城市污水處理工藝能量平衡分析研究和應(yīng)用.pdf

1、建造城市污水處理廠是解決城市水污染問(wèn)題最重要和最有效的技術(shù)措施，但由于處理設(shè)施基建和運(yùn)營(yíng)費(fèi)用高昂，能源消耗量大，使這一進(jìn)程在我國(guó)的推進(jìn)受到制約。城市污水處理工藝能耗能效研究雖起步較早，卻發(fā)展緩慢，特別在國(guó)內(nèi)未引起足夠的重視。迄今為止，該領(lǐng)域的基本理論、研究方法和研究框架在國(guó)際、國(guó)內(nèi)還無(wú)統(tǒng)一的認(rèn)識(shí)。 本研究以有機(jī)污染物降解的熱力學(xué)分析和微生物能量利用的熱力學(xué)原理為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)了水質(zhì)指標(biāo)與能量指標(biāo)的耦合，建立了城市污水處理工藝能量平衡

2、分析的理論模型和能量平衡技術(shù)指標(biāo)體系的框架，提出了處理廠能效評(píng)價(jià)的方法。在該體系的指導(dǎo)下，本文對(duì)數(shù)座城市污水處理廠進(jìn)行了實(shí)例研究并提出了其中一座廠的節(jié)能運(yùn)行方案，通過(guò)生產(chǎn)性實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了方案的可行性與可靠性。主要工作和結(jié)論如下： (1)本文在對(duì)我國(guó)城市污水處理典型工藝能量利用現(xiàn)狀考察的基礎(chǔ)上，概括分析了國(guó)內(nèi)常見(jiàn)污水污泥處理工藝的耗能特點(diǎn)、處理廠常用設(shè)備裝置和工藝過(guò)程的耗能水平，并對(duì)直接能耗(主要是電耗)費(fèi)用與全廠運(yùn)轉(zhuǎn)費(fèi)用的關(guān)系作了

3、定性評(píng)估。 (2)本文根據(jù)化工熱力學(xué)和生物熱力學(xué)的相關(guān)理論，對(duì)有機(jī)物代謝的能量轉(zhuǎn)移、ATP在分解代謝和合成代謝中的耦聯(lián)作用等作了概括和歸納，并對(duì)細(xì)胞增殖的熱力學(xué)模型作了分析。污水處理工藝過(guò)程遵守?zé)崃W(xué)基本定律；在生物反應(yīng)器系統(tǒng)中發(fā)生的是不可逆過(guò)程，能量利用存在損失；可以依據(jù)化工熱力學(xué)和生物熱力學(xué)的基本理論建立污水處理工藝的能量平衡分析方法。 (3)本文完善了污染物化學(xué)能的概念和計(jì)算方法。按照所依據(jù)的熱力學(xué)定律，污染物化學(xué)

4、能分為化學(xué)焓與化學(xué)()。在化學(xué)能量變與質(zhì)變的不同層面上，本文建立了污染物化學(xué)焓和化學(xué)()與常規(guī)水質(zhì)指標(biāo)COD和TOC的定量關(guān)系，實(shí)現(xiàn)了污染物濃度指標(biāo)與能量指標(biāo)的耦合：污水有機(jī)污染物水質(zhì)指標(biāo)與化學(xué)焓的關(guān)系為：hch=13.91kJ/gCOD，即每g有機(jī)物可測(cè)定的COD包含13.91kJ的化學(xué)焓；微生物細(xì)胞的平均化學(xué)焓含量為22.15kJ/gVSS；污水有機(jī)污染物水質(zhì)指標(biāo)與化學(xué)()的關(guān)系為E0xc=13.825kJ/gCOD，即每g有機(jī)物可

5、測(cè)定的COD包含13.825kJ的化學(xué)()；微生物細(xì)胞的平均化學(xué)()含量為22.605kJ/gVSS。 (4)本研究在國(guó)內(nèi)首次建立了污水生物處理單元能量衡算的黑箱模型和()平衡分析的灰箱模型，這兩個(gè)模型統(tǒng)一了處理流程外部能源消耗與內(nèi)部能量變遷的表達(dá)方式。結(jié)合采用上述兩類能量分析法(焓和())考察了目前國(guó)內(nèi)常用的四種二級(jí)處理工藝的實(shí)際運(yùn)行和用能情況。焓衡算從用能結(jié)構(gòu)上剖析了各處理廠能量形態(tài)的變化和流向，()分析方法明確了能量質(zhì)的損

6、耗發(fā)生的位置和途徑。本研究提出和建立了評(píng)價(jià)城市污水處理廠能量利用和回收效率的技術(shù)指標(biāo)體系(包括單耗指標(biāo)、綜合能耗指標(biāo)、利用率指標(biāo)和回收率指標(biāo))，并對(duì)比能耗指標(biāo)與熱效率指標(biāo)的實(shí)際應(yīng)用進(jìn)行了對(duì)比。結(jié)論認(rèn)為：能量利用率指標(biāo)較之比能耗指標(biāo)更為客觀和嚴(yán)密，有助于指導(dǎo)現(xiàn)有污水廠具體進(jìn)行節(jié)能降耗。 (5)基于上述能量分析方法，在某二級(jí)污水處理廠進(jìn)行了應(yīng)用并指導(dǎo)其運(yùn)轉(zhuǎn)方式改造的實(shí)踐。對(duì)該廠的污水生物處理單元進(jìn)行了連續(xù)進(jìn)出水、間歇曝氣運(yùn)轉(zhuǎn)方式的生