肠杆菌、色度、温度等。
①SS（Suspendedsolid）：
固体悬浮物，一般单位mg/L，一般指用滤纸过滤水样，将滤后截留物在105℃温度中干燥恒重后的固体重量。
②COD（ChemicalOxygenDemand）：
化学需氧量，一般单位mg/L。
是指在一定的条件下，采用一定的强氧化剂处理水样时，所消耗的氧化剂量。
它是表示水中还原性物质多少的一个指标。
水中的还原性物质有各种有机物、亚硝酸盐、硫化物、亚铁盐等，但主要的是有机物。
因此，化学需氧量（COD）又往往作为衡量水中有机物质含量多少的指标。
化学需氧量越大，说明水体受有机物的污染越严重。
③BOD（BiochemicalOxygenDemand）：
生化需氧量，一般单位mg/L。
有机污染物经微生物分解所消耗溶解氧的量。
④NH3-N：
氨氮，一般单位mg/L。
氨氮是指水中以游离氨（NH3）和铵离子（NH4+）形式存在的氮。
⑤厌氧：
污水生物处理中，没有溶解氧也没有硝态氮的环境状态。
溶解氧在0.2mg/L以下。
⑥缺氧：
污水生物处理中，溶解氧不足或没有溶解氧但有硝态氮的环境状态。
溶解氧在0.2~0.5mg/L左右。
⑦好氧：
污水生物处理中，有溶解氧或兼有硝态氮的环境状态。
溶解氧在2.0mg/L以上。
1.2、废水的介绍
⑴废水的来源
根据来源不同，废水可分为生活污水和工业废水两大类。
⑵废水中的污染物种类
依据其，大致可如下区分：
固体污染物、有机污染物、营养性污染物、酸碱污染物、有毒污染物、油类污染物、生物污染物、感官性污染物和热污染等。
Ⅰ、固体污染物常用悬浮物（SS）和浊度两个指标来表示。
浊度：
水的透明程度的量度。
指水溶液中所含颗粒物对光的散射情况。
水质分析中规定：
1L水中含有1mgSiO2所构成的浊度为一个标准浊度单位，简称1度。
Ⅱ、有机污染物主要用生化需氧量（BOD）、化学需氧量（COD）等指标来描述。
Ⅲ、营养性污染物主要是氮、磷化合物（NH3-N、TP），引起富营养化。
酸碱污染物主要由工业废水排放的酸碱以及酸雨带来，水质标准中以pH值来反映其含量水平。
Ⅴ、有毒污染物中废水中的毒物可分为三大类：
无机化学毒物、有机化学毒物和放射性物质。
Ⅵ、油类污染物：
包括“石油类”和“动植物油”两项。
Ⅶ、生物污染物：
生物污染物主要是指废水中的致病性微生物，它包括致病细菌、病虫卵和病毒。
水质标准中的卫生学指标有细菌总数和总大肠杆菌群数两项。
⑶水质标准
用水对象（包括饮用和工业用水对象等）所要求的各项水质参数应达到的限值。
可分为国家标准、地方标准和行业标准等不同等级。
1.3、废水处理方法综述
⑴处理方法分类
将处理方法分可分为分离法和转化法两类。
①分离法
污染物存在形式
分离方法
离子态
离子交换法、电解法、电渗析法、离子吸附法、离子浮选法
分子态
萃取法、结晶法、精馏法、吸附法、浮选法、反渗透法、蒸发法
胶体
混凝法、气浮法、吸附法、过滤法
悬浮物
重力分离法、离心分离法、磁力分离法、筛选法、气浮法
②转化法
方法原理
转化方法
化学转化
中和法、氧化还原法、化学沉淀法、电化学法
生化转化
活性污泥法、生物膜法、厌氧生物处理法、生物塘等
⑵按处理程度分类
主要分为四大块：
预处理、一级处理、二级处理、深度处理。
Ⅰ、预处理：
主要包括温度调节、水质水量调节、预曝气、隔油等；格栅机、刮油刮渣机、调节池、沉砂池、初沉池等。
Ⅱ、一级处理：
主要去除废水中悬浮固体和漂浮物质，同时还通过中和或均衡等预顶处理对废水进行调节，主要采用物化处理，中和、混凝沉淀。
Ⅲ、二级处理：
主要去除废水中呈胶体和溶解状态的有机污染物质。
好氧：
主要采用生化处理，包括活性污泥法和生物膜法。
厌氧：
UASB、EGSB、IC、厌氧接触工艺、厌氧生物转盘、厌氧流化床等。
其他。
高级氧化技术：
光催化氧化技术、湿式氧化技术、Fenton法、微波技术。
土地处理技术：
植物修复法、人工湿地。
新技术：
磁分离技术CoMag、BioMag技术、固定化微生物法等。
Ⅴ、深度处理：
一级、二级处理的基础上，对难降解的有机物、磷、氮等营养性物质进一步处理。
主要包括过滤、消毒等，砂滤、活性炭过滤、精密过滤器、离子交换、反渗透膜、超滤、二氧化氯消毒、次氯酸钠消毒、紫外消毒、臭氧消毒等。
典型的污水处理流程
⑶污水处理项目要调查的信息
①新建项目：
1、污水量2、污水的来源、产生途径
3、进水水质4、出水要求（标准、用途、主要控制指标）
5、有无可研或者环评报告6、项目基本概算、完工要求
②改造项目
1、污水量、废水类型2、现有处理工艺3、主要存在的问题
4、改造目的5、进水水质6、实际出水水质
7、出水要求8、项目基本概算、完工要求
1.4、节能减排背景
⑴引言
根据住房和城乡建设部统计数据，截止2009年底，全国城镇累计建成污水处理厂1993座，总处理能力已超过1亿m3/d。
面对未来严峻的“十二五”节能减排目标，许多污水处理厂面临和承担相应的节能减排任务。
污水处理行业不仅要确保完成“十二五”的减排目标，还需结合本行业实际情况进行节能，以降低成本和提高行业竞争力。
本文从国内污水处理厂运行的实际情况出发，结合国内外最新的理论及研究成果，引入清洁生产审核机制，提出切实可行的节能减排途径。
鉴于目前尚无污水处理厂清洁生产的国家和行业标准，故其清洁生产审核（包括能源审核）工作只能根据相关法规、案例进行。
污水处理厂通过工艺的优选，节能的装置，无害高效的药剂，排放物的再利用和管理模式的创新达到污水处理厂的节能减排。
⑵污水处理厂耗能现状分析
由于国家对污水处理厂出水水质要求的不断提高，污水处理的电耗相应提高到0.15~0.28（kWh/m3）污水，平均处理成本已达到0.8元/m3，随之而来的高运行成本便摆在了相关部门面前。
污水处理厂能耗成本占污水处理厂运营维护成本的40%~80%（污水处理厂能耗分布见图1），主要集中在污水提升、曝气供氧、污泥输送与处理和混凝沉淀等部位。
随着出水水质要求的不断提高，CO2和污泥的排放量也相应增加，这将与我国当前提倡的减排相斥。
曝气供氧是CO2的主要来源部位，曝气供氧与混凝沉淀又都是污泥的主要产生部位。
因此污水处理厂的节能减排工作应从上述部位出发，提出实现途径，以满足国家和行业要求。
二、原理
⑴曝气
指将空气中的氧强制向液体中转移的过程，其目的是获得足够的溶解氧。
此外，曝气还有防止池内悬浮体下沉，加强池内有机物与微生物及溶解氧接触的目的,从而保证池内微生物在有充足溶解氧的条件下，对污水中有机物的氧化分解。
⑵活性污泥
由细菌、真菌、原生动物和后生动物等各种生物和金属氢氧化物等无机物所形成的污泥状的絮凝物。
有良好的吸附、絮凝、生物氧化和生物合成性能。
活性污泥法：
利用活性污泥在废水中的凝聚、吸附、氧化、分解和沉淀等作用，去除废水中有机污染物的一种废水处理方法。
例如传统活性污泥法、A/O、A2/O、SBR、CASS、氧化沟等。
剩余污泥
传统活性污泥法工艺流程
A/O：
对于脱氮，工艺如下：
出水
原水或初沉池水
回流污泥
脱氮工艺
⑶生物膜法
使废水接触生长在固定支撑物表面上的生物膜，利用生物降解或转化废水中有机污染物的一种废水处理方法。
⑷气浮
气浮法是在水中通入或产生大量的微细气泡，使其附着在悬浮颗粒上，造成密度小于水的状态，利用浮力原理使它浮在水面，从而获得固、液分离的方法。
产生微气泡的方式有曝气和溶气等。
⑸混凝
混凝的目的在于通过向水中投加一些药剂（通常称为混凝剂及助凝剂），使水中难以沉淀的胶体颗粒物能互相聚合，长大至能自然沉淀的程度，这个方法称为混凝沉淀。
在给水处理和废水处理中混凝沉淀都是最常用的方法之一。
⑹过滤
在水处理过程中，过滤一般指以石英砂等粒状填料层截留水中悬浮物质，从而使水获得澄清的工艺过程。
过滤的主要作用是去除水中的悬浮或胶态物质，特别是能有效去除沉淀技术不能去除的微小粒子和细菌等，对BOD和COD等也有某种程度的去除效果。
⑺沉淀
利用悬浮物和水的密度差，重力沉降作用去除水中悬浮物的过程。
⑻氧化沟
传统活性污泥法污水处理技术的改良，外形呈封闭环状沟，其特点是混合液在沟内不中断地循环流动，形成厌氧、缺氧和好氧段，且将传统的鼓风曝气改为表面机械曝气。
⑼生物膜法
例如生物接触氧化法、生物滤池、BAF、生物流化床、MBR、生物转盘等。
原理：
含有营养物质和接种微生物的污水在填料的表面流动，一定时间后，微生物会附着在填料表面而增殖和生长，形成一层薄的生物膜。
⑽MBR
又称膜生物反应器（MembraneBio-Reactor）,是一种由膜分离单元与生物处理单元相结合的新型水处理技术。
⑾EGSB（ExpandedGranularSludgeBed）
中文名膨胀颗粒污泥床。
其构造与UASB反应器有相似之处，可以分为进水配水系统、反应区、三相分离区和出水渠系统。
与UASB反应器不同之处是，EGSB反应器设有专门的出水回流系统。
EGSB反应器一般为圆柱状塔形，特点是具有很大的高径比，一般可达3~5，生产装置反应器的高度可达15~20米。
三、创新点分析
⑴在工艺上实现了污水的节能减排。
⑵在装置上实现了污水的节能减排。
⑶从排放物的再利用实现了节能减排。
⑷从管理模式创新实现了节能减排。
四、可行性分析
4.1工艺的优选实现系统节能
污水处理工艺的选择在很大程度上决定了投资与运行成本，也决定了能耗与排放物量。
因此选择的工艺必须具备技术先进、处理效率高且投资及运行成本低，同时能耗和排放物少，操作和维修简单的特点。
（1）一级处理工艺优选
一级处理投资少，能耗低，管理简单，可去除一定的有机物，故可通过强化沉降、分离、絮凝等工序，采用中和法，提高格栅和沉砂池效率等方法来强化一级处理，从而降低二级处理负荷和运行成本，达到系统节能目的，强化一级处理的优势见表1。
表1一级处理与强化一级处理效率比较
工艺
SS
BOD
TP
细菌
一级处理
50~60
25~40
10
—
强化一级处理
90
50~70
80~90
80~90
（2）二级处理工艺优选
⑴深井曝气活性污泥法系统节省土地，Carrousel氧化沟无需初沉池。
3池交替工作氧化沟系统可不单设二沉池，SBR等工艺集反应与沉淀于一池，都不同程度地节省了占地和投资，故可多考虑运用这些工艺。
⑵厌氧技术能减少产生污泥体积，这将降低污泥后续处理费用，此外厌氧处理无需曝气，不仅节能减排而且能回收能量。
故可加大力度突破厌氧技术处理速度慢、菌温等限制条件，可在条件允许时多尝试采用厌氧处理技术。
⑶生物膜处理法中的各种工艺多易于维护管理，可采用自然通风实施充氧，具有较长食物链产生较少活性污泥，其上生长的硝化和亚硝化菌具有脱氮作用，而且生物滤池、生物转盘工艺能节省能源，动力费用低，去除单位质量BOD的能耗也少。
故在污水处理厂的设计中可考虑采用生物膜法。
⑷A2/O工艺可改进为倒置A2/O工艺、UCT及改良型UCT工艺；SBR工艺可改进为CASS工艺、IDEA工艺和ICEAS。
诸如此类的工艺必将有利于污水处理厂今后的升级改造，有利于达到更高的处理要求，故可优先考虑。
⑸厌氧、缺氧反应对有机物有较高的去除率，并且缺氧时能有效利用NO3-;-N中的氧来氧化有机物，这将大大降低曝气量及设备需求量。
故可采用An/O工艺处理污水（图2），实现节能减排。
⑹同步硝化反硝化、短程硝化反硝化、厌氧氨氧化和反硝化除磷等新工艺在不同程度上能达到节能减排目标，例如短程硝化反硝化将硝化过程控制在HNO2阶段，阻止HNO3的生成，直接以NO为电子最终氢受体进行反硝化，即整个脱氮过程可以通过NH→HNO2→N2↑的过程完成短程硝化反硝化，其优势见表2。
荷兰Delft科技大学1997年对短程硝化反硝化工艺-SHARON工艺的开发，具有良好好氧反硝化作用细菌ThisophaeraPantotropha的发现，说明了这些新型工艺的可行性。
由此可大力研究开发满足这些新型工艺良好运行的条件，使其为节能减排服务。
表2短程硝化反硝化较全程硝化反硝化的优势
项目
节约供氧量
节约有机碳源
减少污泥量
投碱量
反应时间
容积
硝化过程
反硝化过程
比例
≈25%
≈40%
24%~33%
≈50%
减少
缩短
减少
此外，人工湿地系统具有建造成本和运行成本低、能耗小、出水水质好、操作简单等优点，故可采用人工湿地、生态工程单独运行或与生化处理污水相结合的方式，利用自然界的水体、土地、植物和微生物的物理、化学、生物作用，去除污水中的悬浮物，溶解态有机物，N，P以及重金属等，进一步提高出水水质。
这将大大降低能耗，减少污染物排放，达到节能减排和景观效应。
对于经济实力较弱和拥有大量闲置土地的地区，这将是切实可行的污水处理方法，国内外已有诸多地区建成了人工湿地及生态工程用于处理污水的实例。
4.2高效的装置实现设备节能
污水处理厂的电耗在运营费用中一般占到40%左右，若从耗电设备着手，采取相应的改善措施，其中的节能将大有可为。
厂区耗电部位主要是输送泵、曝气装置及其他设备，其中污水提升电耗占总能耗的10%~20%，提升泵设施主要有初次提升泵、污泥回流泵、剩余污泥泵、内回流泵以及出水提升泵；曝气系统的电耗占到总能耗的40%~70%，占到了总能耗的绝大部分。
氧的转移效率与气泡的大小、反应器深度、液体的湍流程度以及气泡与液体的接触时间有关；此外其他设备的电耗也占到了很大部分。
通过对这些部位采取合理的节能措施（表3），将大大节省污水处理厂的人力、物力、财力，达到节能减排效果。
表3污水处理装置的节能措施
设备名称
节能措施
输送泵
⑴精确计算流量Q确保泵运行时尽量在高效区间内；
⑵采用管道淹没出流代替堰口出水方式，以降低跌水高度；
⑶选用水头损失小的管材来减少沿长和局部损失；
⑷利用自然地势，实现污水自流或者利用自然落差补偿部分污水管路水头损失；
⑸采用可调速电机或多级变速电机驱动定速水泵，从而避免电能的浪费。
⑹以粉碎技术为核心的全封闭地埋式污水泵站代替传统的污水泵站，节约土地资源、能源。
曝气装置
⑴做到精确设计，选用压力损失小的管材及局部构件，避免不必要沿长和局部损失；
⑵选用微气泡空气扩散装置，产生微小气泡使得气、液接触面大，提高氧利用率，其充氧效率见表4。
⑶考虑在单侧设曝气装置，在水流断面上形成旋转推流，使得气、液接触充分，以达到氧的高转移率；
⑷安装自动调节装置，根据曝气池中的溶解氧浓度（DO）自动调节供气量。
⑸采用混合效率更高的潜水搅拌器等来替代曝气设备；
⑹使用方便、故障率低、节能效果明显的变频调速风机。
其余设备
⑴对于混凝澄清设备、刮泥板、加氯机、紫外线消毒机、污泥压榨机和消化池等设备的选择和运行必须在精确的设计计算下进行，以提高其工作效率及自动化程度；
⑵厂区安装节能灯，以降低电耗；
⑶污水处理厂的屋面、池顶、空地可用于建设太阳能设备，收集的太阳能用于加热污水、污泥，厂区照明，还可以用于发电，从而充分利用资源以减少能源需求，减少CO2排放。
表4各充氧设备充氧效率
充氧设备
表曝机
穿孔管
水力剪切式
微孔曝气器
水力冲击式
效率
5~8
4~6
6~11
20~38
20~28
4.3无害高效的药剂实现原料节能
水处理药剂包括絮凝剂、凝聚剂、阻垢剂、缓蚀剂、杀菌剂、清洗剂、消泡剂、脱色剂和离子交换树脂等，多为化学合成有机高分子体。
我国现有水处理药剂生产厂家230家，品种100多个，总产量近20万t。
水中预处理污染物质的性质和浓度、水温、pH值、共存杂质等因素共同决定了药剂的选择及用量。
但同时还应考虑药剂的高效性，以使其减量化；考虑其无害性，以防止二次污染；考虑其廉价性，以降低运行成本。
例如胶体颗粒处理时可将无机混凝剂和有机混凝剂并用，应用能最大限度的降低污泥的含水率并提高污泥的脱水性能的混凝剂，这样既可节省药剂用量又能提高混凝效果，从而使污水处理厂的运行费用大幅降低；在对污泥的性能进行调整时，加入氯化物、PAM时必须考虑其是否会产生二次污染问题，例如应用PAM时产生的聚合单体丙烯酰胺是强致癌物；在运用化学法除磷中，虽然石灰法对磷有较高的去除率，但其高药剂费用、高产泥量和在池子、管道和其他设备上的结垢，将会对后续处理带来不便，不符合节能减排的要求，应尽量避免使用。
国内外普遍采用混凝沉降法来提高污水处理效率，混凝剂的生产量已占到水处理剂的80%以上。
目前广泛应用的无机凝聚剂和有机絮凝剂虽然是既简便又有效的原料，但是在水处理过程中纯在着较大的问题，而新型的生物絮凝剂则弥补了它们的不足。
此外还有排放物的资源化实现产出物节能（表6），管理模式创新实现管理节能（表7）。
对于出水，应避免直接排放，根据条件最大限度的提高城市污水的无害化处理率，使其满足回用水水质标准，用于工业、农业、市政方面，这将大大节约淡水资源，减少污染物排放，同时污水处理厂也可从中获取经济效益，降低污水处理厂运行成本，符合可持续发展要求。
表6排放物的有效利用
排放物
有效利用
废渣
直接将其铺路、制砖
污泥
⑴将污泥集中进行厌氧消化，产生的CH4气体经发电后可供污水处理厂自身照明、鼓风、曝气，污泥脱水等机械使用；
⑵用于城市绿化花草的肥料；
⑶充分利用污泥中含有丰富的植物所需营养物质，改良矿区土地；
⑷制造活性炭，制纤维板。
出水
⑴冲洗机械设备、车间、道路和厂区绿化；
⑵用于发电厂冷却，城市绿化，景观用水，建筑洗车及冲厕；
⑶地下水回灌；
⑷用于污水灌溉农田；
可以实行建设与运营的产业化和市场化，例如采用政府委托专业的污水处理公司管理的管理模式，由专业企业集中管理污水处理厂，将污水处理厂变为企业，其优点见表7。
表7不同管理模式的优缺点比较
名称
优点
缺点
政府管理
⑴监管到位
⑴各污水处理厂都需要配备齐全的人力、物力和财力，造成资源浪费；
⑵资金有保障
⑵操作人员专业知识欠缺，造成管理运行不善；
⑶责任明确
⑶缺乏竞争机制，效率低下。
委托管理
⑴减少人员投入，节省人员费用
需政府、组织、公众监管
⑵利用优势的专业人才和管理方式，提高工作效率；
⑶方便管理，降低管理风险；
⑷合理配置人员、物资、资金，避免闲置。
五、意义
面临当前我国污水处理厂大量发展的现状，污水处理厂的基建及运行费用问题将是诸多污水处理厂面临的主要问题。
应该根据地区实际情况朝着提高资源、能源利用率，减少或避免污染物产生，降低污染物排放的方向发展，通过从不同方面研究和应用高效、低耗、减排的污水处理技术方法，以保证完成我国“十二五”节能减排任务，努力将我国建设成为资源节约型、环境友好型社会。
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