未来的水处理

水处理正在经历一场深刻的变革,其重要性在全球范围内与日俱增。 水是一种日益稀缺的商品。 特别是在较贫穷的国家,水的供应量严重不足。 由于工业、农业和能源生产的需求不断增长,瓶颈问题变得越来越严重。 虽然缺水等问题对德国造成的影响不大,但负责任的资源节约型用水方式是未来的一个重要课题。 水处理在供水问题上发挥着关键作用。 尽管在许多情况下,对污水进行处理在技术上是可行的,但全世界仍有约 80% 的污水未经处理。 因此从长远来看,大幅降低工业用水量的潜力相当大。


挖掘未来水处理技术的潜力

与此同时,能源效率也是一个重点,尤其是在工业化国家。 由于曝气池采用能源密集型工艺,污水处理厂被认为是名副其实的“耗电大户”。 在雄心勃勃的气候保护目标和能源价格不断上涨的背景下,水处理的能源效率将成为未来的主要课题之一。

尤其是在污水处理厂的能源技术领域,显然已经存在可持续降低能耗的可靠技术;而从运营者的角度来看,这些技术具有很强的吸引力。 对现代通风技术的投资很快就能获得回报,在提高处理厂效率的同时也不会产生过多的费用,尤其是对于老旧污水处理厂而言。 未来的水处理技术在缓解水资源短缺、促进负责任的原材料管理和降低能耗方面具有很大的潜力。 从污水中产生能源就是一个在未来具有巨大潜力的例子。


利用污水发电和供暖

未来水处理领域最重要的课题之一就是利用污水产生能源。 每立方米污水所含的能量是净化污水所用能量的四倍。因此,从纯理论的角度来看,污水处理厂所产生的能量可以超过其消耗的能量。 这一概念背后的原理很简单: 污水中含有的排泄物、卫生纸或其他微粒等固体物质一般可供沼气厂用于产生电能和热能。 这一工艺的技术已经得到了成功应用,但仍有很大的发展空间。 出于这个原因,业界目前正在对旨在提高污泥焚化率的新技术进行研究,而以原型的形式进行的测试也取得了可喜的成果。

但是,如果要充分发掘污水在能源生产方面的潜力,仍有许多障碍有待克服。 挑战之一是如何在实际净化过程之前大幅提高从污水中提取固体的比例。 方法之一是通过添加聚合物使污泥凝结在一起。


污水处理厂是名副其实的“耗电大户”,同时也蕴含着节能潜力

能源效率是未来水处理面临的最重要的课题。 一方面,污水处理厂的运营方们常常要面对政治家制定的日益严格的环境法规。 另一方面,为了应对不断上涨的电价,他们还必须采取措施来提高效率。 要了解污水处理厂能源效率的重要性,不妨先看看处理厂的能源平衡情况。
 

德国约有 10,200 座污水处理厂,每年共消耗约 4,400 千兆瓦时 (GWh) 电能。 这个数字相当于每年 35 kWh/人口当量的耗电量。 因此,污水处理厂的耗电量在德国的总耗电量中仍占据约的 0.7% 的比例

事实证明,曝气过程在几乎所有采用污泥处理工艺的污水处理厂中都是耗电大户;其中,采用好氧污泥稳定技术的污水处理厂的耗电比例在 60% 到 80% 之间,而采用污泥消化技术的污水处理厂的耗电比例也占到 50% 左右。 另外,还有一些耗电量小于污泥处理过程的工艺需要消耗能源。 主要耗能工艺一览: 


  • 内部再循环 DN
  • 预脱水
  • 后脱水
  • 中间提升机构
  • RLS 处理
  • 脱氮循环 (DN)
  • 沉砂池曝气
  • 曝气池通风
  • 空间过滤器
  • 进水口提升机构
  • 消化池循环

从这类处理厂的平均耗电量来看,最有可能降低能耗的环节是曝气池的曝气和持续运行的泵站,例如进水口、中间提升机构和内部再循环。 曝气池的曝气起着最为重要的作用,因此我们将在下文中详细介绍这方面的情况。


聚焦能耗: 提高效率的补充措施

提高曝气池的能效、利用污泥或沼气产生能量和热量并非通往未来水处理的唯一路径。 其他方面也存在潜力,例如将可再生能源纳入污水处理厂的能源系统

例如,可以在污水处理厂的场地上安装太阳能电池或风力涡轮机,这样可以进一步提高发电量与总能耗的比例。 同时请牢记,这些措施与其他场地一样受到限制,投资的盈利能力取决于当时的条件,如当地的日照和风力条件。 虽然利用太阳能集热器产生热量对于不采用污泥消化技术的处理厂也特别有意义,但这种方法在未来可能只能发挥次要作用。 对于采用好氧污泥稳定技术的污水处理厂来说,夏季的热量通常已经过剩,因此这一措施对这类污水处理厂而言是多此一举。 其他确保未来节能型水处理的措施包括在污水处理厂的进水口和出水口使用水力发电。 不过,这种方法的潜力有限,因为可利用的高度落差较低,产生的能量不足以证明所付出的精力和成本物有所值。

尤其是在焚烧污泥的大型处理厂,建议使用条形筛碎片作为额外的燃料来源,以此进一步提高能效。 然而,由于使用条形筛碎片清洗器会减少碎片的堆积,这项技术的潜力有限。


需求驱动型曝气技术: 由于高能耗需要

高效措施。 不同污水处理厂的曝气过程在总能耗需求中的占比为 60% 至 80% 不等,因此曝气对未来的水处理尤为重要。

曝气池中会发生什么?

要了解曝气池为何消耗如此多的能源,让我们简单了解一下生物净化系统的流程。 曝气池可以去除经过机械预净化的污水中含有的有机物质,例如磷酸盐和氮化合物。 这种分解作用由细菌等微生物和曝气污泥共同完成。

为了在第一步中以生物方式去除污水中的磷酸盐,曝气池的第一部分要保持低氧状态。 下一步是通过压缩空气将大量氧气引入废水中。 由于氧气的存在,细菌迅速繁殖,使磷酸盐与溶解沉淀剂结合,形成生物污泥。 然后,污泥在二级处理池中分解,接着被送回曝气池或输送到污泥处理系统。 由于需要引入大量压缩空气,这一过程需要消耗大量能源。


曝气技术的挑战和优化潜力

曝气技术所面临的挑战主要在于,如何提供一种需求驱动型供气方式来同时应对负载分布的剧烈波动和不同程度的污染。 老旧污水处理厂通常采用鼓风机技术。无论供氧需求如何变化,这种技术总是提供相同数量的氧气,尽管有时并非必要。 因此,这里的挑战是,一方面要实现按需曝气,另一方面要尽可能高效地覆盖负载分布中的部分负载范围

为了高效地为曝气池提供能量,AERZEN 的产品组合包括一种或多种鼓风机技术,可根据每一座污水处理厂的不同要求加以应用。 这种方法可以实现最高效率并充分挖掘节能潜力。

这个产品组合包括螺杆鼓风机、正排量鼓风机空气悬浮离心风机。 其优势非常明显: 每种技术都有各自的优势和长处,可根据具体要求进行定制。 例如,螺杆鼓风机在设计上具有相当高的能效,而旋转活塞式鼓风机则在部分负载范围内具有出色的可调节性和几乎不变的效率。  作为一种混合型产品,螺杆鼓风机将鼓风机和压缩机技术的优点集于一身。 根据不同的应用,最好选择不同技术的组合,或者选择手头最有效的技术。 与此同时,用户不仅可以安装采用不同技术的设备,还可以安装不同尺寸的设备。 如果将这种方法与智能全球控制系统相结合,还能实现更多的节约潜力。

经验表明,通过优化曝气可以节省大量能源。 例如,通过安装 Aerzen Turbo空气悬浮离心风机和Delta Hybrid 螺杆风机,Rheda-Wiedenbrück 污水处理厂每年节省了 40,000 欧元的能源成本。

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