王凯军：谈污水处理节能降耗
谈污水处理节能降耗
在中国水网和清华大学主办的“2007水业高级技术论坛”上，北京市环境保护科学研究院总工程师王凯军对污水处理节能降耗的途径和对策进行了分析、介绍。以下内容根据王总的发言整理（未经本人审核）。
第一个是可持续发展的污水处理工艺；第二个是处理工艺能耗分析和节能降耗途径；第三个是污水处理节能降耗技术的分析。这三个方面的内容各不相同，但是节能降耗作为可持续发展的理念来讲，它的潜力应该是最强大的。第二个是从技术层面，第三个从具体的方法来考虑。
从三个方面要讲到工艺和设计、运行和管理以及材料和设备。
首先是可持续发展的污水处理技术。在做这个演讲之前，我上网查了一下，谈到污水处理的可持续发展技术，文章非常多，有上百篇。但是真正在技术层面谈到污水处理可持续发展的，只有非常有限的几篇内容。我给大家介绍一下。
首先，钱易院士比较早地提出了清洁生产、循环经济和可持续发展的问题，这里面主要提到了概念的问题，其中在不同的场合提到了国外的可持续发展的污水处理模式，还介绍了可持续生物除磷脱氮工艺。
还有聂梅生教授在《对水处理技术发展的重新认识》中提出，要对传统观念重新审视，生物处理本质上是高能耗工艺，发展绿色水处理技术是一个趋势。并且，节能降耗的水处理是一个长期的任务。
还有一位先生，在《可持续发展新型、高效城市污水处理技术探讨》里面提出了可持续发展的判断准则问题，并且提出，高资源占用和高能耗工艺不符合可持续发展的基本原则，在技术层面上提出了一些途径。
最近，在水网主办的上一个会议上，我提出了几条判断的准则，其中在资源上、在回收资源和能源消耗上提出了一些看法，另外提出了跨区域、跨领域的问题。
首先提出三个概念，第一个是在生产上。大家提到生物能源等可再生能源的开发，在动力的使用上，全国在讲节能降耗，在水处理上，大家提出了绿色水处理技术。并且，认为今后二氧化碳的减排也是水处理一个重要的任务，因为，污水处理也会产生二氧化碳。另外，消耗动力上也是折合成二氧化碳。我计算了一下，到2010年或者是到2020年，我国的污水处理里面占全国总的能耗是多少，那个数据比较粗，但是基本上到2010年或者是2020年，污水处理的能耗超过了1%。
另外，谈一下可持续发展的污水处理技术。脱氮除磷的工艺里面有三点，第一个是持续除氮的工艺，第二个是作为磷回收的工艺，第三个是作为工业磷回收的工艺。
传统污水处理工艺和可持续发展的污水处理工艺在以上三点要引起大家的注意。第一个是厌氧处理，要尽可能低的能源消耗、产生能源。第二，反硝化脱氮和除磷要减少污泥的产生。第三点是结合化学除磷，而不是简简单单地去除。第四个是减少二氧化碳的排放以及水资源回收利用。第五是污泥的产生要减少。按照这几个方面，我们可以把可持续进一步细化。
在国外有三个技术观点，也是挑战性的观点。第一个是集中与分散的问题。同样聂梅生教授也提出了一些观点，认为应用新技术绝对是要分散的，集中与分散相组合是科学的趋势。国外提出了一些分散处理包括可持续发展的具体的模式，比如说固化和厌氧处理相结合，结合氧化的工艺，最后在小的范围里面处理的工艺
第二个是源头控制，有一些观点比较极端，我同意其中部分，通过下水管输送污染物是一个历史错误，现代城市污水处理系统严重缺乏可持续性和抗干扰能力，是一个脆弱的系统。往往对水资源是破坏，而不是回收利用。
具体来讲，涉及到源分离的概念，在现代下水系统一些具体的数据，大家可以看一下。尿液里面的氨氮是占80%，所以根据最基本的数据提出了一系列的源分离的技术。其中我介绍三个比较典型的，第一个我称为芬兰和瑞典的模式，叫做生态厕所。刚才讲了，在中国的鄂尔多斯9、10月份有一个生态厕所的会议。其中有一个小区的楼房，都是按照生态厕所设计的。这个概念是非常简单地，粪便分离以后，剩下的灰水里面BOD和COD的产量都非常低。我们在北京市的昌平区的一个村子也是跟瑞典合作，现在已经运行了，也是采用生态厕所的概念。这个概念比较有争议的是，从细节上来讲，厕所要全部改造，分离系统、运输系统全部要改变，大家有一些争议，认为现有城市不容易建设，包括人的卫生习惯，男士也要蹲着上厕所，包括有没有气味等有很多争议。所以，荷兰提出了一个荷兰的模式，它主要是集中在尿液这部分，把氮去除50%。这就是尿液的分离，这个分离也是在便器上进行改变，把这个尿液收集到地下室，然后通过这个管道把尿液抽走。如果说这个模式也是对构筑进行比较大的改造的话，那么，日本推行了第三种模式。把粪便单独处理，日本和德国采用这种模式。也就是黑水单独处理收集，收集以后，粪尿运输到一个粪尿处理厂，产生能源。
这三种模式都是对源分离的实践，如果大家觉得这三种模式都不行，希望在今后的实践中，提出更好的模式。但是我想，这最起码代表了一个可持续发展的方向。
第三个方面，是厌氧处理。因为这个从耗能来讲，是不言而喻的。美国的一位专家认为厌氧技术是可持续发展的核心技术，开发厌氧城市污水处理是废水处理历史上最伟大的进步，所以提到的高度也是非常高的。
在发展中的国家，我们的近邻印度，还有南美的巴西，哥伦比亚，污水处理厂大规模采用了厌氧污水处理，甚至是几十万吨的污水处理厂，发展得非常迅速。
这是给大家介绍的第一个方面，就是从源头控制，从可持续发展的角度谈污水处理的一些概念。
第二，涉及到处理工艺能耗。节约和降耗的途径来讲，在十几年前提出了生命周期分析。刚才有几个结论性的东西，就是污水处理是能源密切型的行业。传统上讲能耗分析，仅仅是侧重于处理的能耗，如果讲周期，扩大一点从污水处理的下水道的传输、污水处理厂的建设、运行、污水处理厂的拆除，如果全过程考虑污水处理的设计、工艺开发模式，是对传统思维和工艺的巨大挑战。而且国外的像美国、加拿大的公司，一般要求一个设计部门搞设计，必须进行全过程的生命周期的分析。
很简单地给大家几个数据。如果不考虑管道这部分，考虑建设、运行、拆除这部分来看（我这是拿传统的国际工艺来看），它包括运输、钢材、水泥等等的折算的方法，建设期间的能耗是在30%左右，运行方面的能耗是在70%左右，拆除的能耗相对比较低。我们也做了一下，按这几年国内建设的污水处理厂的来看，建设部分的能耗可能会达到30%到50%。为什么呢？第一，这几年建设的污水处理厂耗氧的部分采用延时报弃，时间比较长；第二个是因为建设部分污泥没有加上，如果把污泥加上要大得多，所以这一块的能耗比重是正常的，但是运行的能耗比重是要减少的。
那么从具体来分，可以看到，曝气和回流是最主要的能耗。另外，污水的提升也是非常大的，这两块加起来有80%到90%，所以这两块要重视，而预处理加上运输是相对比较少的。
另外从生命周期分析来讲，比能耗的概念重要。一般来讲去除一公斤的比能耗是1到1.2千瓦的电耗，我们生产电的污染物是非常大的。包括大气污染物的排放4公斤左右，而固体废物是0.7公斤，水是2.45公斤。所以，刚才我提到的是可持续发展跨介质，在电的方面，说污水处理用的1度电，带来相关行业那么大的污染，这是下一步必须要考虑的。这个数据我想只是供大家参考，而且分析也比较老，基本是在10年前，90年代末期的一些数据。
第二，从污水处理本身来讲，我们有有机物的去除、氮磷的去除，从污泥的本质上来讲，有机物的去除是100%，氮磷的去除是60%来讲，氨氮的去除也是60%左右。另外污泥稳定的能耗也是50%左右，所以说从能耗分析来讲，这三块，有机物的去除、氮的去除，污泥稳定的能耗是我们下一步要分析的。
第三部分，我想进入到具体的污水处理节能降耗的技术分析，这个也是从三个方面讲。工艺和设计、运行和管理、设备和器材。
同样，这三个问题也涉及到了工艺的选择，源头的控制以及运行管理，主要是水量、水质和运行方面的考虑。另外节能的高效的设备的选用来考虑的。
从工艺控制来考虑，第一个，实际在上次的会议上我已经提出了，要强化预处理降低除氮功能的能耗。这里面也提到，同样采用氧化沟工艺，能耗的比例是不同的，比如说厌氧或化学沉淀或者是水解或AB工艺，或者是初沉池。它的的去除能力是不同的。
讲到预处理工艺，我们有一个很好的实例，去年无锡有一个水解工艺，这是将近10个月的运行数据，去除率基本上在50%以上。所以预处理在提高了50%以上的去除率之后，后续的节能降耗提供了很大的课题。
第二点讲的是除氮工艺，那么氮的去除这几年技术的进展非常迅速。所以氮的去除沿着这条路，亚硝化、反硝化等等的路径。这几年从叫做厌氧氨氧化。所以工艺和科学都是不一样的发展。开发的工艺也是不一样的，短程反硝化，厌氧处除磷等等。它的工艺的潜力也是巨大的，短程反硝化能节省62.5%的能耗。
这个是我们在实验室的一个实验，它的技术进展也是非常大的，氨氧化以前要两个反应器现在一个反应器就可以完成。现在这个领域主要在科学研究、工程设计、运行三个环节存在比较严重的问题。科学家研究的结果没有被设计人员所掌握，同时设计人员掌握之后，如何传递到运行部门也是一个非常大的突破，但是技术的成熟已经具备了工业化应用的可能性。而且，实际在国外来讲，所有刚才涉及到的工艺，已经有了不同程度的应用。
第三个，在工艺方面，改变污水处理的政策，强化污泥处理。前几年的一个技术政策，对污泥的处理，要求10万吨以上采用厌氧硝化，导致了现在90%以上甚至100%的污泥处理不采用厌氧硝化。2008年以后，可能会有一、两个城市兴建了厌氧硝化，那么在国内外的技术也是非常成熟的。它可以热电联产，在国外可以减少50%的能耗，在国内达到30%是完全有可能的。
同时像瑞典、日本都开始研究用污泥产生的沼气作为清洁燃料。瑞典提出2020年他们国家的所有公交车全部采用沼气燃料，而且现在他有7个城市的公交车采用沼气燃料。2个城市间的火车采用了沼气净化以后的燃料。我想这些都是一个可持续发展的概念的应用。
第二个方面，刚才从饼图来看来讲，全面讲的是工艺，下面讲到曝气回流和提升两个方面，也是给大家一个例子来讲。第一个就是由于我们的污水处理厂不是满负荷，可能10万吨的，现在可能是5万吨的污水处理厂在运行。或者是昼夜之间的污水流量变化非常大，所以昼夜相差几倍。所以采用变频技术，程序控制是非常成熟的，可以节能相当地比例。这是某个厂子的比例，它是总计采用36台变频，节能62.3%。
第二个就是鼓风机的风量调节技术，这实质是根据流量、浓度和反应程度来控制流量。但是现阶段我们国家仅仅停留在根据浓度来进行风量的调节。那么根据浓度来调节的话，有一定的困难，我们做过一个试验，可以看到这边的标是溶解氧，溶解氧的变化波动性是非常大的。如果有的时候曝气，气泡到溶解氧探头，在这里面气化是非常难的。我们有一个呼吸速率仪，测溶解氧的平稳气化，还有反应的程度进行控制，控制之后可以达到节能的效果。
这是一个实例，这里面是根据呼吸速率仪控制风量，所以实际上鼓风机的风量是一个实时的控制。这方面我觉得仍然有大量的工作可以做的，仍有大量的潜力可以挖掘。
最后，因为前面提到了全过程的控制。所以，我在这里给大家讲讲不太被重视的方面，这些方面在近阶段有比较大的节能降耗的潜力。一个是大家了解的Biolack技术，还有国外也用曝气池的反应器，还有用钢结构来做反应器。这都是建设阶段的节能降耗的途径。而且从国外来讲，钢结构的建设和钢结构的材料，在相关行业钢铁这个材料是环境友好的材料，因为它是可以再生利用的。
那么在这个上面来讲，如果你节省了这些组件的用料，你是节省了相关行业的材料。比如说Biolack技术有曝气的技术等等，你等于是节省了相关技术。
还有一个是在传统的设备材料上面仍然有很大的节能降耗的潜力。以脱水机为例，现在一般采用的是带式脱水机。德国采用的是螺旋压榨脱水机，带式脱水机占300%的能耗，但是它比螺旋压榨脱水机高100%。同时，在脱水的环节考虑合理的选择混凝剂、控制投加量还有污泥量、含水率和药剂投加量的技术匹配，这也是可以节能降耗的潜力。它通过这三个措施节能降耗，一个污水处理厂每年可以节省运行费43万元。
我只是给大家讲出一个节能降耗的趋势，引导大家在这个方面进行思考，谢谢大家！
