污水处理工程设计与施工绿色低碳化策略研究_陈世金.pdf

LOW CARBON WORLD 2022/11污水处理工程设计与施工绿色低碳化策略研究陈世金1，刘圣东1，朱丽2（1.中交第三航务工程局有限公司，上海 200940；2.山东建筑大学市政与环境工程学院，山东 济南 250101）【摘要】介绍了污水处理工程的类型，界定了污水处理工程绿色低碳化内涵，并从污水处理工程的设计和施工两个方面，提出了污水处理工程绿色低碳化内容、措施和途径，包括构建物和建筑物结构与布局优化、节能型设备选用、再生资源和绿色建材使用、用水量和污水处理药剂的精准计量，施工全过程的废水、废气、生活垃圾和建筑垃圾收集与处理、绿色照明以及光污染和噪声控制等，从而降低工程建设和运行对周边环境的不利影响。【关键词】污水处理工程；绿色低碳工艺设计；绿色低碳施工；策略【中图分类号】X703【文献标识码】A【文章编号】2095-2066（2022）11-0013-031污水处理工程类型与绿色低碳化内涵污水处理行业属于能耗较高的行业，其低碳化发展也日益受到关注。因此，研究污水处理工程的绿色低碳化策略具有十分重要的现实意义1。1.1污水处理工程类型按污水来源划分，污水处理工程可分为城市污水处理工程、工业污水处理工程、医疗废水处理工程、城镇生活污水处理工程和农村污水处理工程。其中城市污水处理工程通常称为城市污水处理厂，处理对象为城市污水，即由城市排水管网收集的混合污水，包括工业污水、生活污水及其他符合纳管标准的污水2，其建设占地面积较大。而工业污水处理工程、医疗废水处理工程和城镇生活污水处理工程，通常是污水就地处理，一般在工业厂区、医院和建筑小区的边界范围内选址建设，分别以工业排水、医院污水和居民生活污水为处理对象，可用土地面积受到限制，其工艺设计和施工技术与管理必须因地制宜1.2污水处理工程绿色低碳化内涵污水处理工程设计与施工绿色低碳化是指，在工程设计和工程施工阶段均最大限度实现资源能源的节约与高效利用，以及低环境影响。工程设计绿色低碳化体现在工艺选择、设备选型与流程组合具有节地、节水、节能、节材、寿命长、故障率低、污染小和碳排放量低的特点。工程施工绿色低碳化体现在建筑材料、施工技术装备和施工管理 3 个方面，是指采用绿色建材、节能减排的施工工艺与技术装备并进行高效且污染小的施工管理，整个施工过程具有绿色环保、节能节材、废物减量化且妥善处理和碳排放量低等特点。2污水处理工程设计和设备选型绿色低碳化2.1节地设计节地设计通常采用构建物、建筑物集约布局的方式或选用节地型工艺设备，并通过高效利用空间等措施，减少占地面积。（1）污水处理构筑物和建筑物尽量集成设计。对于大中型污水处理工程，其水池均设计为矩形，可以共用池壁，减少建筑材料能使用和施工工期，如厌氧缺氧好氧（A2/O）工艺系统。用地特别紧张时可设计为双层结构，以便有效利用空间。对于小型污水处理工程，可以采用一体化钢结构或钢混凝土结构。典型的节地设计范例是粗格栅间与进水泵房合建，采用矩形组合，进水泵房采用占地较小的湿式泵房。同时进水泵房常附设配电间，可将配电间设置在进水泵房的地面层或上层，这样较配电间设置在进水泵房一侧的常规做法节约用地。此外，办公楼采用多层砖混结构，比采用单层砖混结构的碳排放量小，可将污水处理附属建筑物集约布置，设计为多层结构。（2）模块化设计。单元模块可工业化生产或场外生产，现场安装。这可以有效解决施工空间不满足要求的工程建设问题。（3）选用节地型污水处理工艺，如周期循环活性污泥法（CASS）工艺、循环活性污泥工艺（CAST）、一体化活性污泥法（UNITANK）、改良型序批式反应器（MSBR）等。此外鼓风曝气的厌氧-缺氧-好氧工艺（A2O）、缺氧-好氧工艺（A/O）占地面积均小于表面曝气的氧化沟工艺和序批式反应器3。（4）优先选用体积小、占地面积少的设备，如污节能环保13DOI:10.16844/10-1007/tk.2022.11.036LOW CARBON WORLD 2022/11水处理的风机采用磁悬浮离心鼓风机和单级高速离心鼓风机。相对传统的罗茨鼓风机，磁悬浮离心鼓风机体积小、质量轻，相同数量条件下磁悬浮离心鼓风机机房比罗茨鼓风机机房占地面积要小，同时安装时无须大型机械吊装设备单纯依靠人力就能够完成；单级高速离心鼓风机替代多级离心式鼓风机可节约占地面积约 50%4-5。2.2节水设计节水设计是指系统运行过程中新鲜水消耗量小或不消耗水资源，主要措施如下。（1）以中水替代新鲜水。车间地面和设备冲洗水及药剂调配用水可采用中水，如污泥处理间的地面和滤布采用中水进行冲洗，絮凝剂采用中水进行稀释调配。（2）选用节水型工艺或设备。例如，污泥处理选用高压全自动隔膜压滤机，其比普通板框压滤机冲洗水用量小；设备冷却采用空冷工艺代替水冷工艺等。（3）用水和药剂精准计量。安装计量仪表，精准确定用水量，按需供水；同时污水污泥处理药剂的配制要精确核算投加浓度和投加量，这样既避免了药剂浪费，也减少了用水量。2.3节能设计（1）利用自然条件节能以及选用低能耗工艺。污水处理的厌氧工艺属于低能耗工艺，目前以上流式厌氧污泥床反应器（UASB）或膨胀颗粒污泥床反应器（EGSB）工艺为主流技术，设计单位通常采用钢结构罐体。如果建设地址位于热带、亚热带地区，罐体可采取非保温设计，用自然散热模式运行；若位于温带或寒带地区，罐体外围则应采用保温层，以维持罐内水温，防止热散失，减少能耗损失。（2）选用低能耗或有节能控制装置的设备和装备。污水处理能耗较大的设备包括泵类、风机和污泥脱水机，应选择变频泵、磁悬浮离心鼓风机、叠螺污泥脱水机等节能设备类型。工程实践表明离心鼓风机运行能耗占污水处理总能耗的 5060，选用磁悬浮离心鼓风机比传统的罗茨鼓风机可以节省25%以上的电能。某公司脱硫氧化风机改造项目采用 1台磁悬浮离心鼓风机替代 2 台罗茨鼓风机（RRF250，容积式），改造前 2 台罗茨鼓风机总电耗为205 万（kW h）/a，改造后单台磁悬浮离心鼓风机年总电耗为 55（kW h）/a，平均年节能 150 kW h，年节能率为 73%。对于罗茨鼓风机，L 型三叶罗茨鼓风机比L 型二叶型罗茨鼓风能耗低 1.2%21%。（3）将设备开启频次精准控制在最佳范围和最佳运行时间。通过精准核算和优化设计，将泵类、风机及刮泥机等设备的启动和运行时间控制在最佳范围，减少能源浪费。2.4节材设计节材设计是指节约建造材料、污水污泥处理药剂以及利用再生材料等。（1）构建物和建筑物采用集约化布局，如水池设计为矩形，可共用池壁，同时减少管渠连接，节约建造材料和成本。（2）选用耐久性混凝土和长寿命管材、曝气设备、填料、泵类等以延长使用年限，如选用磁悬浮鼓风机，其使用寿命在 2030 年，而一般鼓风机的使用寿命在 58 年。2.5次生环境污染控制次生环境污染控制是指在设计和施工阶段均考虑各种影响环境的因素，对建设和运行过程中的废水、废气、固体废物、噪声和废热的污染采取有效措施进行控制，减少工程对环境的不利影响，即低环境影响设计。（1）收集厌氧处理产生的温室气体甲烷并进行处理和综合利用。将进水泵房、沉砂池、初沉池、厌氧池、缺氧池和污泥处理间等单元产生的臭气进行收集，并采用低能耗高效率设施（如生物除臭系统）进行处理后排放。（2）利用污水源热泵技术提取污水中的热能，用于工业、住宅、办公采暖制冷或污泥干化，可节约数量可观的能源，具有明显的经济效益和生态效益。若用于采暖，每使用 1 t 污水可获取 1325 kW 热能，相当于 1.53.0 kg 标准煤提供的热值，据测算，使用该方式的采暖费分别为燃煤、燃气和燃油方式的40%、50%和 60%。（3）采用低噪声设备。污水处理噪声较大的设备是风机，主要有罗茨鼓风机、多级离心鼓风机、单级高速离心鼓风机、空气悬浮鼓风机和磁悬浮鼓风机5 种类型。空气悬浮鼓风机和磁悬浮鼓风机属于低噪声设备，一般噪声低于 80 dB，而罗茨鼓风机运行噪声在 100 dB 以上，单级高速离心鼓风机的运行噪声在 8595 dB。污水处理规模小于 10 万 t/d 时，应选用磁悬浮或空气悬浮鼓风机，污水处理规模高于10 万 t/d 时，选用传统单级离心鼓风机较适合。（4）选用长寿命设备，减少固废产生量。考虑污水的酸碱性及含盐量，选用耐酸型、耐碱型、耐盐型设备，可延长设备寿命，减少报废泵类等固废产生量。3污水处理工程施工绿色低碳化施工绿色低碳化主要体现在建筑材料、施工技术与机械装备以及施工管理 3 个方面。3.1建筑材料绿色低碳化（1）工程建设优先选用环保型建筑材料，如绿色高性能混凝土、绿色抗渗堵漏剂、环保型油漆等，可依据国家发布的 绿色建材产品分级认证目录（第一节能环保14LOW CARBON WORLD 2022/11批）选用，并且用量应精准核算，避免浪费。（2）在满足建设质量要求的前提下，优先使用再生材料，如以粉煤灰、石粉及水泥为原材料制成的空心砌块混凝土、掺混部分工业废渣的混凝土、再生混凝土等。3.2施工技术与机械设备绿色低碳化施工技术优先采用装配式建造技术、绿色混凝土施工技术、建筑信息模型（BIM）辅助施工技术，施工机械设备优先采用节能型或清洁能源型机械设备等。（1）土建施工技术绿色低碳化。污水处理土建工程主要涉及水池类的水工构筑物及其设备。对于水池建造，应用建筑基坑桩锚支护绿色施工技术，如应用水泥土防渗桩墙插型钢与可回收锚索技术，解决资源浪费、破坏环境以及影响后续地下工程施工等问题；水泥土桩施工采用长螺旋压灌成桩工艺，解决废弃泥浆二次污染问题和型钢的回收循环利用。对于附属建筑物，在满足质量和功能要求的前提下，可采用装配式建造技术、墙体节能保温技术、屋面保温隔热技术、门窗节能技术。同时创新建筑工程施工模式，如采用信息技术模式，在结构支撑、围护装修、设备管线、大功率设备使用规划等方面构建绿色低碳节能的建造施工体系。（2）施工现场采用资源节约技术与环境污染控制技术。施工现场涉及的资源包括水资源、土方资源等。施工现场水资源节约技术方面，可以建设沉淀池收集利用施工排水，沉淀处理后的清水可用于施工养护、施工机具用水、室内临时消防用水、施工场地扬尘喷淋、洗车槽冲洗、卫生间冲厕用水、绿化浇灌用水等，减少了施工污染废水的排放，实现施工现场水的循环再利用，同时定期清除沉淀池底的泥沙，晾晒后用作建筑材料，可显著提高经济效益和环境效益。土方资源应尽量就地消化利用，减少占地、扬尘及运输污染。（3）施工机械绿色低碳化。污水处理工程的施工机械包括升降机、塔吊、焊机等，现场施工设备的碳排放量占据施工现场碳排放总量的 90%以上，其余碳排放仅占 10%左右，因此，应选用高效节能的施工设备，以降低施工碳排放。例如，使用变频节能升降机要比一般升降机减排 20%。3.3施工管理绿色低碳化施工管理绿色低碳化的实质是通过有效管理达到节能减排和减少环境污染的目的，避免或降低施工作业对周边环境的不利影响。（1）建立完善的绿色低碳化施工制度，包括用水用料定额化管理、施工工地扬尘管理、施工三废收集处理与资源化、施工噪声控制、绿色照明及光污染控制、减少土地占用及对植被的破坏、保护地下水资源等。（2）科学合理规划施工机械的使用工序和作业时间，最大限度降低大功率设备如施工升降机、塔吊等低负载的运行时间，尽量集中使用，降低空载率。（3）加强施工现场电气设备的安全使用和节能管理，应装设适用的断路器和漏电保护器，防止设备长期非正常漏电和因缺相运行、短路等原因造成电能耗费。现场焊机应装设具有降压和节能作用的二次保护器，防止使用过程中二次线非正常短路、线路泡水，不正常接地等情况，以减少非正常漏电。同时实行机械设备的定期维修保养制度，如设备每月进行一次“润滑、紧固、调整、防腐、清洁”等维修保养。（4）合理绿化和硬化施工道路。不仅要采取有效措施控制道路扬尘污染，还应考虑道路的绿色低碳化处理。例如，采用路面硬化及装配式铺装两种方式，对施工机械通行的主干道路进行混凝土硬化处理，对办公区、生活区、休息区、厕所等临建地面及临建联络线的地面选择性进行铺装处理，方便后续土地生态恢复。4结语污水处理工程设计与施工的绿色低碳化是必然的发展趋势，本文首次界定了污水处理工程绿色低碳化内涵，从设计和施工两个方面体现节地、节水、节能、节材和低环境影响的特征。实现污水处理工程绿色低碳化的措施与途径包括选用绿色低碳工艺和节能型设备、优化构筑物、建筑物结构与布局、利用中水和绿色建材、精准计量用水量和污水处理药剂；对于施工全过程，应制定绿色施工制度、选用节能型或清洁能源型施工机械与绿色施工技术、妥善收集与处理施工产生的废水、废气、生活垃圾和建筑垃圾，推行照明绿色化，控制光污染、噪声污染。参考文献1 谭显春，顾佰和，王毅.气候变化对我国中长期发展的影响分析及对策建议J.中国科学院院刊，2017，32（9）：1029-1035.2 黄世裕.浅析中国城市污水处理的现状及发展J.资源节约与环保，2013（12）：173.3 陈燕波，万年红.城镇污水处理厂设计常用的节地措施J.中国建设信息（水工业市场），2011（2）：53-55.4 刘延泽，侯红梅污水处理行业曝气鼓风机技术发展趋势J.通用机械，2014（4）：30-33.5 孙川.浅谈污水厂对磁悬浮离心鼓风机的运用J.科学与信息化，2020（19）：76，78.作者简介：陈世金（1978），男，汉族，湖南常德人，本科，高级工程师，研究方向为绿色建筑工程管理。通信作者：朱丽（1971），女，满族，辽宁黑山人，博士研究生，副教授，研究方向为环境监测与污染治理。节能环保15