截至目前，國(guó)內(nèi)尚未發(fā)現(xiàn)對(duì)污水中潛能進(jìn)行定量計(jì)算的報(bào)道，對(duì)于污水潛能大多引用國(guó)外數(shù)據(jù)，并引發(fā)一些質(zhì)疑。為此，北京建筑大學(xué)中—荷未來(lái)污水處理技術(shù)研發(fā)中心郝曉地教授團(tuán)隊(duì)試圖通過(guò)之前已建立的能量平衡與計(jì)算模型，分別定量計(jì)算污水中蘊(yùn)含的化學(xué)能與熱能含量，以詮釋污水潛能的蘊(yùn)藏量以及可以回收利用的價(jià)值，讓業(yè)內(nèi)人士真正了解污水潛能的來(lái)源與豐量。

郝曉地(1960-)，山西柳林人，教授，從事市政與環(huán)境工程專業(yè)教學(xué)與科研工作，主要研究方向?yàn)槲鬯锩摰准夹g(shù)、污水處理數(shù)學(xué)模擬技術(shù)、可持續(xù)環(huán)境生物技術(shù)。 現(xiàn)為國(guó)際水協(xié)期刊《Water Research》區(qū)域主編(Editor)。

污水中含有有機(jī)物(COD)化學(xué)能和余溫?zé)崮?，但這種潛能一直不被人們所重視。計(jì)算表明，污水所含化學(xué)能、熱能理論值雖然前者小于后者，但相差倍數(shù)(3.33)不大，取決于進(jìn)水COD濃度。然而，COD化學(xué)能在能量轉(zhuǎn)化過(guò)程中有相當(dāng)一部分并不能回收或受限于能量轉(zhuǎn)化效率而不能全部轉(zhuǎn)化。對(duì)某實(shí)際污水處理廠(COD=400 mg/L)潛能轉(zhuǎn)化計(jì)算顯示，污泥厭氧消化產(chǎn)甲烷(CH4)后實(shí)施熱電聯(lián)產(chǎn)(CHP)可轉(zhuǎn)化的化學(xué)能折算電當(dāng)量?jī)H為0.20 kW˙h/m3，只能滿足實(shí)際運(yùn)行耗能0.37 kW˙h/m3的53.2%。因水源熱泵可轉(zhuǎn)換熱能(全部出水，4 oC溫差)1.77 kW˙h/m3(供熱)/1.18 kW˙h/m3(制冷)，所以利用不到15%的出水量(供熱9.8%、制冷14.7%)即可彌補(bǔ)46.8%碳中和運(yùn)行赤字能量。總之，實(shí)例廠供熱時(shí)出水熱能與化學(xué)能所占總潛能值比例分別為90%和10%;折算電當(dāng)量后，總潛能值為1.97 kW˙h/m3。

有關(guān)污水化學(xué)能與熱能計(jì)算顯示，城市污水中所蘊(yùn)含的潛能(化學(xué)能+熱能)值可達(dá)污水處理耗能的9~10倍。同時(shí)也有人指出，城市污水中化學(xué)能約占總潛能值的10%，而90%的污水潛能由熱量產(chǎn)生;美國(guó)原污水中廢熱和化學(xué)能含量約為1500億kW˙h，其中80%為廢熱，20%為化學(xué)能。然而，這些被定量的污水潛能值在文獻(xiàn)中很難找到具體的估算方法或計(jì)算有誤，對(duì)大多數(shù)人來(lái)說(shuō)似乎還是一個(gè)比較模糊的估計(jì)值，仍屬于“定性”范圍。

1 污水潛能理論計(jì)算

1.1

化學(xué)能計(jì)算有關(guān)污水有機(jī)物中蘊(yùn)含的化學(xué)能，一些研究者從不同角度進(jìn)行過(guò)定量評(píng)估。化學(xué)能評(píng)估大都基于生活污水所含有機(jī)物的COD值，以兩種方式表征：1)單位COD含能值;2)單位(m3)水量COD化學(xué)潛能值。本研究采用第二種方式計(jì)算污水有機(jī)物理論化學(xué)潛能值。污水有機(jī)物最大理論化學(xué)潛能值是指污水所含COD全部提取(不含微生物分解)并轉(zhuǎn)化為甲烷(CH4)的能量值，且不考慮轉(zhuǎn)化過(guò)程的實(shí)際能量損失。假如城市污水COD含量為400 mg/L，所含化學(xué)能可按CH4氧化計(jì)量方程計(jì)算，見(jiàn)化學(xué)計(jì)量式(1)。

根據(jù)公式(1)，0.25 g CH4氧化需要消耗1 g O2。換句話說(shuō)，1 g COD可以產(chǎn)生0.25 g CH4。據(jù)此，COD=400 mg/L的污水每m3可產(chǎn)CH4理論量為：

因?yàn)镃H4燃燒熱為50200 kJ/kg，所以，當(dāng)污水COD含量為400 mg/L時(shí)，每m3污水理論最大化學(xué)潛能值為：

污水化學(xué)能顯然取決于進(jìn)水COD濃度，不同COD濃度下每m3污水所能獲取的理論最大化學(xué)潛能值可根據(jù)表1能源換算關(guān)系轉(zhuǎn)變成電當(dāng)量，具體計(jì)算結(jié)果如圖1所示。具體而言，COD=400 mg/L時(shí)轉(zhuǎn)換的電當(dāng)量為0.56 kW˙h/m3。

表1 能源換算關(guān)系

1.2

熱能計(jì)算污水處理廠出水流量、水質(zhì)一般較為穩(wěn)定，且水溫變化不大，夏季在20~24 ℃之間(低于空氣環(huán)境溫度)，冬季處于10~15 ℃范圍(高于空氣環(huán)境溫度)。因此，非常適合應(yīng)用水源熱泵工程。城市污水中所賦存的理論冷/熱量可用(4)式計(jì)算。

式中：A—城市污水冷/熱量，kJ

M—污水質(zhì)量，kg

Δt—污水進(jìn)出水源熱泵機(jī)組溫差，℃

C—污水比熱容，計(jì)算時(shí)取比熱容4.18 kJ/(kg˙℃)

若取污水熱能溫差為4 ℃，則每m3污水中所含理論熱能值為：

將每m3污水中所含熱能值根據(jù)表1能源換算關(guān)系轉(zhuǎn)變成電當(dāng)量為1.85 kW˙h/m3。

1.3

熱能與化學(xué)能比值

圖1 不同COD濃度下污水熱能與化學(xué)能比值以及每m3污水所含化學(xué)潛能理論值

2 污水處理廠潛能轉(zhuǎn)化計(jì)算

2.1

化學(xué)能轉(zhuǎn)化計(jì)算不同污水處理工藝因運(yùn)行工況和所需設(shè)備不同導(dǎo)致處理過(guò)程耗能以及最終可回收的能量存在一定差異。本研究以目前包括脫氮除磷在內(nèi)而廣泛使用的A2/O工藝為藍(lán)本，根據(jù)之前已構(gòu)建的能量轉(zhuǎn)化物料平衡，參考圖2所示的流程編號(hào)建立計(jì)算公式。假設(shè)污泥厭氧消化產(chǎn)生的沼氣以熱電聯(lián)產(chǎn)(CHP)方式利用，并以此計(jì)算化學(xué)能轉(zhuǎn)化值，主要計(jì)算公式列于表2;其中，能量消耗定義為正，能量回收顯示為負(fù)。

圖2 化學(xué)能轉(zhuǎn)化模型參考工藝流程

表2 化學(xué)能轉(zhuǎn)化計(jì)算公式

2.2

熱能轉(zhuǎn)化計(jì)算 水源熱泵總供熱量/制冷量可用式(6)計(jì)算。

式中：AR/L—熱泵總供熱量/制冷量，kJ;下標(biāo)R/L分別代表供熱/制冷工況;

W—熱泵所消耗電能對(duì)輸出熱能的貢獻(xiàn)值。

根據(jù)相關(guān)研究，W可利用水源熱泵供熱/制冷系數(shù)COP(表示輸入1 kW˙h電的熱量，可以產(chǎn)生多少kW˙h的熱量，無(wú)因次)計(jì)算，即A:W:AR/L= COP ±1:1:COP(供熱時(shí)取“-”，制冷時(shí)取“+”);其中，COP表征了水源熱泵消耗電能轉(zhuǎn)化熱能的能力。

公式(6)中的“±”號(hào)選取根據(jù)不同目的而異。冬季供熱時(shí)，因水源熱泵消耗電能向污水轉(zhuǎn)化熱能，提高了輸出熱能值，所以取“+”，夏季制冷時(shí)，水源熱泵消耗電能向污水轉(zhuǎn)化熱能為負(fù)，降低了輸出熱能值，因此取“-”。

3 案例計(jì)算、分析

污水實(shí)際可以獲得的潛能與所處地域、工藝選擇、處理規(guī)模有關(guān)。本研究以具有地域代表性的北方城市北京為例，選擇目前廣泛采用的A2/O工藝，處理規(guī)模選大型污水處理廠，根據(jù)上述列出的化學(xué)能、

3.1

案例污水處理廠概況北京某市政污水處理廠采用A2/O工藝，處理規(guī)模為60萬(wàn)m3/d。該廠全年平均進(jìn)/出水水質(zhì)以及相關(guān)運(yùn)行參數(shù)列于表3。初沉與剩余污泥經(jīng)過(guò)厭氧消化穩(wěn)定后脫水減量，厭氧消化池產(chǎn)生的沼氣假定通過(guò)熱電聯(lián)產(chǎn)(CHP)加以利用。

表3 案例污水處理廠水質(zhì)及運(yùn)行參數(shù)

3.2

化學(xué)能轉(zhuǎn)化計(jì)算

根據(jù)之前已經(jīng)建立的物料平衡模型，物料衡算中不考慮污泥外回流和混合液內(nèi)回流，忽略初沉池和二沉池排泥對(duì)水量的影響，并假定初沉池對(duì)COD截留不影響后續(xù)脫氮除磷效果，亦不考慮曝氣池內(nèi)COD揮發(fā)損失，對(duì)案例廠進(jìn)行物料衡算，得出厭氧消化池中產(chǎn)生甲烷量Sm=23.64 kg COD/m3。

據(jù)此，再根據(jù)表2相關(guān)計(jì)算公式，可對(duì)化學(xué)能轉(zhuǎn)化進(jìn)行計(jì)算，其中，c=4200 J/(kg˙℃)，ρ=1020kg/m3，α=0.8。案例廠厭氧消化池設(shè)計(jì)進(jìn)泥量為3000 m3/d，Q8-9=Q7-8=3000 m3/d。因?yàn)樵谙刂腥芙庑訡OD(SCOD)并不能完全被降解(我國(guó)SCOD在消化池中的平均降解率為0.6)，厭氧消化產(chǎn)沼氣熱電聯(lián)產(chǎn)的效率一般在65~90%(計(jì)算取值80%)，所以，最后可得出案例廠工藝化學(xué)能轉(zhuǎn)化計(jì)算結(jié)果，列入表4。

表4 案例污水處理廠工藝化學(xué)能轉(zhuǎn)化計(jì)算結(jié)果

表4計(jì)算結(jié)果顯示，污泥厭氧消化產(chǎn)CH4如果實(shí)施熱電聯(lián)產(chǎn)，所產(chǎn)生的能量遠(yuǎn)高于厭氧消化池加熱所投入的能量，即，污泥厭氧消化確實(shí)是一種能量轉(zhuǎn)化并輸出的必要單元。產(chǎn)生的凈能量也就是污水有機(jī)物在完成基本污染物去除功能(脫氮除磷兼COD去除)后所獲得的實(shí)際化學(xué)能，可以抵消曝氣、回流、消化池加熱等環(huán)節(jié)的能量消耗，以減少對(duì)外部能源的依賴。

3.3

熱能轉(zhuǎn)化計(jì)算案例廠出水流量、水質(zhì)均較為穩(wěn)定;水溫變化不大，夏季在20~24 ℃之間(低于空氣環(huán)境溫度)，冬季處于10~15 ℃范圍(高于空氣環(huán)境溫度)。因此，非常適合應(yīng)用水源熱泵工程。利用公式(4)，取用案例廠處理后的出水(60萬(wàn)m3)，提取溫差設(shè)定Δt=4 ℃，則案例廠每天出水所含熱量計(jì)算如下：

根據(jù)綜合公式(6)和COP定義得到熱泵實(shí)際供熱量/制冷量的變形計(jì)算公式(8)。

計(jì)算中，分別取熱泵機(jī)組供熱COP為3.5、制冷COP為4.8，利用公式(7)、(8)以及表1中能源換算關(guān)系，可計(jì)算系統(tǒng)可獲取的熱/冷量、系統(tǒng)供熱/制冷時(shí)機(jī)組實(shí)際能耗，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 水源熱泵系統(tǒng)利用案例廠出水可產(chǎn)生的當(dāng)量電量

表5顯示，水源熱泵系統(tǒng)在供熱工況下，每消耗494211 kW˙h電量，可產(chǎn)生1556544 kW˙h的電當(dāng)量，熱泵機(jī)組每天凈產(chǎn)出電當(dāng)量1062333 kW˙h。在制冷工況下，每消耗213022 kW˙h電量，可產(chǎn)生920179 kW˙h電當(dāng)量，熱泵機(jī)組每天凈產(chǎn)能電當(dāng)量707157 kW˙h?？梢?jiàn)，案例廠如果采用水源熱泵系統(tǒng)，節(jié)能與能量回收效果非常明顯。

綜上所述，將水源熱泵系統(tǒng)從污水中獲取的熱能與污泥厭氧消化產(chǎn)CH4后熱電聯(lián)產(chǎn)轉(zhuǎn)化的化學(xué)能相比，熱能顯著高于化學(xué)能;供熱時(shí)熱能與化學(xué)能比值為1 062333/118056=9.0，制冷時(shí)熱能與化學(xué)能的比值為707157/118 056=6.0。

3.4

潛能評(píng)價(jià)與碳中和運(yùn)行為評(píng)價(jià)污水可獲潛能與污水處理碳中和運(yùn)行的可行性，將上述案例廠每天經(jīng)轉(zhuǎn)化可獲得的潛能值與實(shí)際運(yùn)行耗能進(jìn)行比較，數(shù)據(jù)列于表6，其中，輸入為正，輸出為負(fù)，能量單位kW˙h。

表6 案例廠能耗及可獲化學(xué)能

表6顯示，案例廠實(shí)際運(yùn)行時(shí)每天總能耗為221945 kW˙h。這表明，經(jīng)熱電聯(lián)產(chǎn)產(chǎn)生的化學(xué)能只能滿足該廠曝氣、回流、厭氧池加熱等主要耗能單元的53.2%，并不能涵蓋全部運(yùn)行能耗。但是，如果用水源熱泵彌補(bǔ)46.8%碳中和運(yùn)行能量赤字，每天只需使用5.9萬(wàn)m3(供熱時(shí))和8.8萬(wàn)m3(制冷時(shí))的出水，僅相當(dāng)于60萬(wàn)m3/d處理水量的9.8%和14.7%。也就是說(shuō)，只需利用不足15%的出水熱量即可彌補(bǔ)化學(xué)能在實(shí)現(xiàn)碳中和運(yùn)行時(shí)的能量赤字?？梢?jiàn)，污水余溫所含能量之巨大，85%的熱/冷能可供廠外周邊供熱/制冷用戶使用。

案例廠實(shí)際運(yùn)行能耗為0.37 kW˙h/m3;熱電聯(lián)產(chǎn)轉(zhuǎn)化的化學(xué)能電當(dāng)量為0.20 kW˙h/m3;供熱/制冷時(shí)(全部出水)熱能電當(dāng)量分別為1.77 kW˙h/m3和1.18 kW˙h/m3。電當(dāng)量折算表明，供熱時(shí)化學(xué)能與熱能潛能值合計(jì)為1.97 kW˙h/m3，制冷時(shí)合計(jì)為1.38 kW˙h/m3。

4 結(jié)語(yǔ)

污水有機(jī)物化學(xué)能與余溫?zé)崮苡?jì)算表明，污水中確實(shí)蘊(yùn)含著巨大的潛在能量。污水所含化學(xué)能、熱能理論值雖然前者小于后者，但相差倍數(shù)不大，取決于進(jìn)水COD濃度。如果進(jìn)水COD=400 mg/L，與獲取4 ℃余溫差熱量相比，熱能約為化學(xué)能的3.33倍。

然而，有機(jī)物化學(xué)能在實(shí)際能量轉(zhuǎn)化過(guò)程中有相當(dāng)一部分不能回收(如COD氧化分解至CO2部分，即分解)或散失(受限于能量轉(zhuǎn)化效率)。實(shí)際案例計(jì)算表明，以水源熱泵轉(zhuǎn)化同樣溫差(4 ℃)熱能實(shí)際可獲取的熱/冷量分別是污泥厭氧消化產(chǎn)甲烷(CH4)后熱電聯(lián)產(chǎn)(CHP)可獲得化學(xué)能的9.0倍(供熱)和6.0倍(制冷)，即供熱時(shí)污水熱能與化學(xué)能所占比例大約為90%和10%，與國(guó)際專家聲稱值(90%和10%)完全一致。

污水潛能折算電當(dāng)量后顯示，熱電聯(lián)產(chǎn)轉(zhuǎn)化的化學(xué)能電當(dāng)量為0.20 kW˙h/m3，而供熱/制冷時(shí)(全部出水)電當(dāng)量分別為1.77 kW˙h/m3和1.18 kW˙h/m3。電當(dāng)量折算表明，供熱時(shí)化學(xué)能與熱能潛能值合計(jì)1.97 kW˙h/m3，制冷時(shí)合計(jì)1.38 kW˙h/m3。

案例廠實(shí)際運(yùn)行能耗為0.37 kW˙h/m3，上述經(jīng)轉(zhuǎn)化后可獲得的有機(jī)物化學(xué)能(0.20 kW˙h/m3)僅能滿足碳中和運(yùn)行能量需求的53.2%。碳中和赤字能量(46.8%)利用不足15%(供熱9.8%/制冷14.7%)的出水量中熱能即可獲得滿足。

污水潛能計(jì)算結(jié)果預(yù)示著我國(guó)污水處理行業(yè)若要實(shí)現(xiàn)碳中和運(yùn)行，僅靠有機(jī)物化學(xué)能是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，必須就近考慮利用潛在、巨大的污水余溫?zé)崮?。誠(chéng)然，污水熱能是一種低品位能量，不可能用于發(fā)電目的，只能直接、近距離熱/冷量利用。這就需要市政熱力規(guī)劃進(jìn)行全盤考慮，將污水處理廠大部分熱能提取而供出廠外，用以交換自身碳中和運(yùn)行赤字電量。

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