低能耗污水处理技术的应用

第24卷第2期能源环境保护Vol.24,No.22010年4月Energy Environmental ProtectionApr, 2010防治技术低能耗污水处理技术的应用杨根权(煤炭工业合肥设计研究院，安徽合肥230041)摘要:以蚌埠市第三污水处理厂为例,详细介绍工程中所应用的一体化技术、低溶氧技术、同时硝化/反硝化技术、微孔软管曝气技术、新型推流技术等低能耗污水处理技术，并从反.应机理、处理效果、节能效果等方面加以分析和比较,为相关技术人员选择污水处理工艺.提供了新的思路。关键词:低能耗;一体化;低溶氧;同时硝化/反硝化;微孔软管;推流中图分类号:X703文献标识码:B文章编号:1006- -8759(2010)02-0022-05APPLICATION OF LOW ENERGY CONSUMPTIONSEWAGE TREATMENT TECHNIQUEYANG Gen-quan(Hefei Design and Research Institute of Ministry of Coal Industry ,Hefei 230041 ,China)Abstract: For the example of the Third Sewage Treatment Factory of Bengbu, this paper givesa detailed discuss on the low energy consumption technique which was used in the project,such as the integration technique, the low dissolved oxygen technique, the simultaneous nitri-fication -denitrification technique ,the micro -hose - aeration technique 、the plug flow aerationtechnology and so on. Also, the paper gives a analysis and comparison on the respect of thereaction mechanism, treatment effect, energy conservation and ect, with a new way of thinkingprovided for the related technical personnel to select the process of sewage treatment.Keywords: low energy consumption;integration technique; low dissolved oxygen; simultaneousnitrification-denitrification; micro- hose- -aeration; plug flow.运行费用高是目前大多污水处理厂普遍面临案比选,在认真研究并充分调研的基础上，与德国的难题,直接影响水污染治理的成效,因此污水处恩格拜公司(Engelbart Biologische Verfahren :理工艺的节能降耗是当前亟待解决的问题，这也GmbH)合作,吸收德国生物倍增工艺(BioDopp)优是我国“十一五”规划和十七大落实科学发展观的点,在国内推出改良型一体化氧化沟工艺,该工艺要求。综合应用了多项低能耗污水处理技术，可以大大在蚌埠市第三污水处理厂(以下简称“蚌埠三减少污水处理厂的运行费用，并保证良好的出水污”)设计中,设计人员汇同建设单位多次进行方水质,具有投资省、占地面积小、运行费用低、维护中国煤化工例,对相关技术逐一收稿日期:2009-11-20进行MHCNMHG作者简介:杨根权(1971-),男 ,1993 年毕业于河北工程大学热能与环境工程系给水排水专业,高级工程师,安徽省土木建筑学1工程概况会给排水专业学术委员会委员，长期从事水处理及环境工程设蚌埠三污项目为世界银行贷款项目，项目内计,发表论文多篇。杨根权低能耗污水处理技术的应用.23.容包括污水处理厂1座(一期规模2.5x10+ m2/d),回流系统。按功能需要,蚌埠三污项目的一体化生配套管网40.93 km,以及中途提升泵站1座,工程物反应池共划分为4个分区(如图1所示),按水总投资10 290.66万元，其中厂区投资3 704.35的流向分别为厌氧区、空气提升区、主反应(曝气)万元。区、沉淀区。在沉淀区,用快速澄清装置(斜管)取污水处理厂尾水排放执行《城镇污水厂污染代了传统的二沉池，斜管沉淀具有高效分离的特物排放标准》(GB19918-2002)一.级标准的B标点,表面负荷一般为50~65 m2/(m-.d), 该值是传统准,设计进、出水水质及要求处理程度见表1。二沉池设计的1.5~4 倍。沉淀污泥直接落于斜管表1污水处理厂进、出水水质及处理程度下方,通过混合液回流，将斜管下方污泥带回氧化沟进水端,实现了污泥无泵自动回流,省去机械回水质COD B0D3 ss NH-N TNTI流,从而降低运行能耗,比设独立污泥回流系统的设计进水水质/(mg*L) 400 200 250 30 40 4.0传统氧化沟法可节能15 %左右。蚌埠三污规模设计出水水质/(mg.L) 60 20 20 8(15) 20 1.52.5x104 m/d,如采用泵回流系统,需设置回流泵2处理程度1%6.85 9(92 73(50) 50 62.5台,运行功率30kW,电耗增加约0.05kWh/m3。污水处理工艺采用改良型一体化氧化沟工混合液在斜管下方的通道通过时，流速控制艺,工艺流程见图1。在0.3~0.4m/s,可以形成抽吸作用,保证了分离沉淀的污泥不会在通道底部积累，另一方面也加速了污泥的沉降,同时,由于抽吸作用形成独特的水坚气区力条件,在斜管下部的水处于旋流状态,这样可以有效避免斜管内部积泥。而斜管上部处于异向流胜毒江一一出 水达标排级状态，水流较为平缓，比重大的污泥颗粒先行分离,随着上升过程中的阻力影响,水流趋于平稳缓缓上升,比重小的污泥颗粒也能够重力沉降，在此过程中水质不断改善,最终通过斜管,保证出水水图1蚌埠三污污水处理工艺流程图质。事实上,在改良型一体化氧化沟工艺中,形成的活性污泥絮体主要是微量好氧的微生物和兼性2低能耗污水处理技术的应用厌氧微生物,这些微生物菌种生长速度较慢,不会为贯彻节能理念并保证出水水质，工程中主在菌群团表面形成水膜，这样的污泥易于分离，要应用了一体化技术、低溶氧技术、同时硝化/反SVI仅在60~100之间;此外,由工艺本身控制的硝化技术、微孔软管曝气技术、新型推流技术等低短程同时硝化/反硝化，决定了在水体进人沉淀区能耗污水处理技术。之前,NO2或NO;及可溶性BOD几乎为零，沉淀2.1-体化技术区即使是缺氧条件下也几乎不会发生反硝化和产--体化氧化沟技术源于上世纪50年代的荷生氮气，也不会出现传统活性污泥法中的二沉池兰(沃绍登Voorschoten), 其特点是用合建的生物翻泥现象。反应池取代传统氧化沟工艺中的氧化沟、二沉池、2.2低溶氧技术污泥回流泵房等处理构筑物，将初沉池、水解酸化低溶氧技术是降低污水厂运行能耗的一项重池、厌氧池、曝气池以及二沉池的功能集于一身，要措施，低溶氧不代表有机物氧化、氨氮硝化供氧使传统工艺的多个池体简化为-一个综合池体,在量不足,而是通过曝气系统的改进使供氧量和需其中高效完成碳源氧化、硝化、反硝化、磷的去除氧量之间的富余值控制在科学经济的范围内,从以及处理水的固液分离，前段的预处理及后段的而避中国煤化工,改良型一体化氧化消毒和污泥处置与传统工艺基本- -致。国内于上勾TYHCNMHGmg/L就够了，这与世纪90年代初引进该技术，目前运行厂已超过奥贝尔氧化沟外沟的运行十分相似，因此氧的传10余座。递作用是在氧亏条件下进行的，传递效率大大提--体化技术最显著的特征是不设独立的污泥高,鼓风系统的供氧量随之降低。.24.能源环境保护第24卷第2期低溶氧环境也决定了微生物种类和所发生的反硝化过程如图2所示:生化反应类型,经过驯化形成的活性污泥絮体中,NH- + NO,~- + NO,-NO,- +N:主要保留的是微量好氧的微生物和兼性厌氧微生一月物,这些微生物菌种生长速度较慢,在吸附COD硝化阶段皮销化阶段后不会在菌群团表面形成水膜，活性污泥絮体则14)全程硝化反的化1:物脱氮連径通过接触微小气泡而直接摄取氧气进行代谢,即NE;NO,bN,使在溶解氧浓度较低的情况下也可以正常地摄取I←十反稍化阶段有机物进行代谢，从而使得微生物获得氧的效率大大提高。只要反应池中有溶解氧富余出来(控制(b)觀程确化反丽化生物脱氨途径出水端的溶解氧浓度在0.1~0.3mg/L),就说明池图2全程硝化/反硝化与短程硝化/反硝化中微生物已经不再需要更多的溶解氧，这比传统全程反硝化主要反应为:好氧工艺专性好氧菌种对氧浓度的需求要低得NH4+202=NO3+2H+H2O2NO3+0H(电子供给体COD)=N2+4H2O+20H-传统好氧工艺中，活性污泥絮体以专性好氧短程同时硝化/反硝化主要反应为:菌种为主,污泥絮体较大且外表有水膜,绝大多数NH4'+ 1.502=NO2+2H*+H2O细菌是被“包埋”在污泥絮体内,水体中的溶解氧2NO2 +3H(电子供给体COD)=N2+H2O+OH-必须克服絮体表面水膜阻力后才能被微生物摄取由公式可看出，去除一个分子的氨氮,短程硝和利用,因此扩散进去的溶氧极为有限,即使水体化/反硝化要比全程硝化/反硝化少消耗0.5个氧中溶氧较高(2mg/L或以上),但真正被微生物利分子,可减少25 %左右的需氧量,大大降低因充用的也只有0.1~0.3 mg/L。氧所需的能耗。工程中设有高精度的溶解氧检测仪，如果氧.此外，由于短程硝化/反硝化可直接利用浓度超过0.3mg/L,通过变频装置，降低鼓风机的NO2-N还原为N2,因此具备较高的反硝化速率，输出功率;相反,如果氧含量低于0.1 mg/L, 则增通常比全程硝化/反硝化高63 %左右。加鼓风机的鼓风量。这种控制可轻易实现自动化2.4微孔软管曝气技术调节,操作简便、运行可靠又可节省运营成本。改良型一-体化氧化沟运行的一一个重要特征是2.3同时硝化/反硝化技术低溶氧,仅0.1~0.3 mg/L,要保证这- -参数,除了设上节提到的低溶氧环境，决定了蚌埠三污项.置高精度的溶解氧检测仪外，运用先进的曝气技目的另-项低能耗污水处理技术一-短程同时硝术也是关键。蚌埠三污项目采用的是新型节能微化/反硝化。目前研究表明,在奧贝尔氧化沟、卡鲁孔软管曝气技术，在曝气区下方,沿长向密集地布塞尔氧化沟.SBR.曝气生物滤池等工艺中都不同置多道细长曝气软管,间隔只有20~30cm,每米软程度地存在短程同时硝化/反硝化现象,而在蚌埠管上开有数千个微气孔，曝气时能产生均匀的细三污项目中短程同时硝化/反硝化的特征十分明小气泡。由于曝气软管沿曝气区通长布置,这样在显,由于生物池中溶解氧较低,氨氮在硝化过程中整个曝气区池底面积上，可以进行大表面面积的大部分生成亚硝酸盐,而不是硝酸盐，反硝化菌群细小气泡曝气作业，保证区域内水体100 %得以利用NO2*-N作电子受体进行反硝化脱氮,在有效曝气。这种曝气方式主要有3方面优点:NH4*-N被降解的同时，没有NO2-N的积累及(1)避免传统曝气的曝气不均匀。传统盘式、NO;-N的产生，整个生物脱氮过程比一-般的全程管式曝气的曝气装置在池底是分散布置的，其直好氧硝化/厌氧反硝化历时要短得多,为好氧短程接曝气区域极为有限,仅在5 %左右或稍高,其它同时硝化/反硝化(Aerobic short cut simultaneous区域中国煤化工<体流动形成的扩散nitrification-denitrification)过程,即在好氧条件下来完MYHCN MHG上是不均匀的，也就亚硝化微生物将NH4+-N转化为NO2-N，随即由难以保证微生物体对氧气需求的均匀。不同曝气反硝化微生物直接进行反硝化反应,将NO2-N还方式的工况见图3所示。原为N2释放。全程硝化/反硝化和短程同时硝化/杨根权低能耗污水处理技术的应用.25.图4空气提升示意图()防毓赚气图3不同曝气方式的工况能消耗不到7.5 kW，而传统氧化沟工艺要形成推(2)提高充氧效率。传统曝气方式是局部曝流,动能消耗至少在45kW以上。主要原因在于改气,曝气相对集中,局部强度过大,会导致垂直水良型一体化氧化沟和传统氧化沟工艺的工况不.波，以非常高的速度传播气泡，加之气泡粒径较同,在传统氧化沟工艺中,推流的动能消耗主要用大,气泡上升速度相对较大,气泡与水的接触时间于保持沟内活性污泥的悬浮，避免污泥在沟底沉短,充氧效率低,仅能达到2.5 kg O2/kWh左右。积,而改良型一体化氧化沟,由于其独特的曝气方而工程中采用的大表面面积曝气，在池底表式,活性污泥始终能保持悬浮状态,除澄清装置下面产生的气泡是均匀的，这样可以降低单位面积方要求一定的流速外,其它地方对流速并无要求,的池中曝气量,同时由于产生的气泡细小且密集,其推流的作用是保证混合液回流，通过调节回流气泡上升速度减小，延长了与水接触的时间(约是比对进水进行稀释，使曝气池进水端的负荷降低,传统曝气的3~4倍),另- .方面,气泡粒径减小,增整个曝气池的有机物浓度梯度差保持在较小范大了气泡与水的接触面积，有利于增加氧的传递围,COD负荷也几乎平均一致,使得微生物生长的效率。因此,采用大表面面积的软管微孔曝气,动环境稳定,有利于微生物的生长及有机物的降解。力效率大大提高,可达到4 kg O/kWh或更高,氧3主要经济技术指标的利用率(EA)高达35 %~60 %。(3)加速氧的直接利用。采用曝气软管曝气时上述多项低能耗污水处理技术的综合应用,产生的气泡极其细小，气泡直径仅为10~30 um,决定蚌埠三污项目显著的节能效果。在项目的设这些气泡绝大多数直接附着在活性污泥上，实现计阶段,曾对改良型一体化氧化沟工艺和传统A3/了泥、水之间良好有效的微混合,加速了微生物体C氧化沟工艺作过详细的经济技术比较，两种工对气泡中氧气的直接利用。艺经济技术指标及技术特征比较结果分别见表2曝气软管的安装也非常简单，通过活结头与和表3。主空气管连接，在池底的數设则通过特殊设计的拉环和牵引绳来完成，这种安装方式可以在不停表2两种工艺经济技术指标比较结果表车的情况下对运行中出现问题的曝气管进行更序号项目A9C氧化沟改良型- -体化氧化沟厂区土建费用/万元2 079.211 925.94厂区设备及安装/万元1 765.081 778.412.5 新型推流技术厂区工程投资/万元3 844.293 704.35蚌埠三污项目采用的推流技术也具有高效节吨水投资/元.m)1 537.721 481.74厂区占地面积ha6.10(近期3.22 4.80(近期 2.91) .能的特点，在一体化氧化沟空气提升区的底部设厂区装机容量/kW1 04470795.00有空气提升装置(如图4所示),通过鼓人空气形工程总投资(含管网)/万元10 502.7710 290.66电费(不含管网)/(万元.a)192.26132.04成提升区内外液体密度差和液位差，导致空气提人员工资(不含管网)(万元.a-) .39.60升区液位的抬高,从而实现氧化沟的推流。，4(11.40中国煤化工4059.40采用空气提升形成氧化沟推流的动能消耗较1CNMHGl!，92.61小，通常不到氧化沟动能消耗的5 %,以蚌埠三污四川刀儿"a ) 104.53177.814年经营费用(不含管网)1(万元.a)583.30512.86项目为例，规模2.5x10* m)/d,如回流比为20,每经营成本(含折旧)/(元.m)0.650.57秒的推流水量约6m',采用空气提升形成推流的_16 处理成本(不 含折旧)/(元.m).440.37●26.能源环境保护第24卷第2期表3两种工艺技术特征比较结果表布，产生的气泡细小且密集,大大增加氧的传递效项目内容A/C氧化沟改良型:--体化氧化沟率，动力效率(Ep)高达4 kg O2/kWh以上,氧的利工艺流程简单更简单用率(EA)高达35 %~60 %,有效减少鼓风量和运脱:氮除磷效果很好行能耗;出水水质好更好(2)微孔软管曝气技术的使用，使低溶氧技耐冲击负荷能力更强术、同时硝化/反硝化技术得以实施,低溶氧环境维护管理及控制很简便下驯化的活性污泥絮体可以直接摄取细小气泡中设备数量少的氧气进行代谢，对氧浓度的需求较其它活性污节约能耗效果非常好泥法要低得多,可以降低单位面积的池中曝气量,装机容量小通过经济技术比较可以看出，改良型- -体化另一.方面,氧传递作用是在氧亏条件下进行的,可以提高氧的传递效率。同时,由于生物池中溶解氧氧化沟工艺相比传统A3/C 氧化沟工艺,更具有出较低,氨氮在硝化过程中大部分生成亚硝酸盐,可水水质好、管理简便、节省能耗等优点。尤其在节以被反硝化菌群直接利用进行反硝化脱氮，提高.省能耗方面,每年节省运行电费60.22万元,节省.反硝化速率和脱氮效率;能耗30%,效益显著。如果除去前段的预处理、后(3)工程中应用一体化技术,在沉淀区用快速段的消毒工序以及污泥处理单元，单就生物处理澄清装置(斜管)取代二沉池,实现了污泥无泵自单元而言，蚌埠三污的改良型- -体化氧化沟运行动回流,省去机械回流,从而降低运行能耗。此外,能耗仅在0.09 kWh/m3' 左右，而传统A2/C氧化沟工程利用空气提升装置来实现沟内大比例混合液运行能耗则在0.22 kWh/m3左右，生物处理单元回流,大大降低用于推流的动力消耗。的能耗降低可高达60%,节能效果明显。参考文献:4结语[1]邓荣森,俞天明,王涛,肖海文.新型一体化氧化沟工艺的节能从前面的分析比较可以总结蚌埠三污项目的特点[J],中国给水排水,2001,17(10)16-18.节能特点:[2]张自杰,等,排水工程(下册)[M],北京:中国建筑工业出版社,.(1)工程采用新型微孔软管曝气技术,为大表1996 , 64-69.面面积微孔曝气，可以保证气泡在池体的均匀分[3]张自杰，等,环境工程手册水污染防治卷[M],北京:高等教育出版社, 1996 ,251-258.(上接第21页)[3]陈乐荣,吴雪莉,陈粉珠.城市污水处理厂化学法辅助除磷的试补充了反硝化反应所需的碳源，促进了系统的脱验研究[],环境技术,2004, (4):35~38.氮作用,对COD和氨氮有很好的去除效果,但对[4]唐建国,林洁梅.化学除磷的设计计算[J].给水排水200.26(9):17~22.磷的去除效果不佳。[5]邓良伟水解-SBR工艺处理规模化猪场粪污研究[].中国给水(3)在投加硫酸亚铁的同步沉析及絮凝作用排水2001.173):8-11.下,经两次进水SBR处理后出水CODer.氨氮和[6] Bortone G, Gemelli S, Rambaldi A, et al. 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