城镇污水处理系统中生物处理环节的节能低碳技术创新与实践

摘要：本文聚焦城镇污水处理系统中的生物处理环节，深入探讨节能低碳技术的创新与实践。通过对多种节能低碳技术的原理、应用实例、效果评估等方面进行详细阐述，包括优化曝气系统、强化微生物处理效能、利用新型生物处理工艺以及污水源热回收技术等方面，为城镇污水处理行业在节能低碳方向的发展提供了理论依据与实践参考，助力实现污水处理过程中的资源节约与环境友好目标。

个关键词：城镇污水处理；生物处理；节能低碳；技术创新

一、引言

随着全球对环境保护和可持续发展的关注度不断提升，城镇污水处理系统的节能低碳运行成为亟待解决的重要课题。生物处理环节作为城镇污水处理的核心部分，其能耗和碳排放占据了整个污水处理系统的较大比例。因此，探索和应用节能低碳的生物处理技术对于降低污水处理成本、减少环境污染具有极为重要的意义。

二、优化曝气系统

（一）曝气系统能耗现状与问题

在城镇污水处理的生物处理环节，曝气系统用于向污水中充氧，以满足微生物好氧代谢的需求，但曝气过程往往消耗大量电能，通常占污水处理厂总能耗的 50% - 60%。传统的曝气方式如微孔曝气，存在氧传递效率有限、能耗高以及难以根据实际需氧量精准调节等问题。例如，某典型城镇污水处理厂采用传统微孔曝气系统，在处理规模为 10 万立方米/日的情况下，曝气能耗高达 0.35 千瓦时/立方米污水。

（二）智能曝气技术原理与应用

智能曝气技术应运而生，其通过在线监测污水中的溶解氧（DO）浓度、水质水量变化等参数，利用先进的控制算法，实时调节曝气设备的运行参数，如曝气强度、曝气时间等。以某市污水处理厂为例，引入智能曝气系统后，通过安装高精度的 DO 传感器，每隔 5 分钟对曝气池中的 DO 浓度进行监测，并将数据传输至中控系统。中控系统根据预设的控制策略，结合实时进水流量和水质信息，动态调整鼓风机的转速和曝气阀门开度。

（三）节能效果与经济效益评估

经过一段时间的运行，该厂的曝气能耗显著降低。数据显示，采用智能曝气技术后，曝气能耗降低至 0.22 千瓦时/立方米污水，降幅达到 37.1%。按照当地工业用电价格 0.8 元/千瓦时计算，每年可节省电费约 200 万元（以 365 天计算）。同时，由于精准曝气减少了过度曝气导致的污泥老化等问题，污泥处理成本也有所降低，进一步提高了污水处理厂的整体经济效益。

三、强化微生物处理效能

（一）微生物强化技术原理

微生物在污水生物处理中起着关键作用。通过向生物处理系统中添加特定的高效微生物菌剂，可以提高微生物对污染物的降解能力和适应能力，从而在相同处理条件下提升处理效率，减少处理时间和能耗。这些高效微生物菌剂往往是经过筛选和培育的，具有对特定污染物高亲和性、高降解速率等特点。例如，针对难降解有机物和高氨氮废水，研发了含有特殊功能菌群的复合菌剂。

（二）应用实例与处理效果

在某城镇污水处理厂进行的微生物强化技术应用试验中，在原有生物处理工艺基础上，按照 100ppm 的投加量向曝气池中定期投加复合菌剂。经过 30 天的连续运行监测，结果表明，COD 的去除率从原来的 80%提高到了 88%，氨氮去除率从 70%提升至 80%。在处理水量为 5 万立方米/日的情况下，由于处理效率的提高，曝气时间可缩短 1 - 2 小时/日，相应地节约了曝气能耗约 10%。

（三）微生物群落结构变化与稳定性分析

利用高通量测序技术对投加菌剂前后的微生物群落结构进行分析发现，投加菌剂后，系统中的有益微生物数量明显增加，微生物群落多样性得到优化。例如，硝化细菌的相对丰度从 5%提高到了 8%，反硝化细菌的丰度也有所上升。同时，通过长期监测发现，在停止投加菌剂后的一段时间内，微生物群落仍能保持相对稳定的结构和较高的处理效能，表明该微生物强化技术具有较好的可持续性。

四、新型生物处理工艺应用

（一）厌氧氨氧化工艺原理与特点

厌氧氨氧化工艺是一种新型的生物脱氮工艺，与传统的硝化 - 反硝化工艺相比，其具有无需有机碳源、能耗低、污泥产量少等显著优势。该工艺基于厌氧氨氧化菌在厌氧条件下将氨氮和亚硝态氮直接转化为氮气的原理。在厌氧氨氧化过程中，氨氮和亚硝态氮的反应比例约为 1：1.32，反应过程中产生的少量硝酸盐可通过后续的反硝化过程进一步去除。

（二）工程应用案例与节能低碳效益

某沿海城镇污水处理厂采用厌氧氨氧化工艺处理部分污水，处理规模为 3 万立方米/日。该工艺的应用使得脱氮过程中的曝气能耗大幅降低，相较于传统工艺节省了约 60%的曝气能耗。同时，由于无需额外添加大量有机碳源，每年可减少有机碳源采购成本约 80 万元。此外，污泥产量减少了约 70%，降低了污泥处理处置过程中的能耗和温室气体排放。从碳排放角度估算，该工艺每年可减少二氧化碳排放约 1500 吨（包括能源节约和污泥减量带来的减排量）。

（三）工艺运行管理与技术难点突破

然而，厌氧氨氧化工艺也面临一些技术难点，如厌氧氨氧化菌生长缓慢、对环境条件敏感等。为解决这些问题，该厂在运行管理方面采取了一系列措施，包括严格控制进水水质中的有害物质含量，维持稳定的温度（30 - 35℃）、pH（7.5 - 8.0）等运行参数，采用特殊的生物膜反应器提高厌氧氨氧化菌的富集和持留能力等。通过这些措施，保障了厌氧氨氧化工艺的稳定高效运行。

五、污水源热回收技术

（一）污水热能资源潜力分析

城镇污水中蕴含着大量的热能，其温度通常比环境温度高 10 - 20℃。以一个中等规模城镇污水处理厂（处理量 8 万立方米/日）为例，每天排放的污水所携带的热能相当于约 50 吨标准煤的热值。如果能够有效回收利用这部分热能，将为污水处理厂乃至周边区域提供可观的能源补充，实现能源的循环利用，降低对外部能源的依赖，从而减少碳排放。

六、结论

城镇污水处理系统生物处理环节的节能低碳技术创新与实践对于推动污水处理行业的可持续发展具有至关重要的意义。通过优化曝气系统、强化微生物处理效能、应用新型生物处理工艺以及污水源热回收技术等多方面的努力，能够有效降低污水处理过程中的能耗和碳排放，提高处理效率和经济效益。然而，这些技术的推广和应用仍面临一些挑战，如技术成本较高、对操作人员技术要求较高等。未来，需要进一步加强技术研发和创新，降低成本，提高技术的稳定性和可靠性，同时加强人员培训和技术推广，促进城镇污水处理系统在节能低碳道路上不断发展进步，实现环境保护与资源节约的双重目标。

参考文献：

[1] 陈重军， 陈英文， 沈耀良. 低碳源污水生物处理强化脱氮技术研究进展[J]. 中国给水排水， 2017， 33（20）： 22-27.

[2] 刘俊新， 魏源送. 污水处理生物膜技术研究与应用进展[J]. 环境科学学报， 2019， 39（11）： 3481-3491.