污水处理与节能减排

一 绪论 2 1 1 常见基本概念 2 1 污水处理 2 2 污水水量 2 3 污水水质 2 1 2 废水的介绍 3 废水的来源 3 废水中的污染物种类 3 水质标准 3 1 3 废水处理方法综述 3 处理方法分类 3 按处理程度分类 4 污水处理项目要调查的信息 4 1 4 节能减排背景 5 引言 5 污水处理厂耗能现状分析 5 二 原理 6 三 创新点分析 8 四 可行性分析 8 4 1 工艺的优选实现系统节能 8 1 一级处理工艺优选 8 2 二级处理工艺优选 8 4 2 高效的装置实现设备节能 9 4 3 无害高效的药剂实现原料节能 10 五 意义 11 能源利用与环境保护 污水处理与节能减排 一 绪论一 绪论 1 1 常见基本概念 常见基本概念 1 污水处理 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 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 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 SS Suspended solid 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 COD Chemical Oxygen Demand 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 BOD Biochemical Oxygen Demand 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 NH3 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 厌氧 污水生物处理中污水生物处理中 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 缺氧 污水生物处理中污水生物处理中 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 好氧 污水生物处理中污水生物处理中 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 废水的介绍 废水的来源废水的来源 根据来源不同 废水可分为生活污水和工业废水两大类 废水中的污染物种类废水中的污染物种类 依据其 大致可如下区分 固体污染物固体污染物 有机污染物有机污染物 营养性污染物营养性污染物 酸碱污染物酸碱污染物 有毒污染物有毒污染物 油类污染物油类污染物 生物污染物生物污染物 感官性污染物和热污染感官性污染物和热污染等 固体污染物常用悬浮物 悬浮物 SS 和浊度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 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 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 有毒污染物中废水中的毒物可分为三大类 无机化学毒物无机化学毒物 有机化学毒有机化学毒物和放射性物放射性物 质质 油类污染物 包括 石油类 和 动植物油 两项 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细菌总数和总大肠杆菌群数总大肠杆菌群数两项 水质标准水质标准 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各项水质参数应达到的限值 可分为 国家标准国家标准 地方标准地方标准和行业标准行业标准等不同等级 1 3 废水处理方法综述 废水处理方法综述 处理方法分类处理方法分类 将处理方法分可分为分离法和转化法两类 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 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 按处理程度分类按处理程度分类 主要分为四大块 预处理预处理 一级处理一级处理 二级处理二级处理 深度处理深度处理 预处理 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 一级处理 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 二级处理 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 好氧好氧 主要采用生化处理 包括活性污泥法和生物膜法 厌氧厌氧 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 土地处理技术土地处理技术 植物修复法 人工湿地 新技术新技术 磁分离技术 CoMag BioMag 技术 固定化微生物法等 深度处理 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典型的污水处理流程 污水处理项目要调查的信息污水处理项目要调查的信息 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 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 节能减排背景 引言引言 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 厂通过工艺的优选工艺的优选 节能的装置节能的装置 无害高效的药剂无害高效的药剂 排放物的再利用排放物的再利用和管理模式的创新管理模式的创新达 到污水处理厂的节能减排 污水处理厂的节能减排 污水处理厂耗能现状分析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 原理二 原理 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 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 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 传统活性污泥法工艺流程传统活性污泥法工艺流程 A O 对于脱氮 工艺如下 脱氮工艺脱氮工艺 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 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 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 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 沉淀 传统曝 气池 二沉淀 进水 剩余污泥 出水 回流污泥 缺氧池好氧池二沉池 回流混合液 回流污泥 原水或初沉池水 碱 出水 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 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 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 MBR 又称膜生物反应器 Membrane Bio 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 EGSB Expanded Granular Sludge Bed 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 创新点分析三 创新点分析 在工艺上实现了污水的节能减排 在装置上实现了污水的节能减排 从排放物的再利用实现了节能减排 从管理模式创新实现了节能减排 四 可行性分析四 可行性分析 4 1 工艺的优选实现系统节能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SSBODTP细菌 一级处理50 6025 4010 强化一级处理9050 7080 9080 90 2 二级处理工艺优选二级处理工艺优选 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 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 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 A2 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 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 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 Thisophaera Pantotropha 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 表表 2 短程硝化反硝化较全程硝化反硝化的优势短程硝化反硝化较全程硝化反硝化的优势 减少污泥量 项目 节约供氧 量 节约有机 碳源硝化过程反硝化过程 投碱量反应时间容积 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 表表 3 污水处理装置的节能措施污水处理装置的节能措施 表表 4 各充氧设备充氧效率各充氧设备充氧效率 4 3 无害高效的药剂实现原料节能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 设备名称节能措施 精确计算流量 Q 确保泵运行时尽量在高效区间内 采用管道淹没出流代替堰口出水方式 以降低跌水高度 选用水头损失小的管材来减少沿长和局部损失 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 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 输送泵 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 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 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 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 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 采用混合效率更高的潜水搅拌器等来替代曝气设备 曝气装置 使用方便 故障率低 节能效果明显的变频调速风机 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 厂区安装节能灯 以降低电耗 其余设备 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 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 84 66 1120 3820 28 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