城市污水处理工艺能量平衡分析研究和应用

【摘要】： 建造城市污水处理厂是解决城市水污染问题最重要和最有效的技术措施，但由于处理设施基建和运营费用高昂，能源消耗量大，使这一进程在我国的推进受到制约。城市污水处理工艺能耗能效研究虽起步较早，却发展缓慢，特别在国内未引起足够的重视。迄今为止，该领域的基本理论、研究方法和研究框架在国际、国内还无统一的认识。 本研究以有机污染物降解的热力学分析和微生物能量利用的热力学原理为基础，实现了水质指标与能量指标的耦合，建立了城市污水处理工艺能量平衡分析的理论模型和能量平衡技术指标体系的框架，提出了处理厂能效评价的方法。在该体系的指导下，本文对数座城市污水处理厂进行了实例研究并提出了其中一座厂的节能运行方案，通过生产性实验，验证了方案的可行性与可靠性。主要工作和结论如下： (1)本文在对我国城市污水处理典型工艺能量利用现状考察的基础上，概括分析了国内常见污水污泥处理工艺的耗能特点、处理厂常用设备装置和工艺过程的耗能水平，并对直接能耗(主要是电耗)费用与全厂运转费用的关系作了定性评估。 (2)本文根据化工热力学和生物热力学的相关理论，对有机物代谢的能量转移、ATP在分解代谢和合成代谢中的耦联作用等作了概括和归纳，并对细胞增殖的热力学模型作了分析。污水处理工艺过程遵守热力学基本定律；在生物反应器系统中发生的是不可逆过程，能量利用存在损失；可以依据化工热力学和生物热力学的基本理论建立污水处理工艺的能量平衡分析方法。 (3)本文完善了污染物化学能的概念和计算方法。按照所依据的热力学定律，污染物化学能分为化学焓与化学(火用)。在化学能量变与质变的不同层面上，本文建立了污染物化学焓和化学(火用)与常规水质指标COD和TOC的定量关系，实现了污染物浓度指标与能量指标的耦合：污水有机污染物水质指标与化学焓的关系为：h_(ch)=13.91kJ/gCOD，即每g有机物可测定的COD包含13.91kJ的化学焓；微生物细胞的平均化学焓含量为22.15kJ/gVSS；污水有机污染物水质指标与化学(火用)的关系为E_(xc)~0=13.825kJ/gCOD，即每g有机物可测定的COD包含13.825kJ的化学(火用)；微生物细胞的平均化学(火用)含量为22.605kJ/gVSS。 (4)本研究在国内首次建立了污水生物处理单元能量衡算的黑箱模型和(火用)平衡分析的灰箱模型，这两个模型统一了处理流程外部能源消耗与内部能量变迁的表达方式。结合采用上述两类能量分析法(焓和(火用))考察了目前国内常用的四种二级处理工艺的实际运行和用能情况。焓衡算从用能结构上剖析了各处 重庆大学博士学位论文 理厂能量形态的变化和流向，佣分析方法明确了能量质的损耗发生的位置和 途径。本研究提出和建立了评价城市污水处理厂能量利用和口收效率的技术 指标体系（包括单耗指标、综合能耗指标、利用率指标和回收率指林），并对 比能耗指标与热效率指标的实际应用进行了对比。结论认为：能量利用率指 标较之比能耗指标更为客观和严密，有助于指导现有污水厂具体进行节能降 耗。 K）基于上述能量分析方法，在某二级污水处理厂进行了应用并指导其运转方式 改造的实践。对该厂的污水生物处理单元进行了连续进出水、间歇曝气运转 方式的生产性试验研究。对经试验后推荐的运行工况进行了能量平衡分析和 用能评价，得出如下结论：能量平衡分析方法可以方便地确定能源在处理系 统或设备中转化、传递和散逸的情况；问歇曝气工艺显著提高了污水生物处 理单元的能量利用率和佣效率，其用能结构较为合理：该运转方式的能耗降 低主要来自于外部佣损夫的减少，同时污泥减量明显；连续流间歇曝气工艺 能取得优良的出水水质，并具备良好的脱氮能力。

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