污水處理工藝流程分析

一、工業(yè)廢水（Industrial Wastewater）的含義和分類

定義：指工業(yè)企業(yè)各行業(yè)生產(chǎn)過程中產(chǎn)生和排放的廢水。 

包括：生產(chǎn)污水（包括生活污水）和生產(chǎn)廢水兩大類。 

二、工業(yè)廢水的分類、種類、指標(biāo)

1、分類

按行業(yè)的產(chǎn)品加工對象：冶金、造紙、紡織、印染等。 

按工業(yè)廢水中主要污染物分：無機廢水（電鍍、礦物加工），有機廢水（食品加工） 

按廢水中污染物的主要成分：酸性、堿性、含酚等 

按處理難易程度和危害性分：易處理危害性小的廢水，易生物降解無明顯毒性的廢水，難生物降解又有毒性的廢水。

2、工業(yè)廢水造成環(huán)境污染的種類

1)含無毒物質(zhì)的有機廢水和無機廢水的污染； 

2)含有毒物質(zhì)的有機廢水和無機廢水的污染； 

3)含有大量不溶性懸浮物廢水的污染； 

4)含油廢水產(chǎn)生的污染； 

5)含高濁度和高色度廢水產(chǎn)生的污染； 

6)酸性和堿性廢水產(chǎn)生的污染； 

7)含有多種污染物質(zhì)廢水產(chǎn)生的污染； 

8)含有氮、磷等工業(yè)廢水產(chǎn)生的污染。 

三、工業(yè)廢水處理方法概述

1、工業(yè)廢水的物理處理 （Physical Treatment）

定義：應(yīng)用物理作用沒有改變廢水成分的處理方法稱為物理處理法； 

操作單元（Operating Units）：調(diào)節(jié)（Adjust）、離心分離（CentrifugalSeparation）、除油（Oil Elimination）、過濾（Filtration）等。 

廢水經(jīng)過物理處理過程后并沒有改變污染物的化學(xué)本性，而僅使污染物和水分離。 

2、工業(yè)廢水的化學(xué)處理（Chemical Treatment）

定義：應(yīng)用化學(xué)原理和化學(xué)作用將廢水中的污染物成分轉(zhuǎn)化為無害物質(zhì)，使廢水得到凈化的方法稱為化學(xué)處理。 

操作單元（Operating Units） ：中和（ Neutralization）、化學(xué)沉淀（ Chemical Precipitation）、藥劑氧化還原（Chemical Oxidation Reduction）、臭氧氧化(Ozone Oxidation )、電解(Electrolysis)、光氧化法(Photo- Oxidation)等。 

污染物在經(jīng)過化學(xué)處理過程后改變了化學(xué)本性，處理過程中總是伴隨著化學(xué)變化。 

3、工業(yè)廢水的物理化學(xué)處理（Physic-chemicalTreatment）

定義：廢水中的污染物在處理過程中是通過相轉(zhuǎn)移的變化而達(dá)到去除的目的的處理方法稱為物理化學(xué)處理。 

操作單元（Operating Units） ：混凝（Coagulation）、氣?。‵loatation）、吸附(Adsorption)、離子交換(Ion Exchange)、電滲析(Electro-dialysis)、擴(kuò)散滲析(Diffusion Dialysis)、反滲透(Reverse Osmosis)、超濾(Ultra Filtrate)等。 

污染物在物化過程中可以不參與化學(xué)變化或化學(xué)反應(yīng)，直接從一相轉(zhuǎn)移到另一相，也可以經(jīng)過化學(xué)反應(yīng)后再轉(zhuǎn)移。

4、工業(yè)廢水的生物處理（Biological Treatment）

定義：是利用微生物的代謝作用氧化、分解、吸附廢水中可溶性的有機物及部分不溶性有機物，并使其轉(zhuǎn)化為無害的穩(wěn)定物質(zhì)從而使水得到凈化的方法稱為生物處理。 

操作單元（Operating Units） ：好氧生物處理(Aerobic Biological Treatment)、厭氧生物處理(Anaerobic Biological Treatment)。

生物處理過程的實質(zhì)是一種由微生物參與進(jìn)行的有機物分解過程，分解有機物的微生物主要是細(xì)菌，其它微生物如藻類和原生動物也參與該過程，但作用較小。

現(xiàn)代污水處理技術(shù)，按處理程度劃分，可分為一級、二級和三級處理。 

一級處理，主要去除污水中呈懸浮狀態(tài)的固體污染物質(zhì)，物理處理法大部分只能完成一級處理的要求。經(jīng)過一級處理的污水，BOD一般可去除30%左右，達(dá)不到排放標(biāo)準(zhǔn)。一級處理屬于二級處理的預(yù)處理。 

二級處理，主要去除污水中呈膠體和溶解狀態(tài)的有機污染物質(zhì)(BOD，COD物質(zhì))，去除率可達(dá)90%以上，使有機污染物達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)。 

三級處理，進(jìn)一步處理難降解的有機物、氮和磷等能夠?qū)е滤w富營養(yǎng)化的可溶性無機物等。主要方法有生物脫氮除磷法，混凝沉淀法，砂率法，活性炭吸附法，離子交換法和電滲分析法等。 

整個過程為通過粗格刪的原污水經(jīng)過污水提升泵提升后，經(jīng)過格刪或者篩率器，之后進(jìn)入沉砂池，經(jīng)過砂水分離的污水進(jìn)入初次沉淀池，以上為一級處理(即物理處理)，初沉池的出水進(jìn)入生物處理設(shè)備，有活性污泥法和生物膜法，(其中活性污泥法的反應(yīng)器有曝氣池，氧化溝等，生物膜法包括生物濾池、生物轉(zhuǎn)盤、生物接觸氧化法和生物流化床)，生物處理設(shè)備的出水進(jìn)入二次沉淀池，二沉池的出水經(jīng)過消毒排放或者進(jìn)入三級處理，一級處理結(jié)束到此為二級處理，三級處理包括生物脫氮除磷法，混凝沉淀法，砂濾法，活性炭吸附法，離子交換法和電滲析法。二沉池的污泥一部分回流至初次沉淀池或者生物處理設(shè)備，一部分進(jìn)入污泥濃縮池，之后進(jìn)入污泥消化池，經(jīng)過脫水和干燥設(shè)備后，污泥被最后利用。 

各個處理構(gòu)筑物的能耗分析

1、污水提升泵房

進(jìn)入污水處理廠的污水經(jīng)過粗格刪進(jìn)入污水提升泵房，之后被污水泵提升至沉砂池的前池。水泵運行要消耗大量的能量，占污水廠運行總能耗相當(dāng)大的比例，這與污水流量和要提升的揚程有關(guān)。

2、沉砂池

沉砂池的功能是去除比重較大的無機顆粒。沉砂池一般設(shè)于泵站前、倒虹管前，以便減輕無機顆粒對水泵、管道的磨損；也可設(shè)于初沉池前，以減輕沉淀池負(fù)荷及改善污泥處理構(gòu)筑物的處理條件。常用的沉砂池有平流沉砂池、曝氣沉砂池、多爾沉砂池和鐘式沉砂池。 

沉砂池中需要能量供應(yīng)的主要是砂水分離器和吸砂機，以及曝氣沉砂池的曝氣系統(tǒng)，多爾沉砂池和鐘式沉砂池的動力系統(tǒng)。 

3、初次沉淀池

初次沉淀池是一級污水處理廠的主題處理構(gòu)筑物，或作為二級污水處理廠的預(yù)處理構(gòu)筑物設(shè)在生物處理構(gòu)筑物的前面。處理的對象是SS和部分BOD5，可改善生物處理構(gòu)筑物的運行條件并降低其BOD5負(fù)荷。初沉池包括平流沉淀池，輻流沉淀池和豎流沉淀池。 

初沉池的主要能耗設(shè)備是排泥裝置，比如鏈帶式刮泥機，刮泥撇渣機，吸泥泵等，但由于排泥周期的影響，初沉池的能耗是比較低的。 

4、生物處理構(gòu)筑物

污水生物處理單元過程耗能量要占污水廠直接能耗相當(dāng)大的比例，它和污泥處理的單元過程耗能量之和占污水廠直接能耗的60%以上?；钚晕勰喾ǖ钠貧庀到y(tǒng)的曝氣要消耗大量的電能，其基本上是聯(lián)系運行的，且功率較大，否則達(dá)不到較好的曝氣效果，處理效果也不好。氧化溝處理工藝安裝的曝氣機也是能耗很大的設(shè)備。生物膜法處理設(shè)備和活性污泥法相比能耗較低，但目前應(yīng)用較少，是以后需要大力推廣的處理工藝。 

5、二次沉淀池

二次沉淀池的能力消耗主要是在污泥的抽吸和污水表明漂浮物的去除上，能耗比較低。 

6、污泥處理

污泥處理工藝中的濃縮池，污泥脫水，干燥都要消耗大量的電能，污泥處理單元的能量消耗是相當(dāng)大的，這些設(shè)備的電耗功率都很大。 

針對各個處理構(gòu)筑物的節(jié)能途徑

1、污水提升泵房

污水提升泵房要節(jié)省能耗，主要是考慮污水提升泵如何進(jìn)行電能節(jié)約，正確科學(xué)的選泵，讓水泵工作在高效段是有效的手段，合理利用地形，減少污水的提升高度來降低水泵軸功率N也是有效的辦法，定期對水泵進(jìn)行維護(hù)，減少摩擦也可以降低電耗。 

2、沉砂池

采用平流沉砂，避免采用需要動力設(shè)備的沉砂池，如平流沉砂池。采用重力排砂，避免使用機械排砂，這些措施都可大大節(jié)省能耗。

3、初次沉淀池

初次沉淀池的能耗較低，主要能量消耗在排泥設(shè)備上，采用靜水壓力法無疑會明顯降低能量的消耗。 

4、生物處理構(gòu)筑物

國外的學(xué)者通過能耗和費用效益分析比較了生物處理工藝流程，他們認(rèn)為處理設(shè)施大部分的能量消耗是發(fā)生在電機這類單一的設(shè)備上，因而節(jié)能應(yīng)從提高全廠功率因數(shù)、選擇高效機電設(shè)備及減少高峰用電要求等方面入手。他們提出的節(jié)能措施既包括改善電機的電氣性能，也包括解決運轉(zhuǎn)的工藝問題，還包括污水廠產(chǎn)物中的能量回收(Energy Recovery)。

曝氣系統(tǒng)的能耗相當(dāng)大，對曝氣系統(tǒng)能耗能效的研究總是涉及到曝氣設(shè)備的改造和革新。新型的曝氣設(shè)備雖然層出不窮，但目前仍然可劃分為2類:第1種是采用淹沒式的多孔擴(kuò)散頭或空氣噴嘴產(chǎn)生空氣泡將氧氣傳遞進(jìn)水溶液的方法，第2種是采用機械方法攪動污水促使大氣中的氧溶于水的方法。微孔曝氣，曝氣擴(kuò)散頭的布局和曝氣系統(tǒng)的調(diào)節(jié)這些都是節(jié)能的有效措施。在傳統(tǒng)活性污泥處理廠曝氣池中辟出前端厭氧區(qū)，用淹沒式攪拌器混合的節(jié)能、生物除磷方案。這一簡單的改造可以節(jié)省近20%的曝氣能耗，如果算上混合用能，節(jié)能也達(dá)到12%。自動控制系統(tǒng)的應(yīng)用于污水處理節(jié)能，曝氣系統(tǒng)進(jìn)行階段曝氣，溶解氧存在濃度梯度，既減少了能耗，又可以改善處理效果，減少污泥量。

生物膜法處理工藝采用厭氧處理可以明顯降低能量的消耗。 

5、二次沉淀池

二次沉淀池中對排泥設(shè)備的研究和排泥方式的改善是降低能耗的有效方法。 

6、污泥處理

污泥處理系統(tǒng)節(jié)能研究主要集中于污泥處理的能量回收。從污水污泥有機污染物中回收能量用于處理過程早在上世紀(jì)初就已投入實踐，但能源危機之前一直不受重視。目前有兩種回收途徑：一是污泥厭氧消化氣利用，一是污泥焚燒熱的利用。 

消化氣性質(zhì)穩(wěn)定、易于貯存，它可通過內(nèi)燃機或燃料電池轉(zhuǎn)化為機械能或電能，廢熱還可回收于消化污泥加熱。因此利用消化氣能解決污水廠不同程度的能量自給問題。林榮忱等人比較了沼氣發(fā)電機和燃料電池兩種利用形式，認(rèn)為燃料電池能量利用率高，具有很好的發(fā)展前途。對消化氣的最大化利用是提高能效的主要方式。沼氣發(fā)電機組并網(wǎng)發(fā)電的研究和應(yīng)用在國內(nèi)已有應(yīng)用實例，是大型污水處理廠的沼氣綜合利用的可行途徑。 

另外一種能量回收方式是將城市固體廢物焚燒場建在污水處理廠旁，將固廢與污水污泥一起焚燒，獲得的電能用于處理廠的運轉(zhuǎn)。 

城市污水處理的能耗分析研究與節(jié)能技術(shù)和手段的發(fā)展往往并不同步。由于污水處理能量平衡分析方法研究的欠缺，節(jié)能措施的制訂和實施常常超前。而多數(shù)節(jié)能途徑和手段常常由處理廠的操作管理人員結(jié)合各處理設(shè)施實際情況提出，具有經(jīng)驗性和個別性，不一定能適用于其他污水廠甚至是工藝相似的污水廠;另一方面，從廣義上說，污水處理學(xué)科領(lǐng)域的技術(shù)創(chuàng)新、新材料和新設(shè)備的使用都蘊涵著節(jié)能增效的潛力，因而節(jié)能的途徑和手段往往是很寬泛的。 

四、結(jié)論

污水處理是能源密集(energy intensity)型的綜合技術(shù)。一段時期以來，能耗大、運行費用高一定程度上阻礙了我國城市污水處理廠的建設(shè)，建成的一些處理廠也因能耗原因處于停產(chǎn)和半停產(chǎn)狀態(tài)。在今后相當(dāng)長的一段時期內(nèi)，能耗問題將成為城市污水處理的瓶頸。能否解決耗污水廠的能耗問題，合理進(jìn)行能源分配，已經(jīng)成為決定污水處理廠運行效益好壞的關(guān)鍵因素。能耗是否較低，也是未來新的污水處理廠可行性分析的決定性因素，開發(fā)能效較高的污水處理技術(shù)，合理設(shè)計及運行污水處理廠，必將是未來污水處理廠設(shè)計和運行的必由之路。