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污水处理能耗综述

污水处理能耗综述

一、污水

按污水来源分类，污水一般分为生活污水和工业废水。

生活污水指人类在日常生活中所用过的，并为生活废料所污染的水，工业废水指工矿企业生产过程中所产生和排放的水，分为生产污水和生产废水，生产污水指在生产过程中形成，被有机或无机性生产废料所污染的废水，生产废水指未直接参及生产工艺，只起辅助作用，未被污染物污染或污染很轻的水。

污水的物理性质包括水温、色度、臭味、固体含量（SS/浊度），按化学性质污水中的污染物质可分为无机物和有机物，无机物分为有直接毒害作用和无直接毒害作用的，指标为酸碱度、氮、磷、无机盐类及重金属离子含量，有机物分为易降解的和难降解的，主要是碳水化合物、蛋白质和尿素、脂肪和油类，可用氧化过程所消耗的氧量作为有机物总量的综合指标进行定量，如BOD（生化需氧量）、COD（化学需氧量）、TOD（总需氧量）、TOC（总有机碳）。

BOD是可生物降解有机物被氧化所消耗的溶解氧量，如果污水中难生物降解有机物浓度较高，则BOD测定结果误差大，COD则不存在该问题。

COD是用强氧化剂（我国法定用重铬酸钾），在酸性条件下将有机物氧化所需的氧量。

COD大于BOD的部分是难生物降解有机物量，差值越大，则难生物降解的有机物含量越多，越不宜用生物处理法，BOD/COD大于0.3的才适用于生物处理。

二、污水处理技术

污水处理，即采用各种技术及水段，将污水中所含的污染物质分离去除、回收利用，或将其转化为无害物质，使之净化。

污水处理技术，按处理程度划分为一级、二级和三级处理。

一级处理主要去除污水中呈悬浮状态的固体污染物质，物理处理法大部分只能完成一级处理的要求。

经过一级处理的污水，BOD一般可去除30%左右，达不到排放标准。

二级处理主要去除污水中呈胶体和溶解状态的有机污染物质（BOD，COD物质），使有机污染物达到排放标准。

三级处理进一步处理难降解的有机物、氮和磷等能够导致水体富营养化的可溶性无机物等。

按方法分为物理控制法、化学控制法、物化控制法、生化控制法等。

物理控制法用于分离污水中悬浮物，例如重力沉淀法（重力作用而沉淀）、重力浮上法（重力作用而浮上）、阻力拦截法（靠格栅、筛网等截留）、过滤法（靠粒状滤料的吸附和凝聚分离）、离心分离法（离心力）、均和法（调节水量和水质使均匀）。

化学控制法包括混凝法（投混凝剂形成沉淀）、中和法（投酸性或碱性中和）、化学沉淀法（加化学沉淀剂形成沉淀）、氧化还原法（投氧化剂或还原剂转换成新物质）、电化学法（阳阴极作氧化剂或还原剂）。

物化控制法包括吸附法（利用多孔固体吸附剂）、离子交换法（去除溶解性离子态的污染物质）、气浮法（向水中通微小气泡，及细小悬浮物粘附上浮）、蒸发及结晶（污染溶质达到过饱和状态析出）、萃取法（萃取剂）、膜分离（用膜剂使微粒分离）、磁分离（外加磁场使污水中具有磁性的悬浮颗粒分离）、吹膜法（鼓空气使溶解气体或易挥发溶质向气相扩散）、汽提法（通入蒸气使挥发物质扩散到气相）。

生化控制法是通过微生物作用运用生物化学原理，分为好氧生化法（利用好氧微生物）和厌氧生化法（利用厌氧微生物）。

往往是采用多种技术联合使用，来净化除污，具体采用哪几种联合，要根据污水的水质、水量、经济性等指标确定。

三、不同污水来源的传统处理技术及耗能

污水主要是来自纺印化纤、化工和制药（日用化工、化肥、农药、制药及其它）、冶矿电力（冶金、矿山、煤炭、电力及其它）、轻工业（造纸、食品、发酵、制革及其它）、石油工业、电镀类废水、医院、城市生活污水等。

对于污水处理系统，耗能主要指的是电能，即“吨水耗电量”。

不同地区，不同处理方法，不同的进水水质和出水要求，不同处理量，吨水耗电量相差较大。

天处理量越大，吨水耗电量越小。

1、纺印化纤

印染废水特点是水量大、COD和色度高，纺织印染废水所含有毒物质不多，而不少化纤废水毒性大，且在水体中不易净化。

印染废水处理传统的工艺主要分为两大类：

（1）物化法：

利用加入絮凝剂、助凝剂在特定的构筑物内进行沉淀或气浮，去除污水中的污染物的一种化学物理处理方法。

但该类方法由于加药费用高、去除污染物不彻底、污泥量大并且难以进一步处理，会产生一定的“二次污染”；

（2）生化法：

利用微生物的作用，使污水中有机物降解、被吸附而去除的一种处理方法。

由于其降解污染物彻底，运行费用相对低，基本不产生“二次污染”等特点，被广泛应用于印染污水处理中。

还有一部分采用先生化后物化处理。

我国曾调查了纺印行业378个工厂和化纤27个工厂共508套废水处理设施，采用的处理方法如下：

调查的电耗值总结为下表：

来源

方法

COD去除率

处理量（m3/d）

耗电量kW·h/m3

印染污水

活性污泥法

50-70%

10000

0.13

4000

0.19

2000

0.25

活性污泥-脱水法

50-70%

10000

0.33

4000

0.6

2000

0.5

接触氧化法

50-75%

4000

0.25

2000

0.43

塔滤

60-75%

2000

0.45

生物转盘

50-70%

2000

0.22

混凝沉淀

40-70%

2000

0.1

混凝沉淀-脱水

40-75%

2000

0.15

电解

50~85%

1000-3000

0.75-0.25

浮选

50~75%

300-3500

0.52-0.25

活性污泥-物化

60~85%

600-1500

0.55-0.25

接触氧化-物化

65~85%

500-4000

1.6-0.8

塔滤-物化

65~85%

500-2500

0.45-0.25

化纤污水

活性污泥-脱水

50~80%

2000-10000

1.2-0.4

2、化工制药

化工制药包括：

日用化工、化肥、农药、制药及其它。

化工类废水是难降解有机物的主要来源，也是剧毒重金属及酚氰酸碱的重要污染源。

其特点是水质成份复杂、毒性大。

化工废水处理的主要方法是中和及沉淀，其目标是调整PH值，去除有毒物质，为了降低耗氧污染，也有不少工厂采用生化处理。

化工行业废水分为：

有机废水、无机废水、含油废水、含酚废水等；

其中有机废水主要来源于染料、塑料、医药、农药等行业；

无机废水指一些湿法除尘水、锅炉冲渣水及颜料、磁性材料等行业排放废水（固体悬浮物为主要污染物）；

含油废水主要来源于炼焦、油脂加工、肥皂、合成洗涤剂、医药等工业；

含酚废水来源于焦化、染料、塑料、香料、油脂加工、医药等工业；

含氰废水来源于焦化、医药、合成纤维和氰盐等行业；

TNT废水来源于炸药制造工业废水；

化肥行业硫酸废水来源于硫酸生产过程；

我国曾调查了化工行业581个工厂共1051套废水处理设施，采用的处理方法如下：

调查的电耗值总结为下表：

来源

方法

COD去除率

处理量（m3/d）

耗电量kW·h/m3

有机废水（染料、塑料、医药、农药等行业）

活性污泥法-脱水

50~90%

1000-5000

1.65-0.9

5000-50000

1.05-0.3

沉淀-活性污泥-脱水

65~90%

300-2000

1.85-0.95

2000-192000

1.05-0.5

接触氧化法

60~85%

50-500

2.4-1.35

500-4000

1.75-1.05

中和沉淀

30~75%

10-7000

0.54-0.12

化学氧化

60~95%

5-160

1.35-0.7

焚烧

100%

10-480

23.8

来源

方法

SS去除率

处理量（m3/d）

耗电量kW·h/m3

无机废水（固体悬浮物为主要污染物）

沉淀-过滤

90~99%

2000-10000

0.07

来源

方法

PH

处理量（m3/d）

耗电量kW·h/m3

酸碱废水

中和-沉淀

10000

0.1

膨胀中和

30-500

1.55-0.95

500-3000

1.05-0.35

隔油-中和

4-480

0.65-0.25

来源

方法

油

处理量（m3/d）

耗电量kW·h/m3

含油废水（炼焦、油脂加工、肥皂、合成洗涤剂、医药）

隔油

50~97%

2000

0.05

3、冶金电力

冶矿电力工业废水包括冶炼、矿山、煤炭、及电力排放的废水。

主要特点是水量大，悬浮物含量高。

冶矿电力类废水可分为炼铁高炉煤气洗涤水，轧钢废水，轧钢含油废水，轧钢废酸液和轧钢酸洗废水，除尘废水，选矿废水，洗煤废水，电厂灰水等。

对于冶矿电力类废水主要的处理工艺是沉淀，去除固体悬浮物，例如选矿废水的尾矿坝实际上是以堤坝围筑而成的大容积的沉淀-贮存池。

若悬浮物含量很高，采用多级沉淀，对于比重大的悬浮物，采用旋流池代替沉淀池。

我国曾调查了冶金电力行业262个工厂共456套废水处理设施，采用的处理方法如下：

调查的电耗值总结为下表：

来源

方法

COD

SS

油

处理量（m3/d）

耗电量kW·h/m3

冶金

高炉煤气洗涤水

沉淀

60-95%

85~95%

10000

0.02

轧钢废水

沉淀

70~95%

300-4000

0.32-0.18

4000-16000

0.25-0.12

旋流井

60~90%

80~99%

9000-20000

0.18-0.14

沉淀/旋流井

92~99%

20000

0.21

轧钢含油废水

除油

86~99%

300-700

0.45-0.25

700-1400

0.35-0.15

沉淀-除油

85~98%

90~98%

2000-20000

0.35-0.05

除尘废水

沉淀/旋流井

65~85%

60~99%

10000-60000

0.25-0.05

矿山

选矿废水

尾矿坝

92~99.9%

10000

0.4

煤炭

洗煤废水

沉淀-过滤

82~99.9%

10000

0.2

电厂

电厂灰水

贮灰场

87~99.8%

10000

0.7

沉淀

70~99.3%

0.14

4、轻工业

轻工业污水来源主要为造纸、制革、制糖、酒精、食品加工等。

废水特点是有机污染严重，特别是其中的造纸黑液、制糖和酒精的废醪污染特别严重。

该类废水可分为黑液及红液，中段废水，纸机白水，制革含硫废水，鞣革含铬废水，制革混合废水，屠宰废水，食品加工废水，废醪，木材加工废水，建材废水。

我国曾调查了轻工业341个工厂共516套废水处理设施，采用的处理方法如下：

调查的电耗值总结为下表：

来源

方法

COD

SS

硫

处理量（m3/d）

耗电量kW·h/m3

造纸

黑液

碱回收

100%

100%

1000-3000

16-10

纸机白水

沉淀

45~85%

65~95%

10000

0.13

气浮

45~90%

70~99%

3000-10000

0.3-0.2

制革

制革混合废水

沉淀-气浮

40~70%

50~70%

4000

0.02

生化（表面曝气和生物转盘）

50~85%

2000

0.15

食品

屠宰废水

活性污泥-消毒

80~90%

500-1000

0.65-0.25

有机废水

沉淀

20~70%

500-10000

0.23-0.08

生化-消毒

50~70%

4000

0.01

木材

有机废水

沉淀/气浮

40~75%

1000-2000

0.35-0.15

建材

无机废水

沉淀

50~90%

30-600

0.65-0.15

5、石油工业和机械加工工业

石油工业是含油废水的主要来源，除此之外，还有机械加工。

含油废水中，油类物质在废水中通常以三类状态存在，浮油（分散颗粒大）、乳化油（分散颗粒小，乳化状）、溶解油。

含油废水的处理首先要回收油类，一般采用隔油池回收浮油或重油，目前石油行业废水处理传统的方法有隔油，隔油-浮选，隔油-浮选-生化。

其它方法有氧化塘，油水分离器，过滤，活性炭吸附等。

机械加工行业的乳化液废水一般先破乳，常采用药剂法破乳。

我国曾调查了石油工业69个工厂144套废水处理设施和机械加工行业的312套废水处理设备，采用的处理方法如下：

调查的电耗值总结为下表：

来源

方法

COD

SS

油

处理量（m3/d）

耗电量kW·h/m3

石油

含油废水

隔油

90~99%

500-4000

0.25-0.05

隔油-浮选/过滤

90~99%

2000-10000

0.3-0.05

隔油-浮选-生化

>97%

3000-10000

3-1

机械加工

乳化液废水

乳化液处理机

90~99.9%

90~99.9%

2-8

12.5-2.5

破乳-过滤

75~99%

97~99%

1-8

1.95-1.25

破乳-油水分离

90~99%

10-120

6.5-2.5

破乳-油分离-活性炭

85~99%

97~99.9%

3-25

35-0.1

含油废水

油水分离器

80~99%

5-300

0.3-0.01

隔油-浮选

90~99.6%

100-5000

7-0.5

隔油-过滤

85~99%

500-10000

0.75-0.25

隔油-油水分离

90~99%

30-500

1-0.1

6、电镀类

机械加工、仪表电子等多采用电镀法处理零部件表面，因此电镀废水往往含有极毒的重金属离子。

来源于电镀工厂排出的废水，如镀件漂洗水，废槽液等，其水质因生产工艺和所用化学清洗液，镀液的性质而有所差异，往往有多种污染物。

电镀废水类型分为含重金属废水（含铬或其它），电镀混合废水，含氰废水。

电镀废水处理方法通常是使溶解态重金属离子转成不溶，经沉淀和上浮去除，主要方法是中和沉淀法、硫化物沉淀物、电解沉淀法、电解上浮法、气浮分离法，另一种是将重离子浓缩和分离，主要方法是离子交换法、蒸发法、电渗析法、反渗透法。

除铬采用的是离子交换法、化学还原法、电解法。

除氰采用碱性氯化法和电解氧化法。

我国曾调查了2320套电镀类废水处理设备，采用的处理方法如下：

调查的电耗值总结为下表：

来源

方法

铜

镍

铬

处理量（m3/d）

耗电量kW·h/m3

电镀

镀铬废水

化学还原

80~99%

10-2000

2.4-0.3

混凝沉淀

88~98%

50-100

0.6-0.1

铁氧体

90~99%

2-60

2.8-0.2

电解处理装置

90~99%

20-120

2-1

离子交换（直排）

85~98%

2-200

3.6-1.2

活性炭吸附

90~99%

2-200

4-1.8

镀镍废水

离子交换

66~99%

200-1650

0.95-0.25

过滤-离子交换

90~99%

1-200

5-0.4

气浮

98~99.9%

2-20

32-6

活性炭吸附

99~100%

2-24

8.5-2.5

电镀混合废水

离子交换

95~100%

98~100%

99~100%

4-700

0.6-0.3

电解

96~100%

98~100%

100-370

1.6-0.8

活性炭

98%

94%

99%

100-700

0.8-0.2

生化

COD：

35~90%

4000-60000

0.35-0.12

酸碱废水

中和

10-200

0.7-0.2

中和-沉淀

5-1000

1-0.1

7、医院

医院污水的特点是水量小，污染力强，因此及其它污水处理的最大不同，是必须消毒。

医院产生污水的主要部门和设施有：

诊疗室、化验室、病房、洗衣房、X光照像洗印、动物房、同位素治疗诊断、手术室等排水。

不同部门科室产生的污水成分和水量各不相同，如重金属废水、含油废水、洗印废水、放射性废水等。

而且不同性质医院产生的污水也有很大不同。

对于传染病医院，必须采用二级处理，并进行预消毒处理，对于综合医院，可采用预处理-一级强化处理-消毒工艺。

医院一级强化处理一般采用混凝沉淀、过滤、气浮等工艺，气浮工艺中气体释放易导致二次污染，因此一般采用混凝沉淀。

二级处理可采用生化-消毒。

比较不同的生化方法：

工艺类型

优点

缺点

适用范围

基建投资

活性污泥法

对不同性质的污水适应性强。

运行稳定性差，易发生污泥膨胀和污泥流失，分离效果不够理想

 800床以上的水量较大的医院污水处理工程；800床以下医院采用SBR法

较低

生物接触氧化工艺

抗冲击负荷能力高，运行稳定；容积负荷高，占地面积小；污泥产量较低；无需污泥回流，运行管理简单。

部分脱落生物膜造成出水中的悬浮固体浓度稍高。

500床以下的中小规模医院污水处理工程。

适用于场地小、水量小、水质波动较大和微生物不易培养等情况。

中

膜-生物反应器

抗冲击负荷能力强，出水水质优质稳定，有效去除SS和病原体；占地面积小；剩余污泥产量低甚至无。

气水比高，膜需进行反洗，能耗及运行费用高。

300床以下小规模医院污水处理工程；医院面积小，水质要求高等情况。

高

曝气生物滤池

出水水质好；运行可靠性高，抗冲击负荷能力强；无污泥膨胀问题；容积负荷高且省去二沉池和污泥回流，占地面积小。

需反冲洗，运行方式比较复杂；反冲水量较大。

300床以下小规模医院污水处理工程。

较高

简易生化处理工艺

 造价低，动力消耗低，管理简单。

出水COD、BOD等理化指标不能保证达标。

作为对于边远山区、经济欠发达地区医院污水处理的过渡措施，逐步实现二级处理或加强处理效果的一级处理。

低

除了传统的生化法外，还有化学药剂法，向污水中投入化学药剂，使污水中有害物质氧化，凝聚吸附沉淀，通常使用的药剂有液氯、次氯酸钠、臭氧。

下表是两家医院污水处理方法的能耗值。

来源

方法

COD

SS

处理量（m3/d）

耗电量kW·h/m3

医院污水

生物接触氧化-消毒

67~78%

53~76%

680

0.45

生化处理-消毒

280

0.43

8、城市生活污水

城市生活污水是指人们日常生活中使用过并为生活废料所污染的水，是低浓度的综合污水。

城市生活污水处理厂主要目的是削减水体中的有机污染物，其处理方法非常多，可以认为任何一种好氧处理技术都可用于生活污水处理上，具体采取的技术方式取决于处理水量。

所以我国现有的城市污水处理厂80%以上采用传统的活性污泥法。

在意识到城市生活污水中的氮和磷对水体富营养化的影响后，逐步在城市生活污水处理流程和技术中引进了除氮脱磷的技术。

现在小型城市生活污水处理厂处理流程中已经有AB法、A/A/O,氧化沟法，SBR法，以及生物滤塔等新技术的采用。

新技术中，氧化沟工艺采用较多。

来源

方法

处理量（m3/d）

耗电量kW·h/m3

城市生活污水

活性污泥法、氧化沟法、A/A/O法

0.2~0.4/0.29

四、节能降耗减排的新技术新工艺

1、原工艺基础上改进的新工艺

随着标准的排放要求提高，有些早期设计建造的处理厂不满足新标准要求，需进行升级改造，改造后的新工艺除满足新标准要求外，更节约能耗。

①取消内回流，或实现自动回流

原传统的A/A/O法（厌氧-缺氧-好氧法），可改进为分段进水多级A/O法和倒置A/A/O。

北京的城市污水处理厂中，90%采用A/A/O生物处理法。

采用分段进水多级A/O法改进后工艺优点为：

不需混合液回流，节省能源；

回流污泥的稀释作用被推迟，二沉池内污泥浓度增加，提高处理效率，节省池容；

采用倒置A/A/O也是取消了内回流，节省了动力。

另一种工艺是实现自动回流，如多箱一体化活性污泥工艺，完全通过周期性交替进水完成混合液回流，节省能耗。

②曝气控制

同步硝化反硝化工艺工艺是在A/A/O和氧化沟基础上形成的，核心理念是缺氧曝气，在工艺前段创造了缺氧曝气微环境，进行同步硝化反硝化，氧传递效率高，工艺运行节能能耗降低。

且前部分采用表面机械曝气，后面采用微孔曝气，这种混合曝气的效率较高，在节能方面有较大优势。

2、开发的新工艺

①人工湿地法

人工湿地法是将污水有控制地投配到土壤经常处于水饱和状态，并生长有芦苇、香蒲等水生植物的土地上，污水在沿一定方向的流动过程中经耐水植物和土壤联合作用而得到净化。

净化机理十分复杂，一般认为，是通过物理、化学及生化反应三重协同作用。

由下表，比较可知，人工湿地处理法优点是低成本、低能耗、易操作，缺点是占地面积大、易堵塞、出水水质不稳定、受季节影响大等。

目前在我国工艺设计仍处于经验阶段。

②磁技术

磁技术处理污水：

在投加混凝剂后投入磁加载物，混凝过程中磁加载物被絮体包裹起来，在沉淀池中磁加载物携带着絮体一起沉淀下来，磁加载物起到了强化絮凝、加速沉降的作用。

磁鼓将磁加载物从污泥中分离出来，加入絮凝池重复使用。

磁技术及常规混凝、沉淀、过滤处理相比，水力停留时间短，从而减小处理装置的容积、节省占地面积。

五、降低能耗方法

近几年全国污水处理设施不断增加，污水处理率也不断提高，在我国政策导向下，今后几年污水处理投资和建设规模还在加大，导致各地电力资源紧缺的矛盾日益突出，因此研究污水处理的能耗问题有重要的意义。

在不同污水处理厂的运行中，能耗及处理厂规模、污水水质、处理程度、处理工艺、运行模式紧密相关。

1、合理设计，控制运行参数

建设部2004年统计，全国城市污水处理厂运行负荷率不到65%，污水处理厂进水浓度和流量明显低于设计值，造成较大的能耗浪费。

主要原因是污水处理厂的规划建设过程中未充分调查和合理预测服务范围内的污水量变化，致使设计建设规模过大。

因此在提出设计指标前，应对污水水质、水量进行准确核定。

考虑到今后发展要求，或为了抵抗工业废水和暴雨径流的冲击负荷，一般污水处理厂设计时都预留一定容量，若反应器容积全部在线运行，则负荷率就会降低，可在干旱或设计过大时适当减少反应器单体在线数。

除控制反应器单体在线数外，控制反应器内单位容积的能量输入，不超过最大值，控制曝气池中的DO浓度防止过度曝气（如下图），控制平均细胞停留时间（MCRT），减少不需要硝化的MCRT，均可降低能耗。

2、升级改造设备和控制系统

改进污水处理中用电设备也是降低能耗的一种方式。

例如对于氧化沟污水厂能耗，51%为鼓风机，18%为进水泵，9%为污泥回流泵，三者占78%。

1曝气组件

曝气系统能耗占活性污泥系统的污水处理厂总能耗的40~7