現代汙水處理技術，按處理程度劃分，可分為一級、二級和三級處理。 一級處理，主要去除汙水中呈懸浮狀態的固體汙染物質，物理處理法大部分只能完成一級處理的要求。經過一級處理的汙水，BOD一般可去除30%左右，達不到排放標準。一級處理屬於二級處理的預處理。 二級處理，主要去除汙水中呈膠體和溶解狀態的有機汙染物質(BOD，COD物質)，去除率可達90%以上，使有機汙染物達到排放標準。 三級處理，進一步處理難降解的有機物、氮和磷等能夠導致水體富營養化的可溶性無機物等。主要方法有生物脫氮除磷法，混凝沉澱法，砂率法，活性炭吸附法，離子交換法和電滲分析法等。 整個過程為透過粗格刪的原汙水經過汙水提升泵提升後，經過格刪或者篩率器，之後進入沉砂池，經過砂水分離的汙水進入初次沉澱池，以上為一級處理(即物理處理)，初沉池的出水進入生物處理裝置，有活性汙泥法和生物膜法，(其中活性汙泥法的反應器有曝氣池，氧化溝等，生物膜法包括生物濾池、生物轉盤、生物接觸氧化法和生物流化床)，生物處理裝置的出水進入二次沉澱池，二沉池的出水經過消毒排放或者進入三級處理，一級處理結束到此為二級處理，三級處理包括生物脫氮除磷法，混凝沉澱法，砂濾法，活性炭吸附法，離子交換法和電滲析法。 二沉池的汙泥一部分迴流至初次沉澱池或者生物處理裝置，一部分進入汙泥濃縮池，之後進入汙泥消化池，經過脫水和乾燥裝置後，汙泥被最後利用。 以上是汙水處理廠處理工藝的基本流程，流程圖見下頁圖一。 二．各個處理構築物的能耗分析 1．汙水提升泵房 進入汙水處理廠的汙水經過粗格刪進入汙水提升泵房，之後被汙水泵提升至沉砂池的前池。水泵執行要消耗大量的能量，佔汙水廠執行總能耗相當大的比例，這與汙水流量和要提升的揚程有關。 2．沉砂池 沉砂池的功能是去除比重較大的無機顆粒。沉砂池一般設於泵站前、倒虹管前，以便減輕無機顆粒對水泵、管道的磨損；也可設於初沉池前，以減輕沉澱池負荷及改善汙泥處理構築物的處理條件。常用的沉砂池有平流沉砂池、曝氣沉砂池、多爾沉砂池和鍾式沉砂池。 沉砂池中需要能量供應的主要是砂水分離器和吸砂機，以及曝氣沉砂池的曝氣系統，多爾沉砂池和鍾式沉砂池的動力系統。 3．初次沉澱池 初次沉澱池是一級汙水處理廠的主題處理構築物，或作為二級汙水處理廠的預處理構築物設在生物處理構築物的前面。處理的物件是SS和部分BOD5，可改善生物處理構築物的執行條件並降低其BOD5負荷。初沉池包括平流沉澱池，輻流沉澱池和豎流沉澱池。 初沉池的主要能耗裝置是排泥裝置，比如鏈帶式刮泥機，刮泥撇渣機，吸泥泵等，但由於排泥週期的影響，初沉池的能耗是比較低的。 圖一城市汙水處理典型流程 4．生物處理構築物 汙水生物處理單元過程耗能量要佔汙水廠直接能耗相當大的比例，它和汙泥處理的單元過程耗能量之和佔汙水廠直接能耗的60%以上。活性汙泥法的曝氣系統的曝氣要消耗大量的電能，其基本上是聯絡執行的，且功率較大，否則達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也是能耗很大的裝置。生物膜法處理裝置和活性汙泥法相比能耗較低，但目前應用較少，是以後需要大力推廣的處理工藝。 5．二次沉澱池 二次沉澱池的能力消耗主要是在汙泥的抽吸和汙水錶明漂浮物的去除上，能耗比較低。 6．汙泥處理 汙泥處理工藝中的濃縮池，汙泥脫水，乾燥都要消耗大量的電能，汙泥處理單元的能量消耗是相當大的，這些裝置的電耗功率都很大。 三．針對各個處理構築物的節能途徑 1．汙水提升泵房 汙水提升泵房要節省能耗，主要是考慮汙水提升泵如何進行電能節約，正確科學的選泵，讓水泵工作在高效段是有效的手段，合理利用地形，減少汙水的提升高度來降低水泵軸功率N也是有效的辦法，定期對水泵進行維護，減少摩擦也可以降低電耗。 2．沉砂池 採用平流沉砂，避免採用需要動力裝置的沉砂池，如平流沉砂池。採用重力排砂，避免使用機械排砂，這些措施都可大大節省能耗。 3．初次沉澱池 初次沉澱池的能耗較低，主要能量消耗在排泥裝置上，採用靜水壓力法無疑會明顯降低能量的消耗。 4．生物處理構築物 國外的學者透過能耗和費用效益分析比較了生物處理工藝流程,他們認為處理設施大部分的能量消耗是發生在電機這類單一的裝置上,因而節能應從提高全廠功率因數、選擇高效機電裝置及減少高峰用電要求等方面入手。他們提出的節能措施既包括改善電機的電氣效能,也包括解決運轉的工藝問題,還包括汙水廠產物中的能量回收(Energy Recovery)。 曝氣系統的能耗相當大，對曝氣系統能耗能效的研究總是涉及到曝氣裝置的改造和革新。新型的曝氣裝置雖然層出不窮,但目前仍然可劃分為2類:第1種是採用淹沒式的多孔擴散頭或空氣噴嘴產生空氣泡將氧氣傳遞進水溶液的方法,第2種是採用機械方法攪動汙水促使大氣中的氧溶於水的方法。微孔曝氣，曝氣擴散頭的佈局和曝氣系統的調節這些都是節能的有效措施。在傳統活性汙泥處理廠曝氣池中闢出前端厭氧區,用淹沒式攪拌器混合的節能、生物除磷方案。這一簡單的改造可以節省近20%的曝氣能耗,如果算上混合用能,節能也達到12%。自動控制系統的應用於汙水處理節能，曝氣系統進行階段曝氣，溶解氧存在濃度梯度，既減少了能耗，又可以改善處理效果，減少汙泥量。 生物膜法處理工藝採用厭氧處理可以明顯降低能量的消耗。 5．二次沉澱池 二次沉澱池中對排泥裝置的研究和排泥方式的改善是降低能耗的有效方法。 6．汙泥處理 汙泥處理系統節能研究主要集中於汙泥處理的能量回收。從汙水汙泥有機汙染物中回收能量用於處理過程早在上世紀初就已投入實踐,但能源危機之前一直不受重視。目前有兩種回收途徑:一是汙泥厭氧消化氣利用,一是汙泥焚燒熱的利用。 消化氣性質穩定、易於貯存,它可透過內燃機或燃料電池轉化為機械能或電能,廢熱還可回收於消化汙泥加熱。因此利用消化氣能解決汙水廠不同程度的能量自給問題。林榮忱等人比較了沼氣發電機和燃料電池兩種利用形式,認為燃料電池能量利用率高,具有很好的發展前途。對消化氣的最大化利用是提高能效的主要方式。沼氣發電機組併網發電的研究和應用在國內已有應用例項,是大型汙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建在汙水處理廠旁,將固廢與汙水汙泥一起焚燒,獲得的電能用於處理廠的運轉。 城市汙水處理的能耗分析研究與節能技術和手段的發展往往並不同步。由於汙水處理能量平衡分析方法研究的欠缺,節能措施的制訂和實施常常超前。而多數節能途徑和手段常常由處理廠的操作管理人員結合各處理設施實際情況提出,具有經驗性和個別性,不一定能適用於其他汙水廠甚至是工藝相似的汙水廠;另一方面,從廣義上說,汙水處理學科領域的技術創新、新材料和新裝置的使用都蘊涵著節能增效的潛力,因而節能的途徑和手段往往是很寬泛的。 四．結論 汙水處理是能源密集(energy intensity)型的綜合技術。一段時期以來,能耗大、執行費用高一定程度上阻礙了中國城市汙水處理廠的建設,建成的一些處理廠也因能耗原因處於停產和半停產狀態。在今後相當長的一段時期內,能耗問題將成為城市汙水處理的瓶頸。能否解決耗汙水廠的能耗問題，合理進行能源分配，已經成為決定汙水處理廠執行效益好壞的關鍵因素。能耗是否較低，也是未來新的汙水處理廠可行性分析的決定性因素，開發能效較高的汙水處理技術，合理設計及執行汙水處理廠，必將是未來汙水處理廠設計和執行的必由之路。 參考文獻: 1．《汙水處理能耗與能效》[美]W.F.OWEN，章北平、車武譯，金儒霖校，能源出版社 2．《排水工程》張自傑主編，第四版，中國建築工業出版社 3．城市水工程概論》李圭白、蔣展鵬、範瑾初、龍騰銳主編，中國建築工業出版社 4．《中國給水排水》雜誌 5．《給水排水》雜誌 6．中華環保網際網路 7．給排水線上網站
現代汙水處理技術，按處理程度劃分，可分為一級、二級和三級處理。 一級處理，主要去除汙水中呈懸浮狀態的固體汙染物質，物理處理法大部分只能完成一級處理的要求。經過一級處理的汙水，BOD一般可去除30%左右，達不到排放標準。一級處理屬於二級處理的預處理。 二級處理，主要去除汙水中呈膠體和溶解狀態的有機汙染物質(BOD，COD物質)，去除率可達90%以上，使有機汙染物達到排放標準。 三級處理，進一步處理難降解的有機物、氮和磷等能夠導致水體富營養化的可溶性無機物等。主要方法有生物脫氮除磷法，混凝沉澱法，砂率法，活性炭吸附法，離子交換法和電滲分析法等。 整個過程為透過粗格刪的原汙水經過汙水提升泵提升後，經過格刪或者篩率器，之後進入沉砂池，經過砂水分離的汙水進入初次沉澱池，以上為一級處理(即物理處理)，初沉池的出水進入生物處理裝置，有活性汙泥法和生物膜法，(其中活性汙泥法的反應器有曝氣池，氧化溝等，生物膜法包括生物濾池、生物轉盤、生物接觸氧化法和生物流化床)，生物處理裝置的出水進入二次沉澱池，二沉池的出水經過消毒排放或者進入三級處理，一級處理結束到此為二級處理，三級處理包括生物脫氮除磷法，混凝沉澱法，砂濾法，活性炭吸附法，離子交換法和電滲析法。 二沉池的汙泥一部分迴流至初次沉澱池或者生物處理裝置，一部分進入汙泥濃縮池，之後進入汙泥消化池，經過脫水和乾燥裝置後，汙泥被最後利用。 以上是汙水處理廠處理工藝的基本流程，流程圖見下頁圖一。 二．各個處理構築物的能耗分析 1．汙水提升泵房 進入汙水處理廠的汙水經過粗格刪進入汙水提升泵房，之後被汙水泵提升至沉砂池的前池。水泵執行要消耗大量的能量，佔汙水廠執行總能耗相當大的比例，這與汙水流量和要提升的揚程有關。 2．沉砂池 沉砂池的功能是去除比重較大的無機顆粒。沉砂池一般設於泵站前、倒虹管前，以便減輕無機顆粒對水泵、管道的磨損；也可設於初沉池前，以減輕沉澱池負荷及改善汙泥處理構築物的處理條件。常用的沉砂池有平流沉砂池、曝氣沉砂池、多爾沉砂池和鍾式沉砂池。 沉砂池中需要能量供應的主要是砂水分離器和吸砂機，以及曝氣沉砂池的曝氣系統，多爾沉砂池和鍾式沉砂池的動力系統。 3．初次沉澱池 初次沉澱池是一級汙水處理廠的主題處理構築物，或作為二級汙水處理廠的預處理構築物設在生物處理構築物的前面。處理的物件是SS和部分BOD5，可改善生物處理構築物的執行條件並降低其BOD5負荷。初沉池包括平流沉澱池，輻流沉澱池和豎流沉澱池。 初沉池的主要能耗裝置是排泥裝置，比如鏈帶式刮泥機，刮泥撇渣機，吸泥泵等，但由於排泥週期的影響，初沉池的能耗是比較低的。 圖一城市汙水處理典型流程 4．生物處理構築物 汙水生物處理單元過程耗能量要佔汙水廠直接能耗相當大的比例，它和汙泥處理的單元過程耗能量之和佔汙水廠直接能耗的60%以上。活性汙泥法的曝氣系統的曝氣要消耗大量的電能，其基本上是聯絡執行的，且功率較大，否則達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也是能耗很大的裝置。生物膜法處理裝置和活性汙泥法相比能耗較低，但目前應用較少，是以後需要大力推廣的處理工藝。 5．二次沉澱池 二次沉澱池的能力消耗主要是在汙泥的抽吸和汙水錶明漂浮物的去除上，能耗比較低。 6．汙泥處理 汙泥處理工藝中的濃縮池，汙泥脫水，乾燥都要消耗大量的電能，汙泥處理單元的能量消耗是相當大的，這些裝置的電耗功率都很大。 三．針對各個處理構築物的節能途徑 1．汙水提升泵房 汙水提升泵房要節省能耗，主要是考慮汙水提升泵如何進行電能節約，正確科學的選泵，讓水泵工作在高效段是有效的手段，合理利用地形，減少汙水的提升高度來降低水泵軸功率N也是有效的辦法，定期對水泵進行維護，減少摩擦也可以降低電耗。 2．沉砂池 採用平流沉砂，避免採用需要動力裝置的沉砂池，如平流沉砂池。採用重力排砂，避免使用機械排砂，這些措施都可大大節省能耗。 3．初次沉澱池 初次沉澱池的能耗較低，主要能量消耗在排泥裝置上，採用靜水壓力法無疑會明顯降低能量的消耗。 4．生物處理構築物 國外的學者透過能耗和費用效益分析比較了生物處理工藝流程,他們認為處理設施大部分的能量消耗是發生在電機這類單一的裝置上,因而節能應從提高全廠功率因數、選擇高效機電裝置及減少高峰用電要求等方面入手。他們提出的節能措施既包括改善電機的電氣效能,也包括解決運轉的工藝問題,還包括汙水廠產物中的能量回收(Energy Recovery)。 曝氣系統的能耗相當大，對曝氣系統能耗能效的研究總是涉及到曝氣裝置的改造和革新。新型的曝氣裝置雖然層出不窮,但目前仍然可劃分為2類:第1種是採用淹沒式的多孔擴散頭或空氣噴嘴產生空氣泡將氧氣傳遞進水溶液的方法,第2種是採用機械方法攪動汙水促使大氣中的氧溶於水的方法。微孔曝氣，曝氣擴散頭的佈局和曝氣系統的調節這些都是節能的有效措施。在傳統活性汙泥處理廠曝氣池中闢出前端厭氧區,用淹沒式攪拌器混合的節能、生物除磷方案。這一簡單的改造可以節省近20%的曝氣能耗,如果算上混合用能,節能也達到12%。自動控制系統的應用於汙水處理節能，曝氣系統進行階段曝氣，溶解氧存在濃度梯度，既減少了能耗，又可以改善處理效果，減少汙泥量。 生物膜法處理工藝採用厭氧處理可以明顯降低能量的消耗。 5．二次沉澱池 二次沉澱池中對排泥裝置的研究和排泥方式的改善是降低能耗的有效方法。 6．汙泥處理 汙泥處理系統節能研究主要集中於汙泥處理的能量回收。從汙水汙泥有機汙染物中回收能量用於處理過程早在上世紀初就已投入實踐,但能源危機之前一直不受重視。目前有兩種回收途徑:一是汙泥厭氧消化氣利用,一是汙泥焚燒熱的利用。 消化氣性質穩定、易於貯存,它可透過內燃機或燃料電池轉化為機械能或電能,廢熱還可回收於消化汙泥加熱。因此利用消化氣能解決汙水廠不同程度的能量自給問題。林榮忱等人比較了沼氣發電機和燃料電池兩種利用形式,認為燃料電池能量利用率高,具有很好的發展前途。對消化氣的最大化利用是提高能效的主要方式。沼氣發電機組併網發電的研究和應用在國內已有應用例項,是大型汙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建在汙水處理廠旁,將固廢與汙水汙泥一起焚燒,獲得的電能用於處理廠的運轉。 城市汙水處理的能耗分析研究與節能技術和手段的發展往往並不同步。由於汙水處理能量平衡分析方法研究的欠缺,節能措施的制訂和實施常常超前。而多數節能途徑和手段常常由處理廠的操作管理人員結合各處理設施實際情況提出,具有經驗性和個別性,不一定能適用於其他汙水廠甚至是工藝相似的汙水廠;另一方面,從廣義上說,汙水處理學科領域的技術創新、新材料和新裝置的使用都蘊涵著節能增效的潛力,因而節能的途徑和手段往往是很寬泛的。 四．結論 汙水處理是能源密集(energy intensity)型的綜合技術。一段時期以來,能耗大、執行費用高一定程度上阻礙了中國城市汙水處理廠的建設,建成的一些處理廠也因能耗原因處於停產和半停產狀態。在今後相當長的一段時期內,能耗問題將成為城市汙水處理的瓶頸。能否解決耗汙水廠的能耗問題，合理進行能源分配，已經成為決定汙水處理廠執行效益好壞的關鍵因素。能耗是否較低，也是未來新的汙水處理廠可行性分析的決定性因素，開發能效較高的汙水處理技術，合理設計及執行汙水處理廠，必將是未來汙水處理廠設計和執行的必由之路。 參考文獻: 1．《汙水處理能耗與能效》[美]W.F.OWEN，章北平、車武譯，金儒霖校，能源出版社 2．《排水工程》張自傑主編，第四版，中國建築工業出版社 3．城市水工程概論》李圭白、蔣展鵬、範瑾初、龍騰銳主編，中國建築工業出版社 4．《中國給水排水》雜誌 5．《給水排水》雜誌 6．中華環保網際網路 7．給排水線上網站