王凱軍：談污水處理節(jié)能降耗
談污水處理節(jié)能降耗
在中國水網(wǎng)和清華大學主辦的“2007水業(yè)高級技術(shù)論壇”上，北京市環(huán)境保護科學研究院總工程師王凱軍對污水處理節(jié)能降耗的途徑和對策進行了分析、介紹。以下內(nèi)容根據(jù)王總的發(fā)言整理（未經(jīng)本人審核）。
第一個是可持續(xù)發(fā)展的污水處理工藝；第二個是處理工藝能耗分析和節(jié)能降耗途徑；第三個是污水處理節(jié)能降耗技術(shù)的分析。這三個方面的內(nèi)容各不相同，但是節(jié)能降耗作為可持續(xù)發(fā)展的理念來講，它的潛力應該是最強大的。第二個是從技術(shù)層面，第三個從具體的方法來考慮。
從三個方面要講到工藝和設計、運行和管理以及材料和設備。
首先是可持續(xù)發(fā)展的污水處理技術(shù)。在做這個演講之前，我上網(wǎng)查了一下，談到污水處理的可持續(xù)發(fā)展技術(shù)，文章非常多，有上百篇。但是真正在技術(shù)層面談到污水處理可持續(xù)發(fā)展的，只有非常有限的幾篇內(nèi)容。我給大家介紹一下。
首先，錢易院士比較早地提出了清潔生產(chǎn)、循環(huán)經(jīng)濟和可持續(xù)發(fā)展的問題，這里面主要提到了概念的問題，其中在不同的場合提到了國外的可持續(xù)發(fā)展的污水處理模式，還介紹了可持續(xù)生物除磷脫氮工藝。
還有聶梅生教授在《對水處理技術(shù)發(fā)展的重新認識》中提出，要對傳統(tǒng)觀念重新審視，生物處理本質(zhì)上是高能耗工藝，發(fā)展綠色水處理技術(shù)是一個趨勢。并且，節(jié)能降耗的水處理是一個長期的任務。
還有一位先生，在《可持續(xù)發(fā)展新型、高效城市污水處理技術(shù)探討》里面提出了可持續(xù)發(fā)展的判斷準則問題，并且提出，高資源占用和高能耗工藝不符合可持續(xù)發(fā)展的基本原則，在技術(shù)層面上提出了一些途徑。
最近，在水網(wǎng)主辦的上一個會議上，我提出了幾條判斷的準則，其中在資源上、在回收資源和能源消耗上提出了一些看法，另外提出了跨區(qū)域、跨領(lǐng)域的問題。
首先提出三個概念，第一個是在生產(chǎn)上。大家提到生物能源等可再生能源的開發(fā)，在動力的使用上，全國在講節(jié)能降耗，在水處理上，大家提出了綠色水處理技術(shù)。并且，認為今后二氧化碳的減排也是水處理一個重要的任務，因為，污水處理也會產(chǎn)生二氧化碳。另外，消耗動力上也是折合成二氧化碳。我計算了一下，到2010年或者是到2020年，我國的污水處理里面占全國總的能耗是多少，那個數(shù)據(jù)比較粗，但是基本上到2010年或者是2020年，污水處理的能耗超過了1%。
另外，談一下可持續(xù)發(fā)展的污水處理技術(shù)。脫氮除磷的工藝里面有三點，第一個是持續(xù)除氮的工藝，第二個是作為磷回收的工藝，第三個是作為工業(yè)磷回收的工藝。
傳統(tǒng)污水處理工藝和可持續(xù)發(fā)展的污水處理工藝在以上三點要引起大家的注意。第一個是厭氧處理，要盡可能低的能源消耗、產(chǎn)生能源。第二，反硝化脫氮和除磷要減少污泥的產(chǎn)生。第三點是結(jié)合化學除磷，而不是簡簡單單地去除。第四個是減少二氧化碳的排放以及水資源回收利用。第五是污泥的產(chǎn)生要減少。按照這幾個方面，我們可以把可持續(xù)進一步細化。
在國外有三個技術(shù)觀點，也是挑戰(zhàn)性的觀點。第一個是集中與分散的問題。同樣聶梅生教授也提出了一些觀點，認為應用新技術(shù)絕對是要分散的，集中與分散相組合是科學的趨勢。國外提出了一些分散處理包括可持續(xù)發(fā)展的具體的模式，比如說固化和厭氧處理相結(jié)合，結(jié)合氧化的工藝，最后在小的范圍里面處理的工藝
第二個是源頭控制，有一些觀點比較極端，我同意其中部分，通過下水管輸送污染物是一個歷史錯誤，現(xiàn)代城市污水處理系統(tǒng)嚴重缺乏可持續(xù)性和抗干擾能力，是一個脆弱的系統(tǒng)。往往對水資源是破壞，而不是回收利用。
具體來講，涉及到源分離的概念，在現(xiàn)代下水系統(tǒng)一些具體的數(shù)據(jù)，大家可以看一下。尿液里面的氨氮是占80%，所以根據(jù)最基本的數(shù)據(jù)提出了一系列的源分離的技術(shù)。其中我介紹三個比較典型的，第一個我稱為芬蘭和瑞典的模式，叫做生態(tài)廁所。剛才講了，在中國的鄂爾多斯9、10月份有一個生態(tài)廁所的會議。其中有一個小區(qū)的樓房，都是按照生態(tài)廁所設計的。這個概念是非常簡單地，糞便分離以后，剩下的灰水里面BOD和COD的產(chǎn)量都非常低。我們在北京市的昌平區(qū)的一個村子也是跟瑞典合作，現(xiàn)在已經(jīng)運行了，也是采用生態(tài)廁所的概念。這個概念比較有爭議的是，從細節(jié)上來講，廁所要全部改造，分離系統(tǒng)、運輸系統(tǒng)全部要改變，大家有一些爭議，認為現(xiàn)有城市不容易建設，包括人的衛(wèi)生習慣，男士也要蹲著上廁所，包括有沒有氣味等有很多爭議。所以，荷蘭提出了一個荷蘭的模式，它主要是集中在尿液這部分，把氮去除50%。這就是尿液的分離，這個分離也是在便器上進行改變，把這個尿液收集到地下室，然后通過這個管道把尿液抽走。如果說這個模式也是對構(gòu)筑進行比較大的改造的話，那么，日本推行了第三種模式。把糞便單獨處理，日本和德國采用這種模式。也就是黑水單獨處理收集，收集以后，糞尿運輸?shù)揭粋�糞尿處理廠，產(chǎn)生能源。
這三種模式都是對源分離的實踐，如果大家覺得這三種模式都不行，希望在今后的實踐中，提出更好的模式。但是我想，這最起碼代表了一個可持續(xù)發(fā)展的方向。
第三個方面，是厭氧處理。因為這個從耗能來講，是不言而喻的。美國的一位專家認為厭氧技術(shù)是可持續(xù)發(fā)展的核心技術(shù)，開發(fā)厭氧城市污水處理是廢水處理歷史上最偉大的進步，所以提到的高度也是非常高的。
在發(fā)展中的國家，我們的近鄰印度，還有南美的巴西，哥倫比亞，污水處理廠大規(guī)模采用了厭氧污水處理，甚至是幾十萬噸的污水處理廠，發(fā)展得非常迅速。
這是給大家介紹的第一個方面，就是從源頭控制，從可持續(xù)發(fā)展的角度談污水處理的一些概念。
第二，涉及到處理工藝能耗。節(jié)約和降耗的途徑來講，在十幾年前提出了生命周期分析。剛才有幾個結(jié)論性的東西，就是污水處理是能源密切型的行業(yè)。傳統(tǒng)上講能耗分析，僅僅是側(cè)重于處理的能耗，如果講周期，擴大一點從污水處理的下水道的傳輸、污水處理廠的建設、運行、污水處理廠的拆除，如果全過程考慮污水處理的設計、工藝開發(fā)模式，是對傳統(tǒng)思維和工藝的巨大挑戰(zhàn)。而且國外的像美國、加拿大的公司，一般要求一個設計部門搞設計，必須進行全過程的生命周期的分析。
很簡單地給大家?guī)讉�數(shù)據(jù)。如果不考慮管道這部分，考慮建設、運行、拆除這部分來看（我這是拿傳統(tǒng)的國際工藝來看），它包括運輸、鋼材、水泥等等的折算的方法，建設期間的能耗是在30%左右，運行方面的能耗是在70%左右，拆除的能耗相對比較低。我們也做了一下，按這幾年國內(nèi)建設的污水處理廠的來看，建設部分的能耗可能會達到30%到50%。為什么呢？第一，這幾年建設的污水處理廠耗氧的部分采用延時報棄，時間比較長；第二個是因為建設部分污泥沒有加上，如果把污泥加上要大得多，所以這一塊的能耗比重是正常的，但是運行的能耗比重是要減少的。
那么從具體來分，可以看到，曝氣和回流是最主要的能耗。另外，污水的提升也是非常大的，這兩塊加起來有80%到90%，所以這兩塊要重視，而預處理加上運輸是相對比較少的。
另外從生命周期分析來講，比能耗的概念重要。一般來講去除一公斤的比能耗是1到1.2千瓦的電耗，我們生產(chǎn)電的污染物是非常大的。包括大氣污染物的排放4公斤左右，而固體廢物是0.7公斤，水是2.45公斤。所以，剛才我提到的是可持續(xù)發(fā)展跨介質(zhì)，在電的方面，說污水處理用的1度電，帶來相關(guān)行業(yè)那么大的污染，這是下一步必須要考慮的。這個數(shù)據(jù)我想只是供大家參考，而且分析也比較老，基本是在10年前，90年代末期的一些數(shù)據(jù)。
第二，從污水處理本身來講，我們有有機物的去除、氮磷的去除，從污泥的本質(zhì)上來講，有機物的去除是100%，氮磷的去除是60%來講，氨氮的去除也是60%左右。另外污泥穩(wěn)定的能耗也是50%左右，所以說從能耗分析來講，這三塊，有機物的去除、氮的去除，污泥穩(wěn)定的能耗是我們下一步要分析的。
第三部分，我想進入到具體的污水處理節(jié)能降耗的技術(shù)分析，這個也是從三個方面講。工藝和設計、運行和管理、設備和器材。
同樣，這三個問題也涉及到了工藝的選擇，源頭的控制以及運行管理，主要是水量、水質(zhì)和運行方面的考慮。另外節(jié)能的高效的設備的選用來考慮的。
從工藝控制來考慮，第一個，實際在上次的會議上我已經(jīng)提出了，要強化預處理降低除氮功能的能耗。這里面也提到，同樣采用氧化溝工藝，能耗的比例是不同的，比如說厭氧或化學沉淀或者是水解或AB工藝，或者是初沉池。它的的去除能力是不同的。
講到預處理工藝，我們有一個很好的實例，去年無錫有一個水解工藝，這是將近10個月的運行數(shù)據(jù)，去除率基本上在50%以上。所以預處理在提高了50%以上的去除率之后，后續(xù)的節(jié)能降耗提供了很大的課題。
第二點講的是除氮工藝，那么氮的去除這幾年技術(shù)的進展非常迅速。所以氮的去除沿著這條路，亞硝化、反硝化等等的路徑。這幾年從叫做厭氧氨氧化。所以工藝和科學都是不一樣的發(fā)展。開發(fā)的工藝也是不一樣的，短程反硝化，厭氧處除磷等等。它的工藝的潛力也是巨大的，短程反硝化能節(jié)省62.5%的能耗。
這個是我們在實驗室的一個實驗，它的技術(shù)進展也是非常大的，氨氧化以前要兩個反應器現(xiàn)在一個反應器就可以完成。現(xiàn)在這個領(lǐng)域主要在科學研究、工程設計、運行三個環(huán)節(jié)存在比較嚴重的問題。科學家研究的結(jié)果沒有被設計人員所掌握，同時設計人員掌握之后，如何傳遞到運行部門也是一個非常大的突破，但是技術(shù)的成熟已經(jīng)具備了工業(yè)化應用的可能性。而且，實際在國外來講，所有剛才涉及到的工藝，已經(jīng)有了不同程度的應用。
第三個，在工藝方面，改變污水處理的政策，強化污泥處理。前幾年的一個技術(shù)政策，對污泥的處理，要求10萬噸以上采用厭氧硝化，導致了現(xiàn)在90%以上甚至100%的污泥處理不采用厭氧硝化。2008年以后，可能會有一、兩個城市興建了厭氧硝化，那么在國內(nèi)外的技術(shù)也是非常成熟的。它可以熱電聯(lián)產(chǎn)，在國外可以減少50%的能耗，在國內(nèi)達到30%是完全有可能的。
同時像瑞典、日本都開始研究用污泥產(chǎn)生的沼氣作為清潔燃料。瑞典提出2020年他們國家的所有公交車全部采用沼氣燃料，而且現(xiàn)在他有7個城市的公交車采用沼氣燃料。2個城市間的火車采用了沼氣凈化以后的燃料。我想這些都是一個可持續(xù)發(fā)展的概念的應用。
第二個方面，剛才從餅圖來看來講，全面講的是工藝，下面講到曝氣回流和提升兩個方面，也是給大家一個例子來講。第一個就是由于我們的污水處理廠不是滿負荷，可能10萬噸的，現(xiàn)在可能是5萬噸的污水處理廠在運行�；蛘呤菚円怪g的污水流量變化非常大，所以晝夜相差幾倍。所以采用變頻技術(shù)，程序控制是非常成熟的，可以節(jié)能相當?shù)乇壤�。這是某個廠子的比例，它是總計采用36臺變頻，節(jié)能62.3%。
第二個就是鼓風機的風量調(diào)節(jié)技術(shù)，這實質(zhì)是根據(jù)流量、濃度和反應程度來控制流量。但是現(xiàn)階段我們國家僅僅停留在根據(jù)濃度來進行風量的調(diào)節(jié)。那么根據(jù)濃度來調(diào)節(jié)的話，有一定的困難，我們做過一個試驗，可以看到這邊的標是溶解氧，溶解氧的變化波動性是非常大的。如果有的時候曝氣，氣泡到溶解氧探頭，在這里面氣化是非常難的。我們有一個呼吸速率儀，測溶解氧的平穩(wěn)氣化，還有反應的程度進行控制，控制之后可以達到節(jié)能的效果。
這是一個實例，這里面是根據(jù)呼吸速率儀控制風量，所以實際上鼓風機的風量是一個實時的控制。這方面我覺得仍然有大量的工作可以做的，仍有大量的潛力可以挖掘。
最后，因為前面提到了全過程的控制。所以，我在這里給大家講講不太被重視的方面，這些方面在近階段有比較大的節(jié)能降耗的潛力。一個是大家了解的Biolack技術(shù)，還有國外也用曝氣池的反應器，還有用鋼結(jié)構(gòu)來做反應器。這都是建設階段的節(jié)能降耗的途徑。而且從國外來講，鋼結(jié)構(gòu)的建設和鋼結(jié)構(gòu)的材料，在相關(guān)行業(yè)鋼鐵這個材料是環(huán)境友好的材料，因為它是可以再生利用的。
那么在這個上面來講，如果你節(jié)省了這些組件的用料，你是節(jié)省了相關(guān)行業(yè)的材料。比如說Biolack技術(shù)有曝氣的技術(shù)等等，你等于是節(jié)省了相關(guān)技術(shù)。
還有一個是在傳統(tǒng)的設備材料上面仍然有很大的節(jié)能降耗的潛力。以脫水機為例，現(xiàn)在一般采用的是帶式脫水機。德國采用的是螺旋壓榨脫水機，帶式脫水機占300%的能耗，但是它比螺旋壓榨脫水機高100%。同時，在脫水的環(huán)節(jié)考慮合理的選擇混凝劑、控制投加量還有污泥量、含水率和藥劑投加量的技術(shù)匹配，這也是可以節(jié)能降耗的潛力。它通過這三個措施節(jié)能降耗，一個污水處理廠每年可以節(jié)省運行費43萬元。
我只是給大家講出一個節(jié)能降耗的趨勢，引導大家在這個方面進行思考，謝謝大家！
