劉 杰， 王 軍， 萬 鵬， 郭 煒

(青島理工大學 環(huán)境與市政工程學院， 山東 青島 266033)

由于我國經濟的快速增長，城市的污水處理量與日劇增，相應污泥的量也隨之增多[1-2]，近年來，污泥厭氧消化由于具備回收潛在能量和降低環(huán)境危害的功能成為應用最為廣泛的污泥處理方式[3-4]。大部分污水廠厭氧消化為中溫消化(33℃)，并且產生的沼氣優(yōu)先用于發(fā)電，發(fā)動機的余熱用于消化池和污泥的加熱，不足熱量則由配備的輔助熱源補充。而高溫消化(55℃)因其衛(wèi)生條件好、消化時間短、產氣量較多等優(yōu)點逐漸成為未來發(fā)展的方向。但高溫消化對溫度要求高，需要的加熱量大，目前主要利用燃煤、燃氣鍋爐將污泥加熱至反應溫度，其處理工藝能耗高并造成了大量污染物的排放。因此，高能耗成為厭氧消化系統推廣普及應用的制約因素。

本文設計在污水廠內鋪設太陽能集熱器和高溫水源熱泵，采集太陽能以及中水低位熱能作為輔助熱源加熱污泥，使其高溫厭氧發(fā)酵產生沼氣熱電聯產；對于太陽能不足時，利用高溫水源熱泵從中水里提取熱量加熱污泥,從而實現污泥的高溫厭氧發(fā)酵?；谔柲?高溫水源熱泵供熱的方案下，對污泥高溫厭氧發(fā)酵系統進行綜合評價，期望為此系統推廣應用提供有利參考。

1 工程概況

該污水處理廠服務面積24 km2，工程設計規(guī)模為16萬m3，1期工程于1993 年竣工投產運行，處理工藝采用A-B法，日處理規(guī)模8萬m3，在2010年擴建工程增加8萬的處理能力。污水處理工藝改為MSBR工藝法，出水水質全部達到現行國家城市生活污水一級B排放標準。該污水廠采用額定功率500 kW的燃氣發(fā)電機組，共設有4臺發(fā)電機組。

2 污泥中溫消化-熱電聯產工藝分析

該水廠采用“中溫厭氧消化+熱電聯產”工藝，通過清潔能源沼氣發(fā)電自用以節(jié)省能源；主要利用發(fā)電余熱回收熱能維持中溫厭氧消化運行。

污水處理和污泥厭氧發(fā)酵工藝過程如下：初沉池產生的污泥經過預濃縮池重力濃縮后與MSBR池處理后經重力濃縮和機械濃縮后的剩余污泥混合，進入厭氧消化池進行中溫厭氧消化，一般消化溫度為35℃～38℃，產生的沼氣用于廠內發(fā)電自用；在冬天無法滿足所需熱量的條件時將生成的一部分沼氣用于加熱熱水鍋爐[5]。沼氣熱電聯產現有系統如圖1。

圖1 沼氣熱電聯產現有系統

3 運行參數分析

據資料顯示，我國污泥厭氧發(fā)酵系統幾乎全部采用中溫發(fā)酵，原因主要是中溫發(fā)酵污泥所需要的熱量少，投資較小。本文中青島某污水廠污泥采用的就是中溫發(fā)酵，發(fā)電機組的缸套水熱量和煙氣鍋爐產生的熱量可以基本維持中溫厭氧消化系統的運行。與中溫消化相比，高溫消化時污泥的發(fā)酵時間短，產氣量多，筆者在現有熱電聯產系統的基礎上進行了改進設計，提出了基于污泥厭氧發(fā)酵的太陽能-高溫水源熱泵供熱系統，為高溫發(fā)酵補充熱量[6-7]。

目前我國幾乎沒有污水廠采用污泥高溫消化系統，因此在本設計中筆者根據2016年該污水廠中溫運行的數據推算系統改用高溫消化后系統的運行情況。根據相關文獻[8-11]可知，在相同污泥量的情況下，高溫消化產氣量相較于中溫消化產氣量將提高40%～60%(本文取50%)。依據內燃機的性能曲線，發(fā)電機的運行負荷增加使得內燃機的平均發(fā)電效率提高了4%，但高溫消化管路的熱損失有所提高(由中溫消化的5%提高到10%)。由于全年系統運行影響因素較多，筆者根據中溫時測得新鮮污泥溫度、環(huán)境日平均溫度、單位污泥產沼氣量和沼氣中甲烷含量等影響因素的波動性大小，將污水廠全年運行數據劃分為4個階段，并根據以上推論通過能量守恒定律和質量守恒定律計算出高溫系統沼氣量A，發(fā)電量B,污泥消化需熱量C，回收余熱量D和系統總需熱量E,現將該污水廠的現有系統和高溫污泥厭氧發(fā)酵系統各個階段運行情況進行對比，如圖2～圖5所示。

圖2 階段1中溫系統與高溫系統的運行情況對比

圖3 階段2中溫系統與高溫系統的運行情況對比

圖4 階段3中溫系統與高溫系統的運行情況對比

由圖2～圖5可知，中溫系統污泥能夠基本靠發(fā)電機組的回收余熱保持中溫發(fā)酵，需要外界提供的熱量較少，由于階段1和階段2的新鮮污泥的溫度較高，污泥消化需熱量減少，造成回收的機組余熱量大于系統需熱量?；厥盏臋C組余熱量較中溫系統多32%～50%，高溫系統的總需熱量較大，一方面需要水溫較高，另一方面主要是循環(huán)水進入分水器的水溫有要求(不超過45℃)，循環(huán)水加熱完污泥之后需要繼續(xù)與中水換熱達到合適水溫(44℃)才能進入集水器，造成熱量流失。

圖5 階段4中溫系統與高溫系統的運行情況對比

4 基于污泥厭氧發(fā)酵的沼氣太陽能耦合熱電聯產系統

4.1 系統方案設計

圖6為基于污泥厭氧發(fā)酵的太陽能+高溫水源熱泵供熱系統。

該系統的兩種運行模式如下：

(1)太陽能聯合高溫水源熱泵運行模式：太陽能充足時，太陽能集熱器加熱熱水，這時關閉閥門a，打開閥門b，控制循環(huán)熱水全部進入太陽能集熱器，于是循環(huán)熱水通過閥門b，在板式換熱器內與太陽能集熱器加熱的熱水進行換熱，升高溫度，這部分熱水再進入高溫水源熱泵被加熱到67℃～72℃，然后循環(huán)熱水進入套管換熱器加熱混合污泥。套管換熱器的出水溫度為53℃左右，不滿足發(fā)電機組外循環(huán)水要求(冷卻水進口溫度<45℃,出口溫度<55℃)，所以需要將這部分熱量換熱給中水，使溫度降低至45℃，換熱后的中水可以作為高溫水源熱泵的低溫熱源(28℃～32℃)，與高溫水源熱泵換熱后排入大海。

(2)高溫水源熱泵獨立運行模式：夜間或者陰雨天等太陽能不足的情況下，太陽能集熱器不能加熱循環(huán)熱水，此時關閉閥門b，開啟閥門a,使外循環(huán)水不與太陽能系統的儲熱水箱進行換熱，而是全部直接通過高溫水源熱泵，然后被加熱到加熱污泥所要求的溫度55℃。

4.2 太陽能系統

太陽能集熱器是一種吸收太陽的輻射能并向工質傳遞熱量的裝置，目前最常用的主要有平板型太陽能集熱器和真空管型太陽能集熱器。本設計中采用真空管型太陽能集熱器，真空管型太陽能集熱器采用真空保溫，出水溫度較平板型集熱器高，散熱損失比平板型集熱器少很多，即使在寒冷的冬季，真空管型太陽能集熱器仍然能夠集熱，而且它的集熱效率能達到60%～70%。

圖6 太陽能+高溫水源熱泵供熱系統

受到安裝場地面積限制，現使太陽能集熱器面積為6915.4 m2，在光照充足時承擔系統部分需熱負荷，其余熱負荷由高溫水源熱泵補充。4個階段太陽能集熱器供熱量如表1所示。

表1 太陽能集熱器供熱量

4.3 高溫水源熱泵系統

該污水廠的污水通過污水處理工藝得到的最后出水為中水，其無毒無腐蝕，并且冬季比環(huán)境溫度高，在10℃～17℃之間；夏季比環(huán)境溫度低，在20℃～23℃之間；污水廠日產中水在14萬噸左右；高溫厭氧發(fā)酵系統中，中水需要將從污泥套管換熱器出來后的50℃左右的熱水換熱至44℃左右，如果直接排海，會造成大量的熱量浪費。采用板式換熱器換熱，使得換熱后的中水溫度在28℃～32℃之間，采取高溫水源熱泵從中水中提取熱量，回收中水里的熱量補充系統總需熱量，高溫水源熱泵能效比cop=3.8，出水溫度在67℃～72℃之間[12]。

5 系統方案的綜合評價

5.1 系統能量分析

根據熱力學第一定律，系統的熱能和機械能在轉移或轉換時能量的總量必定守恒?，F將高溫系統的各個子系統的能量參數計算出來，圖7為系統的能量分析。

圖7 系統的能量分析

由圖可知，4個階段的系統日總需熱量在4萬～5.8萬kWh，差異較明顯;由于太陽能輻射量變化不大，太陽能供熱量較穩(wěn)定，在每天1.2萬～1.6萬kWh;在4個階段中高溫水源熱泵都承擔了大部分的系統總需熱負荷，循環(huán)水與中水換熱流失到中水里的系統熱量得到有效回收，會消耗部分電量，使系統凈發(fā)電量減少。

5.2 經濟效益分析

5.2.1 系統的改進初投資

系統改進初投資主要是對該系統引入的高溫水源熱泵，太陽能集熱器等設備的成本、設備安裝費、配套費等進行分析計算。根據市場調研得知，高溫水源熱泵的價格約為0.6元·W-1，太陽能集熱器按照600元·m-2計算，板式換熱器與套管換熱器均按300元·m-2計算，熱泵配套費按180元·kW-1計算，系統改進初投資的具體計算數據見表2。

表2 系統改進初投資計算表

5.2.2 費用年值

費用年值法是將項目初投資的現值按照時間價值等額分攤到各使用年限中去的動態(tài)經濟分析方法。其包括年固定費用和年運行費用，年固定費用為系統初投資在使用年限內每年消耗的費用，計算得到年固定費用為72.3萬元，年運行費用為194萬元，費用年值為266.3萬元。

5.2.3 年電費收益

收益指來自發(fā)電所獲得的凈發(fā)電收益與費用年值的差值。全部沼氣所發(fā)電的收入(平均凈發(fā)電量23163 kWh·d-1)，按一年8000 h發(fā)電的時間來計算，電價按0.89元·度-1計，則年發(fā)電收入為687.15萬元。年電費收益為420萬元，同時求得中溫系統的收益為459萬元，高溫系統的年電費收益較中溫系統少8.5%。

5.3 環(huán)境效益分析

基于環(huán)境效益的評價指標成為評價一個方案系統優(yōu)劣不可缺少的標準。污水廠的沼氣熱電聯產系統相對于單產系統來說主要體現在CO2，SO2，NOx以及煙塵的減排量；系統總的凈發(fā)電量為772萬kWh，因此，對減少煤炭燃燒所帶來的效益E進行估算,該系統環(huán)境效益E約為224.7萬元，同時求得中溫系統的環(huán)境效益E約為132.1萬元，高溫系統較中溫系統的環(huán)境效益提高70.1%。

6 結論

(1)采用太陽能 -高溫水源熱泵供熱系統為污泥供熱，可充分利用太陽能、中水能等可再生能源，減少一次能源的消耗量，與傳統供熱系統相比，既節(jié)約能源又清潔環(huán)保。

(2)高溫水源熱泵能夠回收大量套管換熱器出水換熱到中水中的熱量，且提升了循環(huán)水溫度，使套管換熱器的溫度達到67℃～72℃。其中第3階段能夠全部回收熱量，其余階段均部分回收中水中的熱量，減少系統熱量流失。

(3)太陽能集熱器由于受到安裝面積和初投資的限制，只能承擔本系統中24%～38%的系統總需熱量。高溫水源熱泵不僅能承擔大部分的熱量負荷，而且還能夠提高循環(huán)水的溫度，但高溫水源熱泵需要消耗發(fā)電量，減少凈發(fā)電量，造成收益減少。

(4)太陽能-高溫水源熱泵供熱系統的初投資較大，造成實際的年電費收益略少于中溫系統，但發(fā)酵時間短、產氣量多，凈發(fā)電量較大，環(huán)境效益較中溫系統提高70.1%。