劉庭卓，王 爽，孫 敬，趙欽歡，劉蕓滋，張 穎，景愛國，張哲瑞

（河北環(huán)境工程學院，河北 秦皇島 066102）

目前，污水生化處理工藝都為組合工藝，即在污水生化處理中采用動能設備，利用水泵或攪拌機的方式滿足污水循環(huán)和攪拌要求，這樣就造成污水生化處理過程中的能源浪費，使污水處理成本升高。本設計在降低污水處理能耗、改善水質、提升城市品位等方面具有促進功能，有利于生態(tài)環(huán)境保護和經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展。

1 具體設計方案

1.1 基本處理流程

設計的目的是通過回流與攪拌方式的創(chuàng)新，減少AO（厭氧好氧）池在運行過程中的能源消耗，在保證污水處理量和處理效果的前提下實現(xiàn)降低能耗、節(jié)省空間的目的。為了達到以上效果，要在A（厭氧）池氣體攪拌、O（好氧）池混合液回流、二沉池污泥回流三個耗能方面進行改進。首先通過布水器高壓噴水攪拌的方式代替電力攪拌機的攪拌，降低污泥混合所需能耗，攪動液體；然后對沉淀池與O 池的結構進行優(yōu)化，沉淀池的污泥無動力回流，減少能耗；最后在O 池與A 池之間設置氣提泵，實現(xiàn)微動力混合液循環(huán)，減少能耗。

1.2 新型處理系統(tǒng)的技術優(yōu)勢

針對以上需求，要結合實際生產(chǎn)情況進行優(yōu)化設計。在進水端利用進水泵連接布水器進行高壓進水并攪動液體，防止池內懸浮體下沉，在快速進水的同時，減少攪拌器等耗能設備的使用，保證池內有機物與微生物、溶解氧的充分接觸，對污水中有機物進行氧化分解。在上層池設計回流斜坡（坡度45°），使沉淀池底部的污泥通過重力作用重新回流到O 池底部，以此代替?zhèn)鹘y(tǒng)的污泥泵回流，增加活性污泥利用率，減少傳統(tǒng)AO 池運送活性污泥的大量能耗。由于該設計AO 池采用立體化放置，污水在AO 池的循環(huán)往復處理過程中需要多次抽提至上層水池，故專門設計了氣力提升裝置。在AO 池間設置曝氣提升管，將羅茨風機鼓風作為氣力提升裝置的動力，僅需要少量壓力空氣，即可代替?zhèn)鹘y(tǒng)AO 池污水循環(huán)過程的電力輸送泵，耗電量大幅降低，輸送過程還可對污水進行曝氣處理。

2 理論設計計算

該污水處理系統(tǒng)的設計處理能力為生活污水100 t/d （根據(jù)實際要求，選處理量為5 t/h 的設備），進水水質為一般生活污水。經(jīng)該系統(tǒng)處理后，出水水質達到《農(nóng)村生活污水排放標準》（DB 13/2171—2020），如表1 所示。

表1 出水水質要求

所有設計參數(shù)按照同一條件（進出水質相同，每天處理生活污水100 t）進行設計，以便進行能耗比對，具體參數(shù)如表2 至表6 所示。

2.1 AO 池參數(shù)對比

傳統(tǒng)AO 池設計中，日進水量為100 t，流量為 4.16 m/h。傳統(tǒng)AO 池設計的主要參數(shù)與設備型號如表2 所示，改進前池容情況如表3 所示。其中，A池水下攪拌器按照A 池長、寬、高，查《水下攪拌器選型手冊》確定；污泥回流泵按照進水流量（100%）進行選型，揚程選擇＞3 m，查《管道排污泵選型手冊》確定；混合液回流泵按照進水量（200%）進行選型，揚程選擇＞3 m，查《管道排污泵選型手冊》 確定。

表2 傳統(tǒng)AO 池設計的主要參數(shù)與設備型號

表3 改進前池容情況

改進后，AO 池日進水量和流量保持不變，好氧池采用氣提回流方式。改進型AO 池的鼓風機型號為SSR50，風量為1.28 m/min，風壓為29.4 kPa，功率為 1.5 kW。改進后池容情況如表4 所示。

表4 改進后池容情況

2.2 機電能耗

改進前機電能耗情況如表5 所示。4 種機電設備每天連續(xù)24 h 運行，經(jīng)計算，每天運行總耗電量為141.6 kW·h。改進后機電能耗情況如表6 所示。羅茨風機每天連續(xù)24 h 運行，經(jīng)計算，每天運行總耗電量為36 kW·h。

表5 改進前機電能耗

表6 改進后機電能耗

3 節(jié)能效益分析

改進后的污水處理系統(tǒng)創(chuàng)新性地將處理池的結構設計成上下一體化形式，通過用一泵代替多泵、一池代替多池的結構，大幅降低了污水處理過程的能源消耗、碳排放量，同時減小了占地面積。本設計主要適合投放于鄉(xiāng)鎮(zhèn)污水處理系統(tǒng)。

截至2019年底，全國共有建制鄉(xiāng)鎮(zhèn)（包括民族鄉(xiāng)、蘇木、民族蘇木）30 234 個，按照一鄉(xiāng)（鎮(zhèn)）一個污水處理站，按舊池平均每組污水處理設備的功率141.6 kW、新池36 kW 的條件來計算，每年全國可節(jié)省的能源總量為：30 234×（141.6-36）×365=1 165 339 296 kW·h。由此可見，本設計每年可以減少約11.65 億kW·h 的耗電量，相當于我國目前建成規(guī)模最大、吸熱塔最高——被稱為“超級鏡子發(fā)電站”的首航高科敦煌100 MW 熔鹽塔式光熱電站兩年多的設計發(fā)電量，每年可減排二氧化碳35 萬t。

4 工作原理及性能分析

4.1 傳統(tǒng)AO 工藝

如圖1 所示，傳統(tǒng)AO 工藝將前段厭氧段和后段好氧段串聯(lián)在一起，A 段就是厭氧段，主要用于脫氮；O 段就是好氧段,主要用于去除水中的有機物。A 段溶解氧（DO）不大于0.2 mg/L，O 段DO 介于2 ～4 mg/L。

圖1 改進前傳統(tǒng)AO 工藝

在厭氧段，異養(yǎng)菌將污水中的淀粉、纖維、碳水化合物等懸浮污染物和可溶性有機物水解為有機酸，使大分子有機物分解為小分子有機物，將不溶性的有機物轉化成可溶性有機物。當這些厭氧水解的產(chǎn)物進入好氧池進行好氧處理時，在充氧條件下，活性污泥中的微生物進行有氧呼吸和生長繁殖，把有機物分解成無機物，實現(xiàn)有機物的去除。在厭氧段，異養(yǎng)菌將蛋白質、脂肪等污染物進行氨化（有機鏈上的N 或氨基酸中的氨基）而游離出氨（NH-N、NH），在充足供氧條件下，自養(yǎng)菌的硝化作用將NH-N（NH）氧化為NO，其通過回流控制返回至A 池，在厭氧條件下，異氧菌的反硝化作用將NO還原為分子態(tài)氮（N），完成C、N、O 在生態(tài)中的循環(huán)，實現(xiàn)污水無害化處理。

4.2 改良AO 工藝

如圖2 所示，新型節(jié)能污水處理池分為上下兩層，上層為O 池、沉淀池，上層右側設一斜面（坡度40°），呈倒梯形；下層為A 池，通過進水泵及布水器高壓噴水進污水，并攪拌活性污泥，使其與污水充分混合形成泥水。

圖2 改進后新型AO 工藝

泥水通過A 池左側上方管道到達上層O 池，然后進行處理，同時在O 池上部設有擋板，防止污泥加速老化。在O 池末端設置曝氣提升裝置，該裝置將混合液提升，然后利用溢流管道使O 池的混合液通過液位差自流到A 池，實現(xiàn)循環(huán)液、混合液的循環(huán)。

5 技術優(yōu)勢

相比傳統(tǒng)AO 工藝，改進后的工藝將O 池、沉淀池置于A 池之上（見圖3），大大減少了占地面積，簡化了結構和工藝；A 池采用布水器高壓進水，通過布水器上的微孔進行高壓噴水，在高速進水的同時，起到攪拌作用，取代傳統(tǒng)的（攪拌器+進水管）的方式，降低了能耗（見圖4）；在O 池、沉淀池中加入活性污泥，利用斜擋板達到污泥自回流的效果（見圖5），在污水處理過程中，活性污泥多次利用，減少了污泥消耗量，省去了部分流程（傳統(tǒng)工藝采用泵回流的方式回流活性污泥），用一泵代替多泵，減少動能設備的使用，耗電量明顯減少，大幅度降低了碳排放量；在A 池和O 池、沉淀池之間增加曝氣裝置（見圖6），增加含氧量，同時代替?zhèn)鹘y(tǒng)工藝的攪拌裝置，節(jié)約 能源。

圖3 改進后處理池體側剖圖

圖4 改進后A 池布水器圖

圖5 改進后沉淀池斜坡圖

圖6 改進后氣力提升裝置圖

按照100 t/d 生活污水的設計處理量，本設計主要應用于小型污水處理站，適用于鄉(xiāng)鎮(zhèn)污水處理系統(tǒng)，醫(yī)院、小區(qū)、學校、公共廁所等需求場所都是節(jié)能污水處理池的潛在市場。本設計采用節(jié)能循環(huán)理念，一池代替多池、一泵代替多泵，在大幅降低能耗、減少投資的同時，減少了占地面積。本設計響應國家節(jié)能減排號召，對于落實污水處理廠的節(jié)能降耗工作，促進國家經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展，緩解人地矛盾問題具有積極意義。

本研究以傳統(tǒng)AO 污水處理工藝為基礎，將理論設計與實際生產(chǎn)需求相結合，達到節(jié)能減排的目的。據(jù)估算，每年可以減少約11.65 億kW·h 的耗電量，對于切實做好污水處理廠的節(jié)能降耗工作，減少資源浪費，促進國家經(jīng)濟發(fā)展、生態(tài)文明發(fā)展和落實碳達峰、碳中和工作是一個巨大的貢獻。