城市污水厂能耗分布及消化液单独处理技术初探

中国环境学会  2011年 03月31日


  孟春霖1,常江1,张树军1,2,杨岸明1,2
  1 北京排水集团有限公司研发中心,北京 100124)
  2 北京工业大学 北京市水质科学与水环境恢复工程重点实验室,北京 100022
  通讯作者:孟春霖,北京城市排水集团科技研发中心,13910997372,北京朝阳区高碑店路甲1#北京城市排水集团科技研发中心,100124,ly-mcl@163.com
   
  摘要 城市污水处理厂作为能源密集形行业,研究其全流程的节能降耗技术十分重要。本文对城市污水处理厂进行了全流程能耗分析,明确了曝气系统和污泥处理系统的能耗特点。污泥厌氧消化技术因可开发利用甲烷,成为公认的可持续的城市污泥处理技术,但厌氧消化产生的污泥消化液直接回流到主流区对污水厂节能降耗的影响常被忽视。本文主要分析了单独处理污泥消化液对城市污水处理厂的作用,结果表明,单独处理污泥消化液不仅工艺稳定可行,在对整个处理系统的节能降耗方面的贡献也非常明显。
  关键词 污泥消化液;单独处理;厌氧消化;生物脱氮;碳源


  基金项目:“十一五”国家科技支撑计划重点项目 (2006BAC19B01);北京市科委资助重大科技项目—北京城市污水处理及再生水质提高关键技术研究及工程示范(D07050601500000); 国家水专项—北京城市再生水水质提高关键技术研究与集成示范(2008ZX07314-008)
   
  随着我国经济的快速发展,能源的需求与日俱增,节能减排在国民经济中具有重要的战略意义。我国目前能源供需矛盾尖锐,碳排放总量大,这已经成为制约我国经济发展和影响人们生活质量的重要因素,《国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006-2020)》中明确指出要坚持节能优先,降低能耗的发展思路。目前我国政府提出到2020年,我国单位GDP的碳排放比2005年下降40%-50%,并作为约束性指标纳入国民经济和社会发展中长期规划。节能减排的艰巨任务必然涉及到污水处理行业,城市污水处理是能源密集型的产业。能耗大、运行费用高在一定程度上阻碍了我国城市污水处理厂的建设以及正常运行,能耗问题已经逐步成为城市污水处理的瓶颈,“十一五”期末,我国城市污水厂总数将达3000座,污水处理设计规模将超过5000万m³/d,能耗总量巨大,并且随着城市污水处理厂上游产业的节能减排的快速发展,作为以减轻环境负担、削减污染物排放、改善水环境为目的的城市污水处理厂的节能减排尤为重要。对于城市污水处理厂,工艺能量密集的过程和操作主要集中于生物处理单元,特别是曝气系统和污泥处理处置系统,国内外的研究也以这两个领域为主[1]。污泥处理处置过程中产生的消化气体的有效利用对于降低能耗有着重要意义,目前国外有城市污水厂通过污泥沼气发电,可满足其自用电力的50%以上[2],而在此过程中的污泥厌氧消化产生的消化液处理逐步成为污水处理厂节能降耗技术研究的关注点。


  1  城市污水处理厂的能耗构成


     城市污水处理厂的能耗主要包括直接能耗和间接能耗,直接能耗包括污水提升泵、曝气系统、污泥回流,污泥脱水等的电耗以及污泥消化消耗热能等,间接能耗包括絮凝剂、外加碳源、加氯等一系列外加耗材,生产电耗一般占运行成本的30%以上,其中污水提升及预处理(主要为污水提升)占10%~20% ,污水二级生物处理(主要用于曝气供氧) 占50% ~70% ,污泥处理占10% ~25% ,三者能耗之和占总直接能耗的70%以上,图1为北京某城市污水处理厂能耗情况统计,其二级生物处理及污泥处理能耗占82.05%。
   
  2  城市污水处理厂水区节能优化


  典型城市污水处理厂可分为水区及泥区两大处理单元,其中水区的主要能耗为预处理单元的进水提升泵,及二级生物处理单元的曝气能耗。图2为北京某城市污水处理厂水区电耗情况统计,其曝气鼓风机及进水泵电耗占水区总电耗的83%,通过有效控制进水提升泵和曝气系统的能耗,必将降低整个水区能耗。
  污水提升泵的电耗和提升泵实际工作扬程成正比关系,提升泵的节能应首先从设计入手正确科学地选泵,让水泵工作在高效段,同时合理利用地形并合理布置各构筑物高程,减少污水的提升高度均是有效的节能措施。曝气系统能耗能效的研究一般涉及两个方面:第1方面为工艺控制节能方面:通过工艺上精确的控制曝气流量来降低曝气系统电耗是可行的,精确曝气可以通过自动智能控制系统实现,该系统包括溶解氧控制、出水氨氮浓度控制、鼓风机调节和空气流量分配等控制模块,为曝气系统提供自动化、精确化的曝气解决方案,可以根据不同工况实现间歇曝气、微量曝气、正常曝气、溶解氧分布控制、好氧体积的动态控制等,并最终达到节能的目的;第2个方面为曝气设备的改造和革新。曝气设备基本可划分为2 类:第1 种是采用淹没式的扩散头或空气喷嘴将氧气传递进水中的方法,第2 种是采用机械搅拌使大气中的氧溶于水的方法。表1为各种曝气设备性能情况。微孔曝气因其具有传氧效率高、可有效节约风量的特点,各国实践均已证明其可节约电耗20 % 以上。
  表1:各种曝气设备的性能[3-4]

  曝气设备

充氧能力

(kg/m3·h)

氧利用率

%

动力效率(kg/kw·h)

标准状态

处理现场

扩散系统

小气泡

0.04-0.06

10-30

1.2-2.0

0.7-1.4

中气泡

0.02-0.03

6-15

1.0-1.6

0.6-1.0

大气泡

0.01-0.02

4-8

0.6-1.2

0.3-0.9

射流曝气器

0.01-0.12

10-25

1.2-2.4

0.7-1.4

低速表面曝气器

0.01-0.09

 

1.2-2.4

0.7-1.3

转刷曝气器

 

 

1.2-2.4

0.7-1.3

高速浮动曝气器

 

 

1.2-2.4

0.7-1.3


  3、城市污水处理厂污泥处理处置节能优化


  在城市污水处理过程中,会产生大量的初沉污泥和剩余活性污泥。在能源日趋紧张的今天,目前有两种回收途径:一是污泥厌氧消化气利用,二是污泥焚烧后热能的利用。将污泥中的有机质通过厌氧消化产生沼气,利用沼气发电机组并网发电在国内外已有应用实例,是大型污水处理厂的沼气综合利用的可行途径,也是节能减排可持续发展的污泥处置方法。北京高碑店污水厂是目前国内污泥厌氧消化处理系统比较完善的一座大型污水厂,日处理污水100万 m3,日处理污泥4 000m3,该厂通过技术改造和调整工艺,最大限度地收集沼气,沼气发电量保持在3万 kW·h/d左右(相当于发电7.5 kW·h/m³污泥)[5]。结合污泥处理单元的节能和污泥资源化的回收利用,提高能源自给率,是实现城市污水处理厂节能减排可持续发展的重要技术路线。
  在污泥厌氧消化处理工艺中,有机物通过产甲烷反应得到部分去除,产生的甲烷进行回收利用,同时污泥中有机氮发生氨化作用,在生化系统中生物合成去除的氨氮大部分转移到污泥消化液(消化池上清液和污泥脱水液)中,使得污泥消化液成为典型的高氨氮、低C/N废水,其氨氮浓度为300~1500mg/L,其中C/N相对较低。在城市污水处理厂生化处理工艺中,通常将污泥消化液从泥区回流到水区和原水一并处理,造成污水处理系统氮负荷增加,形成不良循环。消化液回流加剧了碳源的缺乏,导致脱氮效率难以提高,要保证系统出水达标排放,必须加大碳源投加,增加了整个处理系统的能量消耗。在原水碳源不足时,有无消化液单独脱氮处理系统时,污水处理厂的氮平衡比较分析如图3与图4所示。因此污泥消化液处理工艺的优化选择对于城市污水处理工艺的节能降耗有重要意义,其中污泥消化液的单独处理已经得到了国内外的重视,逐步成为污水处理系统全流程节能降耗的关注点之一。
 
  3.1污泥消化液单独处理可以节省基建投资,提高脱氮效率
  虽然污泥消化液水量仅占城市污水厂总水量的1%~2%,但所含氨氮却占污水处理厂氮负荷的15%~25%[6]。污泥消化液氨氮浓度高,水量小,单独处理与回流到反应区相比,节省占地面积,减少基建投资,更加经济高效。另外如图3和图4所示,根据污水厂的氮元素平衡,单独处理污泥消化液可以减少主处理区10%~20%的氨氮负荷,有利于出水水质的提高。按传统方法将消化液回流到主处理区,氨氮负荷增加,碳源不足的问题进一步突出。为使得出水水质达标,新建污水处理厂,必须增加曝气池的体积,延长硝化时间,投资成本显著增加;对于现有污水处理厂需要升级改造,而靠近城区的污水处理厂,由于土地限制,改建和扩建都有很大困难。


  3.2 污泥消化液单独处理可以降低能耗,节约能源
  污泥消化液的温度可达30~35℃,适宜的温度可以提高微生物的活性,加快污染物的降解速率。污泥消化液单独处理还可以利用高温和底物抑制作用实现稳定的短程硝化。短程硝化反硝化脱氮工艺可以节省外加碳源和部分曝气量,降低运行费用。污泥消化液回流到主处理区与生活污水混合后进行处理,高温和形成短程硝化等有利条件将不存在。为充分降解增加的进水氨氮,需要延长曝气时间或加大曝气量。在有机碳源不存在或者浓度很低的情况下继续曝气,微生物内源呼吸作用的增强,大量消耗合成的有机物。因此消化液直接回流影响后续污泥厌氧消化工艺回收能量。由于底物含有的VSS下降,污泥厌氧消化系统产生的CH4或H2等生物气体量减少,回收的能量也随之减少。


  3.3 污泥消化液单独处理工艺
  全程自养生物脱氮技术是污泥消化液单独处理的首选工艺,自养生物脱氮系统由短程硝化与厌氧氨氧化组合而成。厌氧氨氧化的基本原理是在厌氧条件下,微生物直接以NH4 +为电子供体,以NO2- 为电子受体,将氨直接转化为氮。厌氧氨氧化工艺与传统的硝化反硝化工艺相比,它不需要外加有机碳源进行反硝化,碳源节省100%。曝气量降低62.5%[7-8],节省了大量的运行费用;不需要酸碱中和剂,避免二次污染。污泥消化液温度高,可稳定实现短程硝化;氨氮和碱度的比例合适,可控制只有50%的氨氮硝化,其水质特点适合厌氧氨氧化工艺。目前已有荷兰Dokhaven污水厂成功将厌氧氨氧化工艺应用到污泥消化液处理中,系统稳定运行的同时节约能耗的效果明显。


  4 结论和展望


     城市污水处理厂是高能耗产业,其中又以曝气系统和污泥处理处置单元能耗最为集中,在能源日趋紧张的今天,通过污泥厌氧消化产生沼气进行能源回收的方式越来越被重视,是污水处理厂节能降耗产业的重要组成部分和发展方向。由此,污泥消化液的单独处理技术也必然受到关注,选择适宜的污泥消化液处理工艺对城市污水处理厂节能降耗的实现影响明显,我们应加大对其处理工艺的研究、生产性应用和经济分析,科学全面地评价该类工艺技术。
    
  参考文献:
  [1] 高 旭, 龙腾锐, 郭劲松. 城市污水处理能耗能效研究进展.重庆大学学报(自然科学版).2002,25(6):143-146.
  [2] 赵庆良 胡 凯.城市污水处理厂污泥处理的能耗分析.给排水动态.2009,(4):15-20
  [3] 高廷耀,顾国维. 水污染控制工程. 北京:高等教育出版社,1999
  [4] 贝拉G·利普泰克, 环境工程师手册.北京:中国建筑工业出版社, 1986
  [5] 曹冬梅, 刘坤. 城市污泥厌氧消化产沼气资源化研究. 工业安全与环保. 2006, 32(11):
  [6]M.janus H. and Roest H F v d. Don't reject the idea of treating reject water [J]. water science and technology, 1997, 35(10), 27-34.
  [7] Mulder A, van de Graaf AA, Robertson LA, et al. Anaerobic ammonium oxidation discovered in a denitrifying fluidized bed reactor [J]. FEMS Microbiology Ecology, 1995, 16 (3):177– 183.
  [8] Jetten MSM, Marc Strous, Katinka T, et al. The anaerobic ammonium oxidation of ammonium [J]. FEMS Microbiology Review, 1999, 22(5): 421- 437.
   

 
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