路漫漫其修远兮，吾将上下而求索——中国污水处理行业碳减排技术路径报告（下篇）

采用高效的机电设备，开展污水处理厂的提效改造

一，高效的水力输送系统

水力输送设施包括水泵和污泥泵，是污水处理厂主要的能耗设备之一，占全厂总能耗的20~30%左右。而中国水泵现存在效率低、能耗大等问题，因此对水泵采取节能措施是十分必要的。首先要正确选泵，根据设计流量选择高效水泵，使其工况点尽量在高效段内运行，并且水泵可以长期保持持续高效；对水泵进行优化组合，提高水泵效率，可通过两种方法对水泵进行优化：

一是对水泵进行优选(如DG 算法、图解法等)；二是对泵站运行进行优化调度；对水泵使用变频调速和PLC 自动控制技术，使其始终在高效段内运行，提高水力工作效率；另外，加强水泵的维护和管理也是行之有效的节能减排措施。

高效的水力输送设备，不仅要求初始效率高，而且要求其在长期持续运行过程中保持高效。高效水力输送设备的水力端设计需具备抗软堵塞的能力，可以防止污泥附着粘贴在叶轮边缘或通道上，避免通道容量减少降低水泵的效率。而且还需要具备专业的技术结构设计，以抵抗纤维物质或大块杂质的堵塞，避免水泵长期超负荷运行和电机的烧毁。与传统水泵相比，可至少节约25%的能耗。

高效的水力输送设备配置专业为水输送系统设计的智能控制系统，可以优先启动效率最高的水泵，可以根据输送管网波峰波谷自动切换控制模式，可以自动调节水泵运行频率达到系统能耗最低点，在特定的管网条件下（比如输送距离很长的管路系统），与传统水泵输送系统相比，甚至可以节约50%的能耗。除了节约能源，还可以使操作更简单、更容易，很轻易便可启动设备。对水泵、污水坑和管道清洗进行预编程序有效降低了后期运营维护成本。

空气轴承的高速涡轮增压机和磁轴承的高速涡轮增压机

除了采用高效的泵送装置外，还需要提高输送系统的有效性。排水管道的作用是将污染物输送至污水处理厂，因此必须提高排水管道的输送效率，管道淤积将增加CH4的产生，而管道渗漏将影响污水管道的污染物输送能力。因此，建立日常养护制度，借鉴国外先进养护技术和修复技术，减少管道污染物沉积量和渗漏量是污水收集及输送系统低碳运行的关键。

二，高效的曝气设备

曝气系统是污水处理厂节能减排的核心单元，能耗占全厂能耗的50~70%。曝气设备的能效高低与否，将对污水处理厂产生很大的影响。所以更换高效的曝气设备是应优先考虑的。对于采用鼓风曝气的污水处理厂，最有效的节能措施就是在满足处理要求的前提下减小风量，降低充氧浪费。

高速无齿鼓风机就是一种高能效的新型鼓风机，其具有占地小而且质轻，安静且低振动，低维修费用等一系列优点。在空轴式和磁轴式的设计中，都可实现叶轮的“零摩擦”状态。对于表面曝气器，双叶轮曝气器值得推荐。

采用微孔曝气器可以减小气泡尺寸，增大表面积，因而转移速度高，节约风量。现今在微孔曝气基础之上，还研发出了超微孔曝气器。超微孔曝气器是新一代高效、节能型曝气装置。与传统的其他类型曝气器相比，超微孔曝气器具有布气均匀、氧利用率高、动力效率高等优点，而且具有通气量大、充气能力大、微孔不堵塞、使用寿命长等特点。超微孔曝气器的使用可以大大降低能耗。

三，高效的搅拌设备

采用例如垂直线性可移动式混合器的新型搅拌机，并注意让搅拌设备在其高效区工作。还可以利用水上导杆顶端刻度盘来实现搅拌机的左右角度调节，通过旋转刻度盘达到调节搅拌器角度，从而使死角周围的水域形成体积流后得到充分的搅拌，减少粘附在电机表面上的污泥，给电机提供良好的散热环境。另外要加强搅拌设备的日常保养和定期维修，保证设备的良好状态。

常规的搅拌工况主要包括：悬浮，混匀和环流。不管是哪种搅拌工况，搅拌器最终输出的都是推力（即搅拌器传递给介质的有用功）。搅拌效果的产生最终体现的，都是搅拌器与介质之间力和能量的传递。因此搅拌器选型应该以推力作为选型依据。

采用推力作为搅拌器的选型依据可以充分考虑搅拌器电机和叶片的效率，池型变化带来的阻力损失变化，池内的障碍物造成的阻力损失等等。使搅拌器作用于介质的有用功实现可量化，与以传统“混合功率”作为选型依据相比，其更加直观准确，可避免能耗的不必要浪费。

出口可变叶片扩散器（turblex®）

因此，衡量搅拌器效率应该采用“推力F/电机的输入功率Pin”更加准确。高效搅拌器需要首先需要具备高效的水力端设计，采用后掠式叶片设计可以提供额外的自清洁功能，并使搅拌器具有很好的抗堵塞性能。超级高效的IE4 电机技术的应用，以4kw4极50HZ电机为例，IE4电机比IE2电机效率高6%，比IE1电机效率高9%。

搅拌器内置转速可调技术的发展，可以使搅拌器推力覆盖范围更广。当由于工艺变化所需推力降低时，搅拌器通过降低转速满足工况需求，同时节省能耗；当所需推力升高时，搅拌器通过提高转速满足工况需求，避免设备增加或更换，节省后期运营成本。超级高效IE4电机的应用和内置推力可调技术的互相配合，可以为用户节省50%的能耗。

四，增设潜水推进器

曝气池的正常运行一是需要充足的溶解氧，二是要防止活性污泥沉淀。因为曝气能耗占污水处理全过程能耗的60%以上，所以提供适量的溶解氧是节能运行的关键。若进水COD、NH4+-N浓度较低，供给的氧气量满足微生物氧化分解有机污染物的需要即可，溶解氧浓度过高不仅会造成能量浪费，还会造成活性污泥过氧化，达不到理想的污水处理效果。但供氧量小了以后，曝气池内的混合液可能因搅拌混合效果不好而发生局部污泥沉淀。

污泥沉积会造成曝气池的有效容积减小，甚至堵塞曝气器。而在好氧区增加一定数量低能耗的潜水推进器则能很好地解决这个问题。因为潜水推进器既能保证混合液的混合效果，还能保持混合液的循环流动，防止污泥沉淀，能够减少为搅拌混合液而供应的氧气量，进而减少曝气机或者鼓风机的开启量，节约曝气池的电耗。

好氧池曝气系统和推进器的组合优化对整个系统效率的提高至关重要。推进器选择应该具备足够大的推力，以克服曝气所产生的阻力，使池内介质保证足够的流速，确保气泡在水中有足够长的停留时间，提高系统的氧转移效率。介质保持足够流速可以保证混合液的混合效果，有效预防污泥沉淀。对于好氧池的池型优化设计同样重要，可以降低池内阻力损失，减少推进器的功率需求，节省能耗。

以北京某污水厂好氧池改造项目为例，通过增加导流墙优化了水力条件，大大降低池子阻力损失，减少了所需推进器的数量和功率。通过此池型设计优化，节省了50%的能耗。同时通过优化推进器和曝气系统的位置和距离使系统的能量损失最小，当推进器距离上游曝气器不小于一倍水深，并且推进器距离下游曝气器不小于水深和廊道宽度的最大值时，推进器和曝气系统最为稳定，可以有效降低系统的后期运营维护成本。

建立精准的过程监控，提高运营管理水平

污水处理厂的控制系统包括利用在线的仪表监控污水处理厂重要参数的变化，以及利用数学模型来模拟污水处理厂的运行。通过对污水处理厂的在线监控技术，以及能达到节能降耗目的的污水处理厂的数学模型，通过模型的计算，可对处理构筑物进行合理的分组，根据进水有机物浓度的高低，不同季节水量大小的变化，在非满负荷的条件下，可用两组或三组并联运行，以节约能源。

另外，采用先进的在线测控管理系统，分散检测和控制，集中显示和管理。各种设备均可根据污水水质、流量等参数自动调节运转台数或运行时间，使整个污水处理系统在最经济状态下运行，使运行费用最低。

一，Off-Gas监测与控制

Off-gas法是尾气测定法，是基于进入曝气池的空气氧含量和离开曝气池的空气氧含量的气相平衡来检测。该技术是监测曝气池氧利用率（OTE）的核心技术，而在线OTE是曝气控制系统的关键参数。通过off-gas法测得氧的利用率，可以作为评价曝气设备充氧性能的标准，从而对污水处理厂曝气单元进行优化调控，并且对曝气设备做出科学有效的管理维护。

二，活性污泥活性的监测

活性污泥的活性可通过耗氧速率和比耗氧速率两个指标进行衡量。耗氧速率（Oxygen Uptake Rate，OUR）是单位时间内单位体积的混合液中微生物所消耗氧气的量；耗氧速率与微生物量之比为比耗氧速率（Specific Oxygen Uptake Rate，SOUR）。耗氧速率反映了活性污泥生化反应过程中的氧需求量，比耗氧速率则是评价微生物代谢活性的重要指标。对耗氧速率和比耗氧速率进行实时在线监测，可了解活性污泥的实际性能，对污水处理厂在初期设计、运营、管理和维护以及运行过程中的节能都具有重要作用。

活性污泥活性的获得，结合污水处理厂实时的在线数据(如氨氮、硝酸盐氮、进水流量、混合液悬浮物浓度)等，可对生化单元提供最佳的DO设定值，同时促进达到最佳的TN去除率。根据国外实际运行经验，该措施能提高脱氮效率36%，同时降低曝气量19%，实现了能耗降低和出水水质提高的双重目标。

三，临界氧极限曝气控制技术

曝气极限控制法是一种基于微生物呼吸测量和氧传质测定的新型曝气控制方法。微生物呼吸消耗其细胞壁上扩散的溶解氧。氧气从外部高浓度的环境向微生物低氧浓度的细胞壁内部扩散。扩散只有在细胞壁内外氧浓度不相等时才发生，这个氧浓度差有足够的能力使氧气通过细胞壁。氧气能通过细胞的最小浓度就是临界氧控制点。低于临界氧控制点，微生物降解速率将会降低。在临界氧水平控制曝气，微生物可以保持最大的降解速率；而超过临界氧浓度，则不会实质性地影响微生物降解速率，并且会造成能量的浪费。

带有入口/出口可变导叶的鼓风机

对于不同的污水处理厂，临界氧控制点是有明显的区别的。精确的探测微生物临界氧控制点可以确定曝气池的极限DO浓度值。对于中国的污水处理厂，可以应用实时在线的活性污泥呼吸速率测定仪，在污水处理的工艺运行条件下测定曝气效率，然后确定临界氧点，利用这个数据来改变DO浓度设定值，控制曝气池中DO的最佳值，可以节约20%~30%的能量。

低碳准则建设污泥处理处置设施，回收污泥中的能源

一，污泥处理系统部分的减排

污泥处理部分也是污水处理厂中能耗较高的单元,可以通过选用能耗低、效率高的脱水设备来达到减排的目的,如选用螺旋压榨式脱水机或带式压滤机等;采用污泥厌氧消化技术，利用沼气进行发电或供热等,在减少温室气体排放的同时，节省了污水处理厂的运行成本,有研究表明,沼气发电可节约20~30%的电耗，并回收40~50%的热能。选择效率高的絮凝剂，确定药剂的最佳投加量，节省药耗。

二，污泥的资源化

在人类的能源需求量激增、过度依赖化石燃料以及全球气候变暖的大形势下，废弃物的资源化不仅可以提供能源，同时还能减少温室气体的排放，从而为废弃物的管理和能源的短缺这两个问题提供可持续的解决方案。因此，富含碳、氮、磷及其它一些微量营养物的污泥的资源化将超越污泥的减量化成为污泥处置和管理的主流。然而，将剩余污泥作为原材料生产附加值产品（value-addedproducts，VAPs）时，污泥吸附的有毒有害物质，使得生产这些附加值产品的经济效益显著下降。因此，对污水中的有机及无机污染物进行严格的源头控制及采用高效的去除工艺，显得尤为重要。

平板超微孔曝气器

选择新型节碳工艺，减少能耗与外加碳源

选择新型的节碳工艺，降低能耗、避免外加碳源，是减少生物处理过程碳排放的关键。短程硝化反硝化、厌氧氨氧化和反硝化除磷技术是广受关注的节碳工艺。短程硝化反硝化是通过创造亚硝酸菌优势生长条件，将氨氮氧化稳定控制在亚硝化阶段，使亚硝酸盐氮成为硝化的终产物和反硝化的电子受体，短程硝化反硝化技术可节约25%左右的需氧量和40%左右的碳源，减少50%左右的污泥量。

高效的双叶轮曝气器

厌氧氨氧化是利用厌氧氨氧化菌（ANAMMOX）在缺氧环境中，将铵离子(NH4+)和亚硝酸根离子(NO2-)直接氧化为氮气，可节省60%的需氧量，不需额外投加碳源，并且高负荷，低污泥产量；反硝化脱氮除磷则是利用反硝化聚磷菌在缺氧状态下以硝酸盐为电子受体，同时完成过量吸磷和反硝化脱氮过程，可节省30%左右的需氧量和50%左右的碳源，减少50%左右的污泥产量。

某公司带状膜曝气器

构建污水处理低碳评价及管理体系

构建污水处理低碳评价及管理体系主要通过以下方面开展：

一，研究分析中国各地区代表性污水处理厂污水与污泥处理处置过程中输移、混合、曝气、挤压、分离、烘干、燃烧等环节的能耗物耗规律及影响能效物效的因素，提出各处理单元的能耗物耗基准(Baseline)；研究各地区代表性污水处理厂污水污泥处理处置过程碳排放水平及规律，提出各处理单元的碳排放基准。在此基础上，形成涵盖各种典型工艺在不同条件下的能效物效评价体系以及碳排放评价体系。

二，通过试点等方式，逐步开展城镇污水处理厂全面能量与物料平衡以及碳减排检测计算等工作，逐步形成碳排放报告制度。通过建立监管与考核机制，定期评价污水处理厂的能效物效以及综合碳排放状况,形成城镇污水处理行业碳减排管理体系。

垂直直线可移动式混合器

三，定期全面分析评价全行业的能效物效状况，参考国际先进标准及水平,提出行业总体能效物效及碳减排目标。应结合各地特征及客观状况，研究提出实现能效物效及碳减排目标的技术与管理策略。