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郝晓地:国内污水潜能定量计算

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学社技术 发表于 2019-9-2 12:52 | 显示全部楼层 打印 上一主题 下一主题
污水中含有有机物(COD)化学能和余温热能,但这种潜能一直不被人们所重视。计算表明,污水所含化学能、热能理论值虽然前者小于后者,但相差倍数(3.33)不大,取决于进水COD浓度。然而,COD化学能在能量转化过程中有相当一部分并不能回收或受限于能量转化效率而不能全部转化。对某实际污水处理厂(COD=400 mg/L)潜能转化计算显示,污泥厌氧消化产甲烷(CH4)后实施热电联产(CHP)可转化的化学能折算电当量仅为0.20 kW·h/m3,只能满足实际运行耗能0.37 kW·h/m3的53.2%。因水源热泵可转换热能(全部出水,4 oC温差)1.77 kW·h/m3(供热)/1.18 kW·h/m3(制冷),所以利用不到15%的出水量(供热9.8%、制冷14.7%)即可弥补46.8%碳中和运行赤字能量。总之,实例厂供热时出水热能与化学能所占总潜能值比例分别为90%和10%;折算电当量后,总潜能值为1.97 kW·h/m3。
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有关污水化学能与热能计算显示,城市污水中所蕴含的潜能(化学能+热能)值可达污水处理耗能的9~10倍。同时也有人指出,城市污水中化学能约占总潜能值的10%,而90%的污水潜能由热量产生;美国原污水中废热和化学能含量约为1500亿kW·h,其中80%为废热,20%为化学能。然而,这些被定量的污水潜能值在文献中很难找到具体的估算方法或计算有误,对大多数人来说似乎还是一个比较模糊的估计值,仍属于“定性”范围。6 y5 e; @& x, P3 Y1 k2tech.cn
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1  污水潜能理论计算( U8 c: d9 w' |3 A  o2tech.cn
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1.1 化学能计算
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' o4 c6 R0 e1 g" Q: ~) M$ {有关污水有机物中蕴含的化学能,一些研究者从不同角度进行过定量评估。化学能评估大都基于生活污水所含有机物的COD值,以两种方式表征:1)单位COD含能值;2)单位(m3)水量COD化学潜能值。本研究采用第二种方式计算污水有机物理论化学潜能值。污水有机物最大理论化学潜能值是指污水所含COD全部提取(不含微生物分解)并转化为甲烷(CH4)的能量值,且不考虑转化过程的实际能量损失。假如城市污水COD含量为400 mg/L,所含化学能可按CH4氧化计量方程计算,见化学计量式(1)。
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8 [8 `8 ?7 v8 `, ^1 k7 I% w  T4 T 环境学社2.jpg ) \+ N: w1 t( K2tech.cn

( z7 @& a; y+ t根据公式(1),0.25 g CH4氧化需要消耗1 g O2。换句话说,1 g COD可以产生0.25 g CH4。据此,COD=400 mg/L的污水每m3可产CH4理论量为:
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* l: l5 Q* s; i0 z2 \' t因为CH4燃烧热为50200 kJ/kg,所以,当污水COD含量为400 mg/L时,每m3污水理论最大化学潜能值为:
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. v( i1 U+ K0 V2 U) L0 q1 b7 X+ F污水化学能显然取决于进水COD浓度,不同COD浓度下每m3污水所能获取的理论最大化学潜能值可根据表1能源换算关系转变成电当量,具体计算结果如图1所示。具体而言,COD=400 mg/L时转换的电当量为0.56 kW·h/m3。5 Y* Q; V0 C9 U9 l2tech.cn

) n6 U; i: ?# n9 c. e表1  能源换算关系1 ~8 E8 }  r  }4 W% Y+ n* E2tech.cn
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3 y: d; |6 g1 \$ m. G! x" O1.2 热能计算
& O% R( h( O. e' v
& Q6 z. R( b) l污水处理厂出水流量、水质一般较为稳定,且水温变化不大,夏季在20~24 ℃之间(低于空气环境温度),冬季处于10~15 ℃范围(高于空气环境温度)。因此,非常适合应用水源热泵工程。城市污水中所赋存的理论冷/热量可用(4)式计算。  v* V, k8 k' C$ @2tech.cn

. x$ W' L- C& f/ P4 M8 Z, x2 O9 W 环境学社6.jpg + ~( Y4 ?, W( P2 u1 U1 [" {2tech.cn
式中:A—城市污水冷/热量,kJ, a5 q! ~% R! C8 [  ]. i( b& D2tech.cn
M—污水质量,kg
  o8 D/ V. n( {, l  u1 TΔt—污水进出水源热泵机组温差,℃8 E8 A% i! Z' d1 r2tech.cn
C—污水比热容,计算时取比热容4.18 kJ/(kg·℃)+ E1 m9 O" z6 K5 j; F8 q2tech.cn
若取污水热能温差为4 ℃,则每m3污水中所含理论热能值为:) }$ c, G0 ?: C! ?; T# B2tech.cn
, }! Y# O2 j& A2 g2tech.cn
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将每m3污水中所含热能值根据表1能源换算关系转变成电当量为1.85 kW·h/m3。* q/ M! s* a1 E2 D2 t( I2tech.cn
  t& `  i) b7 S/ n/ I* U0 o4 r2tech.cn
1.3 热能与化学能比值, T+ d; x% B% O9 s* \$ B3 D2tech.cn
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图1  不同COD浓度下污水热能与化学能比值以及每m3污水所含化学潜能理论值' C) t; |; O& i. F2tech.cn

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2  污水处理厂潜能转化计算

+ @3 S1 ?: r4 f- H" |$ e7 @# k
7 f/ g! q! C' o8 c! g2.1 化学能转化计算& i" Q, b# W( B. U+ o2tech.cn
. d8 s) d7 V' t( n1 P) K, d2tech.cn
不同污水处理工艺因运行工况和所需设备不同导致处理过程耗能以及最终可回收的能量存在一定差异。本研究以目前包括脱氮除磷在内而广泛使用的A2/O工艺为蓝本,根据之前已构建的能量转化物料平衡,参考图2所示的流程编号建立计算公式。假设污泥厌氧消化产生的沼气以热电联产(CHP)方式利用,并以此计算化学能转化值,主要计算公式列于表2;其中,能量消耗定义为正,能量回收显示为负。
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: N8 _1 O' n# G2 S; Z. D图2    化学能转化模型参考工艺流程. c4 q( y* k" {2 k* T2tech.cn
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  a( Z/ P, p( T. I9 U+ y+ n9 n/ H! M5 X2 X. F  n2tech.cn
表2  化学能转化计算公式8 `" T1 `: v( j) g2tech.cn
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7 _# O. v1 P& G% ?) z2.2  热能转化计算 * e4 {2 @. j; T) c7 m2tech.cn
水源热泵总供热量/制冷量可用式(6)计算。: L. w% I1 Z$ N7 L6 ^2tech.cn

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( i" I8 W. z& K  ?- R
+ V+ ]* @& f( @; T$ R式中:AR/L—热泵总供热量/制冷量,kJ;下标R/L分别代表供热/制冷工况;
, o: s8 g3 X% C" n2 p- m3 A, }W—热泵所消耗电能对输出热能的贡献值。
  ?- u/ m6 b5 l+ L$ c0 \0 J; \
: ?, H) `% g) e& ?. j! Q! T根据相关研究,W可利用水源热泵供热/制冷系数COP(表示输入1 kW·h电的热量,可以产生多少kW·h的热量,无因次)计算,即A:W:AR/L= COP ±1:1:COP(供热时取“-”,制冷时取“+”);其中,COP表征了水源热泵消耗电能转化热能的能力。$ S" a! N9 m; y% j1 M) a! g" x2tech.cn
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公式(6)中的“±”号选取根据不同目的而异。冬季供热时,因水源热泵消耗电能向污水转化热能,提高了输出热能值,所以取“+”,夏季制冷时,水源热泵消耗电能向污水转化热能为负,降低了输出热能值,因此取“-”。
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精彩评论1

 楼主| 学社技术 发表于 2019-9-2 12:57 | 显示全部楼层
3  案例计算、分析
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5 s; s, }/ b& S& ~4 t. c污水实际可以获得的潜能与所处地域、工艺选择、处理规模有关。本研究以具有地域代表性的北方城市北京为例,选择目前广泛采用的A2/O工艺,处理规模选大型污水处理厂,根据上述列出的化学能。& S2 X7 K: x" E! R2tech.cn

; b1 x/ [( b. d2 ~7 Z3.1  案例污水处理厂概况
7 m, M- Y% ^9 k; V& h$ Y: v$ c" N7 l' u3 k7 k0 H# L1 a2tech.cn
北京某市政污水处理厂采用A2/O工艺,处理规模为60万m3/d。该厂全年平均进/出水水质以及相关运行参数列于表3。初沉与剩余污泥经过厌氧消化稳定后脱水减量,厌氧消化池产生的沼气假定通过热电联产(CHP)加以利用。0 H1 Z0 d4 p% s& y. H8 T2tech.cn
表3  案例污水处理厂水质及运行参数$ H+ ?! z; I5 Z  ]2tech.cn
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! J1 M% Y3 ~1 D; q6 u/ u3.2  化学能转化计算
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, I, r# g8 l2 X6 P) P根据之前已经建立的物料平衡模型,物料衡算中不考虑污泥外回流和混合液内回流,忽略初沉池和二沉池排泥对水量的影响,并假定初沉池对COD截留不影响后续脱氮除磷效果,亦不考虑曝气池内COD挥发损失,对案例厂进行物料衡算,得出厌氧消化池中产生甲烷量Sm=23.64 kg COD/m3。  j8 ?! w+ B: T  [2 C& \2tech.cn
% ]. B+ I; p, |5 f! ~7 ?2tech.cn
据此,再根据表2相关计算公式,可对化学能转化进行计算,其中,c=4200 J/(kg·℃),ρ=1020 kg/m3,α=0.8。案例厂厌氧消化池设计进泥量为3000 m3/d,Q8-9=Q7-8=3000 m3/d。因为在消化池中溶解性COD(SCOD)并不能完全被降解(我国SCOD在消化池中的平均降解率为0.6),厌氧消化产沼气热电联产的效率一般在65~90%(计算取值80%),所以,最后可得出案例厂工艺化学能转化计算结果,列入表4。
, T1 {* s( S. R! ?, ]/ ?" I: E7 c: S: r5 @) b4 K# @1 L7 M' v2tech.cn
表4    案例污水处理厂工艺化学能转化计算结果
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$ j4 w2 B# b7 I% @& E: a; H2tech.cn
表4计算结果显示,污泥厌氧消化产CH4如果实施热电联产,所产生的能量远高于厌氧消化池加热所投入的能量,即,污泥厌氧消化确实是一种能量转化并输出的必要单元。产生的净能量也就是污水有机物在完成基本污染物去除功能(脱氮除磷兼COD去除)后所获得的实际化学能,可以抵消曝气、回流、消化池加热等环节的能量消耗,以减少对外部能源的依赖。
8 |4 g: ?9 h. Y$ U4 J& }" V5 _8 K* b$ \7 \2tech.cn
3.3 热能转化计算
/ F2 U$ ?3 d- m: s
6 V6 s- ]6 O9 ^4 x6 G6 L* f5 l8 Q案例厂出水流量、水质均较为稳定;水温变化不大,夏季在20~24 ℃之间(低于空气环境温度),冬季处于10~15 ℃范围(高于空气环境温度)。因此,非常适合应用水源热泵工程。利用公式(4),取用案例厂处理后的出水(60万m3),提取温差设定Δt=4 ℃,则案例厂每天出水所含热量计算如下:" m  n( {5 p! o2tech.cn
郝晓地:国内污水潜能定量计算3 y4 O) a+ l) I) b8 W' y) t2tech.cn
根据综合公式(6)和COP定义得到热泵实际供热量/制冷量的变形计算公式(8)。
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" G1 _; B- @: B2 T1 ~4 T( z 环境学社3.jpg 7 z9 R: r# k$ _& m8 A2tech.cn

! G& w' ~! j) I计算中,分别取热泵机组供热COP为3.5、制冷COP为4.8,利用公式(7)、(8)以及表1中能源换算关系,可计算系统可获取的热/冷量、系统供热/制冷时机组实际能耗,计算结果见表5。
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8 }# \/ F8 r  V  Z表5  水源热泵系统利用案例厂出水可产生的当量电量
% C. M' \8 U0 \* _# n5 Z2 B 环境学社4.jpg 5 I* h; C0 d# O  d2 H# P  ~& E2tech.cn
, W3 `! X7 a! \6 W2tech.cn
表5显示,水源热泵系统在供热工况下,每消耗494211 kW·h电量,可产生1556544 kW·h的电当量,热泵机组每天净产出电当量1062333 kW·h。在制冷工况下,每消耗213022 kW·h电量,可产生920179 kW·h电当量,热泵机组每天净产能电当量707157 kW·h。可见,案例厂如果采用水源热泵系统,节能与能量回收效果非常明显。9 D; T8 v6 l) |; z8 ?8 e4 P. w2tech.cn

& v+ i3 ^7 C' q8 ?. @综上所述,将水源热泵系统从污水中获取的热能与污泥厌氧消化产CH4后热电联产转化的化学能相比,热能显著高于化学能;供热时热能与化学能比值为1 062333/118056=9.0,制冷时热能与化学能的比值为707157/118 056=6.0。
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- p! F/ K( t% g- i3.4  潜能评价与碳中和运行; ^1 ^$ {4 g* |$ Q. @( f2tech.cn

* B8 g& y3 ^: j  R2 }8 Q2 s为评价污水可获潜能与污水处理碳中和运行的可行性,将上述案例厂每天经转化可获得的潜能值与实际运行耗能进行比较,数据列于表6,其中,输入为正,输出为负,能量单位kW·h。$ @( a' R- N8 D6 ~+ \2tech.cn

1 [+ n. L0 _" P; }, p) v$ r0 x表6    案例厂能耗及可获化学能0 k3 M+ ?- H2 H" J2tech.cn
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6 Q) }. d5 O, Z7 H4 z- T! ?' j
2 P8 r% o8 M1 }; W1 T表6显示,案例厂实际运行时每天总能耗为221945 kW·h。这表明,经热电联产产生的化学能只能满足该厂曝气、回流、厌氧池加热等主要耗能单元的53.2%,并不能涵盖全部运行能耗。但是,如果用水源热泵弥补46.8%碳中和运行能量赤字,每天只需使用5.9万m3(供热时)和8.8万m3(制冷时)的出水,仅相当于60万m3/d处理水量的9.8%和14.7%。也就是说,只需利用不足15%的出水热量即可弥补化学能在实现碳中和运行时的能量赤字。可见,污水余温所含能量之巨大,85%的热/冷能可供厂外周边供热/制冷用户使用。
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案例厂实际运行能耗为0.37 kW·h/m3;热电联产转化的化学能电当量为0.20 kW·h/m3;供热/制冷时(全部出水)热能电当量分别为1.77 kW·h/m3和1.18 kW·h/m3。电当量折算表明,供热时化学能与热能潜能值合计为1.97 kW·h/m3,制冷时合计为1.38 kW·h/m3。
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污水有机物化学能与余温热能计算表明,污水中确实蕴含着巨大的潜在能量。污水所含化学能、热能理论值虽然前者小于后者,但相差倍数不大,取决于进水COD浓度。如果进水COD=400 mg/L,与获取4 ℃余温差热量相比,热能约为化学能的3.33倍。6 ?+ J  Z  y2 _2tech.cn

0 _% K. S3 }( j5 i: Z然而,有机物化学能在实际能量转化过程中有相当一部分不能回收(如COD氧化分解至CO2部分,即分解)或散失(受限于能量转化效率)。实际案例计算表明,以水源热泵转化同样温差(4 ℃)热能实际可获取的热/冷量分别是污泥厌氧消化产甲烷(CH4)后热电联产(CHP)可获得化学能的9.0倍(供热)和6.0倍(制冷),即供热时污水热能与化学能所占比例大约为90%和10%,与国际专家声称值(90%和10%)完全一致。8 w; f/ a) t2 U2tech.cn
1 y6 Y3 e* o" t1 M) R2tech.cn
污水潜能折算电当量后显示,热电联产转化的化学能电当量为0.20 kW·h/m3,而供热/制冷时(全部出水)电当量分别为1.77 kW·h/m3和1.18 kW·h/m3。电当量折算表明,供热时化学能与热能潜能值合计1.97 kW·h/m3,制冷时合计1.38 kW·h/m3。; ~2 T; l/ F2 q2tech.cn

6 y; ~" d; [- p3 j& z$ V) P' h; g案例厂实际运行能耗为0.37 kW·h/m3,上述经转化后可获得的有机物化学能(0.20 kW·h/m3)仅能满足碳中和运行能量需求的53.2%。碳中和赤字能量(46.8%)利用不足15%(供热9.8%/制冷14.7%)的出水量中热能即可获得满足。
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污水潜能计算结果预示着我国污水处理行业若要实现碳中和运行,仅靠有机物化学能是远远不够的,必须就近考虑利用潜在、巨大的污水余温热能。诚然,污水热能是一种低品位能量,不可能用于发电目的,只能直接、近距离热/冷量利用。这就需要市政热力规划进行全盘考虑,将污水处理厂大部分热能提取而供出厂外,用以交换自身碳中和运行赤字电量。: \9 H4 t. p0 z0 X( X2tech.cn
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本帖最后由 学社技术 于 2019-9-2 12:59 编辑 $ j( m; ]8 H  n' t$ M) n2tech.cn
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