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(guò)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(duì)象：冶金、造紙、紡織、印染等。 

按工業(yè)廢水中主要污染物分：無(wú)機(jī)廢水（電鍍、礦物加工），有機(jī)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(wú)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(wú)毒物質(zhì)的有機(jī)廢水和無(wú)機(jī)廢水的污染； 

2)含有毒物質(zhì)的有機(jī)廢水和無(wú)機(jī)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(méi)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(guò)濾（Filtration）等。 

廢水經(jīng)過(guò)物理處理過(guò)程后并沒(méi)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(wú)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(guò)化學(xué)處理過(guò)程后改變了化學(xué)本性，處理過(guò)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(guò)程中是通過(guò)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(guò)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(guò)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(jī)物及部分不溶性有機(jī)物，并使其轉(zhuǎn)化為無(wú)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(guò)程的實(shí)質(zhì)是一種由微生物參與進(jìn)行的有機(jī)物分解過(guò)程，分解有機(jī)物的微生物主要是細(xì)菌，其它微生物如藻類和原生動(dòng)物也參與該過(guò)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(jí)、二級(jí)和三級(jí)處理。 

一級(jí)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(jí)處理的要求。經(jīng)過(guò)一級(jí)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(jí)處理屬于二級(jí)處理的預(yù)處理。 

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

三級(jí)處理，進(jìn)一步處理難降解的有機(jī)物、氮和磷等能夠?qū)е滤w富營(yíng)養(yǎng)化的可溶性無(wú)機(jī)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(gè)過(guò)程為通過(guò)粗格刪的原污水經(jīng)過(guò)污水提升泵提升后，經(jīng)過(guò)格刪或者篩率器，之后進(jìn)入沉砂池，經(jīng)過(guò)砂水分離的污水進(jìn)入初次沉淀池，以上為一級(jí)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(pán)、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(guò)消毒排放或者進(jìn)入三級(jí)處理，一級(jí)處理結(jié)束到此為二級(jí)處理，三級(jí)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(guò)脫水和干燥設(shè)備后，污泥被最后利用。 

各個(gè)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(guò)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(yùn)行要消耗大量的能量，占污水廠運(yùn)行總能耗相當(dāng)大的比例，這與污水流量和要提升的揚(yáng)程有關(guān)。

2、沉砂池

沉砂池的功能是去除比重較大的無(wú)機(jī)顆粒。沉砂池一般設(shè)于泵站前、倒虹管前，以便減輕無(wú)機(jī)顆粒對(duì)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?xiàng)l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(jī)，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(dòng)力系統(tǒng)。 

3、初次沉淀池

初次沉淀池是一級(jí)污水處理廠的主題處理構(gòu)筑物，或作為二級(jí)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(duì)象是SS和部分BOD5，可改善生物處理構(gòu)筑物的運(yùn)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(jī)，刮泥撇渣機(jī)，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(guò)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(guò)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(yùn)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(jī)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(duì)各個(gè)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(lái)降低水泵軸功率N也是有效的辦法，定期對(duì)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?jiǎng)恿υO(shè)備的沉砂池，如平流沉砂池。采用重力排砂，避免使用機(jī)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(wú)疑會(huì)明顯降低能量的消耗。 

4、生物處理構(gòu)筑物

國(guó)外的學(xué)者通過(guò)能耗和費(fèi)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(jī)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(jī)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(jī)的電氣性能，也包括解決運(yùn)轉(zhuǎn)的工藝問(wèn)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(duì)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(méi)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(jī)械方法攪動(dòng)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(méi)式攪拌器混合的節(jié)能、生物除磷方案。這一簡(jiǎn)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(dòng)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(duì)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(jī)污染物中回收能量用于處理過(guò)程早在上世紀(jì)初就已投入實(shí)踐，但能源危機(jī)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(guò)內(nèi)燃機(jī)或燃料電池轉(zhuǎn)化為機(jī)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(wèn)題。林榮忱等人比較了沼氣發(fā)電機(jī)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(duì)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(jī)組并網(wǎng)發(fā)電的研究和應(yīng)用在國(guó)內(nèi)已有應(yīng)用實(shí)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(chǎng)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(yùn)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(shí)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(shí)際情況提出，具有經(jīng)驗(yàn)性和個(gè)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(shuō)，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(yùn)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(shí)期以來(lái)，能耗大、運(yùn)行費(fèi)用高一定程度上阻礙了我國(guó)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(zhǎng)的一段時(shí)期內(nèi)，能耗問(wèn)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(wèn)題，合理進(jìn)行能源分配，已經(jīng)成為決定污水處理廠運(yùn)行效益好壞的關(guān)鍵因素。能耗是否較低，也是未來(lái)新的污水處理廠可行性分析的決定性因素，開(kāi)發(fā)能效較高的污水處理技術(shù)，合理設(shè)計(jì)及運(yùn)行污水處理廠，必將是未來(lái)污水處理廠設(shè)計(jì)和運(yùn)行的必由之路。