路漫漫其修遠兮，吾將上下而求索——中國污水處理行業碳減排技術路徑報告（下篇）

采用高效的機電設備，開展污水處理廠的提效改造

一，高效的水力輸送系統

水力輸送設施包括水泵和污泥泵，是污水處理廠主要的能耗設備之一，占全廠總能耗的20~30%左右。而中國水泵現存在效率低、能耗大等問題，因此對水泵采取節能措施是十分必要的。首先要正確選泵，根據設計流量選擇高效水泵，使其工況點盡量在高效段內運行，并且水泵可以長期保持持續高效；對水泵進行優化組合，提高水泵效率，可通過兩種方法對水泵進行優化：

一是對水泵進行優選(如DG 算法、圖解法等)；二是對泵站運行進行優化調度；對水泵使用變頻調速和PLC 自動控制技術，使其始終在高效段內運行，提高水力工作效率；另外，加強水泵的維護和管理也是行之有效的節能減排措施。

高效的水力輸送設備，不僅要求初始效率高，而且要求其在長期持續運行過程中保持高效。高效水力輸送設備的水力端設計需具備抗軟堵塞的能力，可以防止污泥附著粘貼在葉輪邊緣或通道上，避免通道容量減少降低水泵的效率。而且還需要具備專業的技術結構設計，以抵抗纖維物質或大塊雜質的堵塞，避免水泵長期超負荷運行和電機的燒毀。與傳統水泵相比，可至少節約25%的能耗。

高效的水力輸送設備配置專業為水輸送系統設計的智能控制系統，可以優先啟動效率最高的水泵，可以根據輸送管網波峰波谷自動切換控制模式，可以自動調節水泵運行頻率達到系統能耗最低點，在特定的管網條件下（比如輸送距離很長的管路系統），與傳統水泵輸送系統相比，甚至可以節約50%的能耗。除了節約能源，還可以使操作更簡單、更容易，很輕易便可啟動設備。對水泵、污水坑和管道清洗進行預編程序有效降低了后期運營維護成本。

空氣軸承的高速渦輪增壓機和磁軸承的高速渦輪增壓機

除了采用高效的泵送裝置外，還需要提高輸送系統的有效性。排水管道的作用是將污染物輸送至污水處理廠，因此必須提高排水管道的輸送效率，管道淤積將增加CH4的產生，而管道滲漏將影響污水管道的污染物輸送能力。因此，建立日常養護制度，借鑒國外先進養護技術和修復技術，減少管道污染物沉積量和滲漏量是污水收集及輸送系統低碳運行的關鍵。

二，高效的曝氣設備

曝氣系統是污水處理廠節能減排的核心單元，能耗占全廠能耗的50~70%。曝氣設備的能效高低與否，將對污水處理廠產生很大的影響。所以更換高效的曝氣設備是應優先考慮的。對于采用鼓風曝氣的污水處理廠，最有效的節能措施就是在滿足處理要求的前提下減小風量，降低充氧浪費。

高速無齒鼓風機就是一種高能效的新型鼓風機，其具有占地小而且質輕，安靜且低振動，低維修費用等一系列優點。在空軸式和磁軸式的設計中，都可實現葉輪的“零摩擦”狀態。對于表面曝氣器，雙葉輪曝氣器值得推薦。

采用微孔曝氣器可以減小氣泡尺寸，增大表面積，因而轉移速度高，節約風量?，F今在微孔曝氣基礎之上，還研發出了超微孔曝氣器。超微孔曝氣器是新一代高效、節能型曝氣裝置。與傳統的其他類型曝氣器相比，超微孔曝氣器具有布氣均勻、氧利用率高、動力效率高等優點，而且具有通氣量大、充氣能力大、微孔不堵塞、使用壽命長等特點。超微孔曝氣器的使用可以大大降低能耗。

三，高效的攪拌設備

采用例如垂直線性可移動式混合器的新型攪拌機，并注意讓攪拌設備在其高效區工作。還可以利用水上導桿頂端刻度盤來實現攪拌機的左右角度調節，通過旋轉刻度盤達到調節攪拌器角度，從而使死角周圍的水域形成體積流后得到充分的攪拌，減少粘附在電機表面上的污泥，給電機提供良好的散熱環境。另外要加強攪拌設備的日常保養和定期維修，保證設備的良好狀態。

常規的攪拌工況主要包括：懸浮，混勻和環流。不管是哪種攪拌工況，攪拌器最終輸出的都是推力（即攪拌器傳遞給介質的有用功）。攪拌效果的產生最終體現的，都是攪拌器與介質之間力和能量的傳遞。因此攪拌器選型應該以推力作為選型依據。

采用推力作為攪拌器的選型依據可以充分考慮攪拌器電機和葉片的效率，池型變化帶來的阻力損失變化，池內的障礙物造成的阻力損失等等。使攪拌器作用于介質的有用功實現可量化，與以傳統“混合功率”作為選型依據相比，其更加直觀準確，可避免能耗的不必要浪費。

出口可變葉片擴散器（turblex?）

因此，衡量攪拌器效率應該采用“推力F/電機的輸入功率Pin”更加準確。高效攪拌器需要首先需要具備高效的水力端設計，采用后掠式葉片設計可以提供額外的自清潔功能，并使攪拌器具有很好的抗堵塞性能。超級高效的IE4 電機技術的應用，以4kw4極50HZ電機為例，IE4電機比IE2電機效率高6%，比IE1電機效率高9%。

攪拌器內置轉速可調技術的發展，可以使攪拌器推力覆蓋范圍更廣。當由于工藝變化所需推力降低時，攪拌器通過降低轉速滿足工況需求，同時節省能耗；當所需推力升高時，攪拌器通過提高轉速滿足工況需求，避免設備增加或更換，節省后期運營成本。超級高效IE4電機的應用和內置推力可調技術的互相配合，可以為用戶節省50%的能耗。

四，增設潛水推進器

曝氣池的正常運行一是需要充足的溶解氧，二是要防止活性污泥沉淀。因為曝氣能耗占污水處理全過程能耗的60%以上，所以提供適量的溶解氧是節能運行的關鍵。若進水COD、NH4+-N濃度較低，供給的氧氣量滿足微生物氧化分解有機污染物的需要即可，溶解氧濃度過高不僅會造成能量浪費，還會造成活性污泥過氧化，達不到理想的污水處理效果。但供氧量小了以后，曝氣池內的混合液可能因攪拌混合效果不好而發生局部污泥沉淀。

污泥沉積會造成曝氣池的有效容積減小，甚至堵塞曝氣器。而在好氧區增加一定數量低能耗的潛水推進器則能很好地解決這個問題。因為潛水推進器既能保證混合液的混合效果，還能保持混合液的循環流動，防止污泥沉淀，能夠減少為攪拌混合液而供應的氧氣量，進而減少曝氣機或者鼓風機的開啟量，節約曝氣池的電耗。

好氧池曝氣系統和推進器的組合優化對整個系統效率的提高至關重要。推進器選擇應該具備足夠大的推力，以克服曝氣所產生的阻力，使池內介質保證足夠的流速，確保氣泡在水中有足夠長的停留時間，提高系統的氧轉移效率。介質保持足夠流速可以保證混合液的混合效果，有效預防污泥沉淀。對于好氧池的池型優化設計同樣重要，可以降低池內阻力損失，減少推進器的功率需求，節省能耗。

以北京某污水廠好氧池改造項目為例，通過增加導流墻優化了水力條件，大大降低池子阻力損失，減少了所需推進器的數量和功率。通過此池型設計優化，節省了50%的能耗。同時通過優化推進器和曝氣系統的位置和距離使系統的能量損失最小，當推進器距離上游曝氣器不小于一倍水深，并且推進器距離下游曝氣器不小于水深和廊道寬度的最大值時，推進器和曝氣系統最為穩定，可以有效降低系統的后期運營維護成本。

建立精準的過程監控，提高運營管理水平

污水處理廠的控制系統包括利用在線的儀表監控污水處理廠重要參數的變化，以及利用數學模型來模擬污水處理廠的運行。通過對污水處理廠的在線監控技術，以及能達到節能降耗目的的污水處理廠的數學模型，通過模型的計算，可對處理構筑物進行合理的分組，根據進水有機物濃度的高低，不同季節水量大小的變化，在非滿負荷的條件下，可用兩組或三組并聯運行，以節約能源。

另外，采用先進的在線測控管理系統，分散檢測和控制，集中顯示和管理。各種設備均可根據污水水質、流量等參數自動調節運轉臺數或運行時間，使整個污水處理系統在最經濟狀態下運行，使運行費用最低。

一，Off-Gas監測與控制

Off-gas法是尾氣測定法，是基于進入曝氣池的空氣氧含量和離開曝氣池的空氣氧含量的氣相平衡來檢測。該技術是監測曝氣池氧利用率（OTE）的核心技術，而在線OTE是曝氣控制系統的關鍵參數。通過off-gas法測得氧的利用率，可以作為評價曝氣設備充氧性能的標準，從而對污水處理廠曝氣單元進行優化調控，并且對曝氣設備做出科學有效的管理維護。

二，活性污泥活性的監測

活性污泥的活性可通過耗氧速率和比耗氧速率兩個指標進行衡量。耗氧速率（Oxygen Uptake Rate，OUR）是單位時間內單位體積的混合液中微生物所消耗氧氣的量；耗氧速率與微生物量之比為比耗氧速率（Specific Oxygen Uptake Rate，SOUR）。耗氧速率反映了活性污泥生化反應過程中的氧需求量，比耗氧速率則是評價微生物代謝活性的重要指標。對耗氧速率和比耗氧速率進行實時在線監測，可了解活性污泥的實際性能，對污水處理廠在初期設計、運營、管理和維護以及運行過程中的節能都具有重要作用。

活性污泥活性的獲得，結合污水處理廠實時的在線數據(如氨氮、硝酸鹽氮、進水流量、混合液懸浮物濃度)等，可對生化單元提供最佳的DO設定值，同時促進達到最佳的TN去除率。根據國外實際運行經驗，該措施能提高脫氮效率36%，同時降低曝氣量19%，實現了能耗降低和出水水質提高的雙重目標。

三，臨界氧極限曝氣控制技術

曝氣極限控制法是一種基于微生物呼吸測量和氧傳質測定的新型曝氣控制方法。微生物呼吸消耗其細胞壁上擴散的溶解氧。氧氣從外部高濃度的環境向微生物低氧濃度的細胞壁內部擴散。擴散只有在細胞壁內外氧濃度不相等時才發生，這個氧濃度差有足夠的能力使氧氣通過細胞壁。氧氣能通過細胞的最小濃度就是臨界氧控制點。低于臨界氧控制點，微生物降解速率將會降低。在臨界氧水平控制曝氣，微生物可以保持最大的降解速率；而超過臨界氧濃度，則不會實質性地影響微生物降解速率，并且會造成能量的浪費。

帶有入口/出口可變導葉的鼓風機

對于不同的污水處理廠，臨界氧控制點是有明顯的區別的。精確的探測微生物臨界氧控制點可以確定曝氣池的極限DO濃度值。對于中國的污水處理廠，可以應用實時在線的活性污泥呼吸速率測定儀，在污水處理的工藝運行條件下測定曝氣效率，然后確定臨界氧點，利用這個數據來改變DO濃度設定值，控制曝氣池中DO的最佳值，可以節約20%~30%的能量。

低碳準則建設污泥處理處置設施，回收污泥中的能源

一，污泥處理系統部分的減排

污泥處理部分也是污水處理廠中能耗較高的單元,可以通過選用能耗低、效率高的脫水設備來達到減排的目的,如選用螺旋壓榨式脫水機或帶式壓濾機等;采用污泥厭氧消化技術，利用沼氣進行發電或供熱等,在減少溫室氣體排放的同時，節省了污水處理廠的運行成本,有研究表明,沼氣發電可節約20~30%的電耗，并回收40~50%的熱能。選擇效率高的絮凝劑，確定藥劑的最佳投加量，節省藥耗。

二，污泥的資源化

在人類的能源需求量激增、過度依賴化石燃料以及全球氣候變暖的大形勢下，廢棄物的資源化不僅可以提供能源，同時還能減少溫室氣體的排放，從而為廢棄物的管理和能源的短缺這兩個問題提供可持續的解決方案。因此，富含碳、氮、磷及其它一些微量營養物的污泥的資源化將超越污泥的減量化成為污泥處置和管理的主流。然而，將剩余污泥作為原材料生產附加值產品（value-addedproducts，VAPs）時，污泥吸附的有毒有害物質，使得生產這些附加值產品的經濟效益顯著下降。因此，對污水中的有機及無機污染物進行嚴格的源頭控制及采用高效的去除工藝，顯得尤為重要。

平板超微孔曝氣器

選擇新型節碳工藝，減少能耗與外加碳源

選擇新型的節碳工藝，降低能耗、避免外加碳源，是減少生物處理過程碳排放的關鍵。短程硝化反硝化、厭氧氨氧化和反硝化除磷技術是廣受關注的節碳工藝。短程硝化反硝化是通過創造亞硝酸菌優勢生長條件，將氨氮氧化穩定控制在亞硝化階段，使亞硝酸鹽氮成為硝化的終產物和反硝化的電子受體，短程硝化反硝化技術可節約25%左右的需氧量和40%左右的碳源，減少50%左右的污泥量。

高效的雙葉輪曝氣器

厭氧氨氧化是利用厭氧氨氧化菌（ANAMMOX）在缺氧環境中，將銨離子(NH4+)和亞硝酸根離子(NO2-)直接氧化為氮氣，可節省60%的需氧量，不需額外投加碳源，并且高負荷，低污泥產量；反硝化脫氮除磷則是利用反硝化聚磷菌在缺氧狀態下以硝酸鹽為電子受體，同時完成過量吸磷和反硝化脫氮過程，可節省30%左右的需氧量和50%左右的碳源，減少50%左右的污泥產量。

某公司帶狀膜曝氣器

構建污水處理低碳評價及管理體系

構建污水處理低碳評價及管理體系主要通過以下方面開展：

一，研究分析中國各地區代表性污水處理廠污水與污泥處理處置過程中輸移、混合、曝氣、擠壓、分離、烘干、燃燒等環節的能耗物耗規律及影響能效物效的因素，提出各處理單元的能耗物耗基準(Baseline)；研究各地區代表性污水處理廠污水污泥處理處置過程碳排放水平及規律，提出各處理單元的碳排放基準。在此基礎上，形成涵蓋各種典型工藝在不同條件下的能效物效評價體系以及碳排放評價體系。

二，通過試點等方式，逐步開展城鎮污水處理廠全面能量與物料平衡以及碳減排檢測計算等工作，逐步形成碳排放報告制度。通過建立監管與考核機制，定期評價污水處理廠的能效物效以及綜合碳排放狀況,形成城鎮污水處理行業碳減排管理體系。

垂直直線可移動式混合器

三，定期全面分析評價全行業的能效物效狀況，參考國際先進標準及水平,提出行業總體能效物效及碳減排目標。應結合各地特征及客觀狀況，研究提出實現能效物效及碳減排目標的技術與管理策略。