（市政工程专业论文）A2O工艺物流及能流综合调控研究.pdf

摘要 摘要 近年来我国污水处理发展迅速，但污水处理的能耗正成为影响污水处理厂正 常运行的重要因素。高能耗一方面造成了污水处理厂运行成本的增加，另一方面 也加重了我国现阶段的能源危机。而物流与能流特征既反映污水厂的处理效果， 又体现了污水厂的能耗水平。通过对污水处理厂进行物流和能流分析，可以解析 主要处理单元的物料、能量变化规律，优化物流走向，筛选和确定与污水处理厂 能耗关系密切的控制节点，分析各控制环节的节能潜力。因此污水处理厂的物流 和能流研究对指导污水处理厂的节能降耗具有十分重要的意义。 本文主要针对处理规模为1 4 4 m 3 d 的a 2 0 工艺中试系统进行物流和能流的 研究，从而提出污水厂运行节能措施，研究主要包括以下几方面： ( 1 ) 对中试系统进行c o d 、n 、p 物料平衡计算，做出物流图，同时通过测 定中试系统的硝化速率、反硝化速率、吸磷和释磷速率，比较实际值和表观值的 差别，得出结论实际反应速率通常比较稳定，而表观速率易受外界因素的影响； 当改变回流比、排泥量、进水分配比、各池水力停留时间等，表观速率波动较大。 ( 2 ) 应用b i o w i n3 0 数学模拟软件对中试系统进行模拟，通过调节影响处理 效果的几个因素，优化物流走向。 ( 3 ) 对中试系统生物处理单元进行焓衡算和炯平衡分析，做出能流图和炯流 图，得出结论尽管该系统能量数量上的利用率很低，但是在高品质能量利用上却 高出很多，说明不能仅从表观上评价系统能量利用情况，而要从能质上来分析系 统实际的利用情况。节能的目的主要在于结炯，应致力于降低不必要的、过大的 托动力或改变运行方式以减少过程和设备的炯损失。 关键词：物流能流中试系统炯 北京工j 世大学工学硕士学位论文 a b s t r a c t o u rc o u n t r y ss e w a g et r e a t m e n th a v ed e v e l o p e dr a p i d l yi nr e c e n ty e a r s ，b u tt h e e n e r g yc o n s u m p t i o nc o s ti sb e c o m i n ga l li m p o r t a n tf a c t o ro ft h en o r m a lo p e r a t i o no f w a s t ew a t e rt r e a t m e n tp l a n t s o no n es i d et h eh i g h e n e r g yc o n s u m p t i o nc a u s e st h e s e w a g et r e a t m e n tp l a n to p e r a t i n gc o s t si n c r e a s i n g ，o n et h eo t h e rs i d ei ta l s oi n c r e a s e s t h ee n e r g yc r i s i s i no u rc o u n t r ya tt h ep r e s e n ts t a g e t h ec h a r i c t e r i s t i co fm a s sa n d e n e r g yf l o wc a i ln o to n l yr e f l e c tt h et r e a t m e n te f f e c to fw a s t ew a t e rt r e a t m e n tp l a n t s b u ta l s og i v ea i le x p r e s s i o no nt h el e v e lo fe n e r g yc o n s u m p t i o n t h r o u g ha n a l y z i n g t h ec h a r i c t e r i s t i co fm a s sa n de n e r g yf l o wi nw a s t ew a t e rt r e a t m e n tp l a n t s ，t h e i r c h a n g e so fm a i np r o c e s s i n gu n i tc a nb eu n d e r s t a n d e da n do p t i m i z e d ，s oa st oi d e n t i f y t h ec o n t r o ln o d ec l o s et oe n e r g yc o n s u m p t i o na n da n a l y s et h ep o t e n t i a lo fe n e r g t y s a v i n g t h e r e f o r et h es t u d yo fm a s sa n de n e r g yf l o wi nw a s t ew a t e rt r e a t m e n tp l a n t si s v e r yi m p o r t a n tf o rg u i d i n gt h ee n e r g ys a v i n g t h i sp a p e rd e a l e dw i t ht h es i z eo f14 4 m 3 do fa 2 0p i l o t - s c a l es y s t e mf o r l o g i s t i c sa n de n e r g yf l o ws t u d i e si no r d e rt or u nw a s t ew a t e rt r e a t m e n tp l a n t so n e n e r g ye f f i c i e n c ym e a s u r e s ，a n dt h er e s e a r c hm a i n l yi n c l u d e dt h ef o l l o w i n ga s p e c t s ： ( 1 ) t h em a s sb a l a n c eo fc o d ，t n ，t pw e r ea n a l y s e da n dt h e i rm a s sf l o wc h a r t d r a w e d ，a tt h es a m et i m et h en i t r i f i c a t i o nr a t e ，d e n i t r i f i c a t i o nr a t e ，a b s o r p i n ga n d r e l e a s i n gr a t eo fp h o s p h o r u sw e r et e s t e da n dt h ed i f f e r e n c eo ft h e i rm e a s u r e dv a l u e w i t ht h e o r e t i c a lv a l u ew e r ec o m p a r e d i td r a w e dt h ec o n c l u s i o nt h a tt h ea c t u a l r e a c t i o nr a t ei su s u a l l ym o r es t a b l e ，b u tt h ea p p a r e n tr a t ea r ev u l n e r a b l et ot h ei m p a c t o fe x t e r n a lf a c t o r s ，s u c ha sr e f l u xr a t i o ，t h ev o l u m eo fs l u d g e ，w a t e rd i s t r i b u t i o na n d w a t e rr e s i d e n c et i m e ( 2 ) m a t h e m a t i c a lm o d e l i n gs o f t w a r eb i o w i n3 0w e r ea p p l i c a t e dt os i m u l a t et h e p i l o t s c a l es y s t e mt r e a t m e n ta n ds e v e r a lf a c t o r sr e g u l a t e dt oo p t i m i z et h em a s sf l o w ( 3 ) t h r o u g ha n a l y z i n gt h ee n e r g ya n de x e r g yo fp i l d t s c a l es y s t e ma n dm a p p i n g i t se n e r g yf l o wc h a r ta n de x e r g yf l o wc h a r t ，c o n c l u s i o nw e nd r a w e dt h a ta l t h o u g ht h e a r n o u n to ft h ee n e r g yu t i l i z a t i o ni sv e r yl o w ，t h eu s eo f h i g h q u a l i t ye n e r g yi sm u c h h i g h e ri ts h o w e dt h a tw ec o u l dn o te v a l u a t es y s t e mo fe n e r g yu t i l i z a t i o no n l yf r o m t h ea p p a r e n t ，b u tu pf r o mt h eq u a l i t ya n a l y s i so fe n e r g yp r a c t i c a ln s e t h em a i n p u r p o s eo fe n e r g y e f f i c i e n ti so ne x e r g ys a v i n g ，i ts h o u l ds t r i v et or e d u c eu n n e c e s s a r y p o w e ro rc h a n g et h ec o u r s eo fo p e r a t i o na n de q u i p m e n ti no r d e rt or e d u c et h el o s so f i i e x e r g y a b s t r a c t k e yw o r d s ：m a s s f l o w , e n e r g yf l o w , p i l o t - s c a l es y s t e m ，e x e r g y i i i 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得j g 立王些太堂或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 关于论文使用授权的说明 本人完全了解j e 塞王些太堂有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：当盟导师签名：龇日期：垒q q 旦：墨 第1 章绪论 第1 章绪论 近年来我国污水处理发展迅速，但污水处理的物耗和能耗正成为影响污水处 理厂正常运行的重要因素。高能耗一方面造成了污水处理厂运行成本的增加，另 一方面也加重了我国现阶段的能源危机。而物流与能流特征既反映污水厂的处理 效果，又体现了污水厂的能耗水平。通过对污水处理厂进行物流和能流分析，可 以解析主要处理单元的物料、能量变化规律，优化物流走向，筛选和确定与污水 处理厂能耗关系密切的控制节点，分析各控制环节的节能潜力。因此污水处理厂 的物流和能流研究对指导污水处理厂的节能降耗具有十分重要的意义。 1 1 污水厂物流和能流的概念 1 1 1 物流和能流概念的内涵 物流即物质流，可以定义为：物借助于载体进行定向移动。物、载体和定向 移动是物流概念的三要素。物流必须有内容，即物流的流体：物流要发生移动必 须借助于载体；物流流体的移动不是杂乱无章的移动，而是定向移动；这三方面 共同构成了物流。 能流即能量流，各种能量沿着转换、使用、回收、排放的路径流动，形成能 流。 物流和能流既独立又相互联系、彼此制约，能流推动物质的流动和转变，而 物流在转变过程中又产生新的能流。 1 1 2 物流和能流在污水厂的意义 对于污水处理厂来说，物流和能流的概念有着更为具体的意义。在污水处理 厂中，物料指的是污水处理厂中各污染物，如c o d 、n 、p 等，物料沿污水处理 厂的各处理单元定向迁移，就形成了物流。物料衡算是质量守恒定律在污水处理 北京工业大学工学硕士学位论文 中的一个具体应用，它研究一个体系内的质量流动及变化情况。通过物料衡算可 做出各物料的流向分配图，例如n 的物流图，如图1 1 所示，从图中可以直观看出 在经过生物处理后n 的分配和流向。同样，也可根据物料衡算做出c o d 、p 的流 向分配图，以掌握整个污水处理厂的生产运行调度情况，为优化污水处理运行提 供决策依据。同时，物料平衡也是检验数据可靠性的一个重要途径。 进水n 生物处理单元 、 、j 图1 1n 流向分配图 f i g u r e1 - 1 m a s sf l o wc h a r tf o rn 污水处理厂中的能流指的是能量在各处理单元的输入、输出及转化过程，主 要包括电能和污染物带入的化学能，还可能包括污泥消化所需的热能。污水处理 过程是使污水中污染物的能量水平降低的过程，处理的目的是为了获得一定能级 ( 排放标准) 的出水。该过程需要消耗外界供给的能量。将污水处理生物反应器 当作耗能装置，可以按热力学分析方法建立能量利用的基本模型。因为城市污水 处理厂的二级生物处理系统往往是整个污水处理厂的核心，能耗量很大且有很大 的节能潜力，其体系包括曝气池、二沉池、鼓风曝气系统、混合液与污泥回流泵 房、剩余污泥泵房等单元。 对能流的分析包括对能量数量和质量两方面的分析。分别利用能量衡算法和 炯分析法可以计算出能量在进出处理单元的利用的损失情况，再将结果绘于一张 平面图上，得到能流图和炯流图。如图1 2 ，1 3 所示。 第1 章绪论 e 曝 e 其他 f 一一一一一。一一一一。1 图1 2 能流图 f i g u r e1 - 2e n e r g yf l o wc h a r tf o rap l a n t e x ，其他输入j ：甩损失 e x ，曝气系统外部j ：甩损 图1 3 ：l ：用流图 f i g u r e1 - 3e x e r g yf l o wc h a r tf o rap l a n t 能流图从用能结构上剖析了能量形态的变化和流向，可给出局部和全局的能 耗水平，可为评估用能效率提供依据。媚流图从用能本质上剖析了能量变化和流 向，可以为节能措施的提出提供重要依据。 一3 一u 北京工业大学工学硕士学位论文 1 1 3 污水处理厂物流和能流的关系 在污水处理厂中物流和能流有一定的联系，主要体现在以下两点： ( 1 ) 对于污水处理厂来说，主要目的是净化水质，使出水达到一定的排放 标准，因此，要首先考虑出水水质，其次在此基础上进行节能。污水处理厂中的 节能就是指节约电能，方法是根据污水处理厂的实际情况，改进设备与工艺，尽 量在可行的条件下，采用先进的处理设备和工艺流程。而电能属于污水处理厂能 流的一部分，因此从这个方面来说，污水处理厂首先要考虑的是物流，然后是能 流。 ( 2 ) 污水处理厂中能流所包括的污染物化学能是与污染指标紧密联系的。例 如每gc o d 包含1 3 9 1l 【j 的化学能【1 1 ，那么一定的污染物c o d 水平与一定的能量水 平相对应，这种能量是包含在有机物c o d 中的。因此，这种定量关系的建立，实 现了污染物浓度指标和能量指标的共轭，在一定程度上也体现了物流和能流的内 在统一。 尽管污水处理厂中物流和能流存在密切的联系，但是还有本质的区别，主要 主要体现在以下几点： ( 1 ) 物流和能流所考察的对象不一样。物流是以c o d 、t n 、t p 等污染指标 为研究对象的，主要考察这些污染物进出处理系统数量和形式的变化规律，以及 各种污染物在生物降解过程中的生化反应速率；而能流研究则针对污染物所携带 的化学能和各耗电设备所需的电能，主要考察进入处理系统的化学能以何种方式 离开处理系统、进水的化学能削减量、以及为达到一定削减量所消耗的电能，本 文中以能量的两种形式，即焓和炯为研究对象。 ( 2 ) 二者的承载关系不同。污水处理厂中的能量包括污染物化学能和电能， 其中化学能是以污染物为依托的，随着污染物在污水处理厂各个处理单元的输 移，化学能也在跟随着变化，从这个方面说物流在一定程度上是能流的载体；而 电能的消耗是由于存在鼓风机，各种泵等耗电设备，是以各种耗电设备为依托的， 但与物流没有直接的联系。 ( 3 ) 从污水厂的运行来看，物流变化波动较大，它代表了污水处理厂的处 理效果，每日进出污水厂的污染物随时间变化，而能流则变化较小，尽管物流在 第1 章绪论 一定程度上会影响化学能的变化，但各种耗电设备每天基本不会有大的变化，因 此能量水平趋于稳定。 1 2 国内外污水处理能耗现状及分析 对污水处理厂物流和能流进行分析，首先要收集物料和能量的相关数据。污 水处理厂物料衡算需要对进出各处理单元的污染指标进行监测，然后根据质量守 恒定律进行物流的计算和分配，具体过程及方法见第二章。污水处理厂的能流主 要包含了电能和污染物化学能，其中电能与污水厂运行成本有直接联系；进出污 水处理厂的物流影响着能耗，而能耗反过来又制约着物流走向和分配，因此对污 水厂进行能耗现状调查有重要的现实意义。 1 2 1 国外污水处理厂能耗调查 由于使用不同的处理工艺，污水厂耗能不尽相同。污水处理厂内各处理单元 耗能也相差较大，其中用于曝气的鼓风机和污水提升的泵耗能占绝大部分。日本 和欧洲不同规模污水处理厂具体能耗见表1 1 、表1 2 ： 表1 1日本全国污水处理厂的比能耗【2 1 t a b l e1 1a v e r a g es p e c i f i ce n e r g yc o m u m p t i o no fm u n i c i p a lw w t p si nj a p a n 单元过程比能耗( k w h m 3 污水)比例( ) 一5 一 北京工业大学工学硕士学位论文 表1 - 2 欧洲不同规模污水处理厂单位耗能f 3 l t a b l e1 2s p e c i f i ce n e r r vc o n s u m p t i o no fd i v e r s ec a p a c i t yw w t p si ne 厂规模 ( 当量人口) 平均能耗 ( k w h 人a ) 单位能耗 k w h m 3 k w h k g c o d 1 0 0 0 0 0 平均 7 1 3 4 9 4 4 0 1 3 4 9 2 7 1 4 1 5 0 5 2 0 3 5 0 3 0 2 8 0 3 2 0 3 2 l - 8 l 1 1 l 0 9 2 o 9 9 0 8 9 1 0 6 另据文献报道，美国城市污水处理厂比能耗平均为o 2 0k w h m 3 1 4 。 1 2 2 国内污水处理厂能耗调查 我国部分城市污水处理厂的比能耗如表1 3 所示。 表1 - 3 我国部分城市污水处理厂的比能柑5 】 6 1 t a b l e1 3s p e c i f i ce n e r g yc o n s u m p t i o no fs o m ew w t p si nc h i n a _-_-_-_-_l_一i 一1 i - _ _ _ _ _ _ - - - l _ o - _ _ _ _ _ l - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ i l - _ _ _ - o o 。o o o o o - o o _ _ _ _ _ 一 厂名 规模 万处理工艺 比能耗 ( k w h m 3 ) 采f d 北京方庄污水处理厂 4a 2 0 0 3 8 北京吴家村污水处理厂8 s b r 北京威嘉污水处理厂1 0倒置a 2 0 上海石洞口污水处理厂4 0一体化活性污泥法 上海市桃浦工业区污水处理厂6 s b r 上海市北郊水质净化厂 2 传统活性污泥法 上海市闵行水质净化厂 上海市青浦污水厂 5 3 1 5 n q 氧化沟 0 2 3 0 4 3 0 3 0 4 2 0 。2 5 0 2 9 0 3 2 上海市奉贤南桥污水处理厂1 2 6a 2 0 0 4 1 6 一 第1 章绪论 一7 北京工业大学工学硕士学位论文 二 蕾 _ 耀 龊 丑 熙 螬 掣 ! g 螺 啦 爨呈 簟 骊 处理工艺 图1 4 我国不同工艺污水厂的比能耗 f i g u r e1 - 4s p e c i f i ce n e r g yc o n s u m p t i o no fd i f f e r e n tp r o c e s s w w t p i nc h i n a 飞 毒 l 嚣 蛰 01 02 03 04 05 06 07 08 09 0 1 0 0 比能耗曲线图 图1 5 我国部分a 2 0 工艺污水厂的比能耗曲线图 f i g u r e1 5s p e c i f i ce n e r g yc o n s u m p t i o no fs e v e r a la 2 0w w t p i nc h i n a 从表1 3 中可以看出，我国污水处理厂能耗水平由于处理规模、工艺等因素 差别较大，平均约为0 4k w h m 3 左右。由于部分污水处理厂采取了一定节能措施， 使得污水处理能耗水平有所降低。例如南阳污水处理厂处理构筑物之间尽量采用 渠道连接，同时采用能够根据生物处理池内的溶解氧自动调节供气量及高效的鼓 风设备，降低了污水厂的能耗。镇江征润州污水处理厂由于进水浓度比设计值低， 因此实际所需曝气量要比设计曝气量小，将原设计方案中两台软启动风机改为由 两台变频风机运行，即保证了合适的d o ，又节约了电耗，这样单位污水处理耗 一8 一 诣。站撕卫坫oo m o n o n o m o m 8 7 6 5 4 3 2 l o o 0 0 o 0 o o o 第1 章绪论 皇- mmmmm _ _ - - - - - -m, _ 詈詈曼詈曼皇! 鼍曼兰曼曼曼鼍曼鼍詈鼍詈皇詈皇詈鼍曼喜曼 电量为0 1 0 2 4k w h m 3 ，按电价0 6 4 9 元k w h 计，该厂每年电费为2 4 2 5 7 万元。 台州椒江城市污水处理厂在实际运行中也采取了一定的节能措施，如曝气池溶解 氧控制适当、鼓风机根据需氧量灵活调节等，运行成本较低，单位电耗0 4 8 0 5 k w h m 3 ，运行成本约o 7 元1 2 1 3 ，核算污水处理成本为1 6 9 0 7 元m 3 左右。长沙 经济技术开发区污水净化中心在2 0 0 5 年针对以前运行中的一些问题进行了一系 列技术改造后，运行更加稳定，能耗在一定程度上也降低了，平均能耗仅为0 1 k w h m 3 。 从图1 - 4 可以看出，处理工艺为s b r 和a 2 0 的污水处理厂比能耗最高，其 中a 2 0 在国内使用较为普遍，因此需要全面分析a 2 0 工艺的特点，找出能量损 耗的原因，为节能措施的提出提供依据。a 2 0 污水处理厂平均比能耗为0 3 6 k w h m 3 ，由于处理规模等因素各厂比能耗相差较大，但是从图中可以看出当处 理量小于2 万m 3 d 时，比能耗值反而较大，当日处理量达到3 0 万m 3 d 时，部 分厂的比能耗可以降到0 1 3 4k w h m 3 。尽管不同处理规模的污水处理厂比能耗有 所不同，但它们都具备a 2 0 工艺的特点。图1 5 反应了不同比能耗区间的a 2 0 污水处理厂分布，从图上可以看出，比能耗小于0 2 5k w h m 3 的污水厂占到了 2 1 4 2 ，这部分污水厂在污水处理中能量消耗最小，比能耗小于q 3 5k w h m 3 的 污水厂占到了4 2 8 6 ，总体上来说近5 0 的污水处理厂能量利用情况较好，但 是比能耗在o 4 5k w h m 3 以上的污水厂就属于不节能的了，需要在保证出水水质 的基础上考虑如何降低能耗。在a 2 0 处理工艺中主要耗电设备就是鼓风机和各种 回流泵及提升泵，因此，节能主要针对这两部分。而传统活性污泥法和a o 工艺 则在回流设施上要远小于a 2 0 ，因此节能主要部分在曝气系统。氧化沟的曝气系 统为表面曝气，造成比能耗高的原因可能是曝气系统效率过低，因而要从提高表 面机械曝气设备的效率上来节能。 1 2 3 国内外污水处理厂能耗对比 从表1 1 表1 3 的数据可以看出，我国和美国、日本等发达国家比能耗相差 不多，但是从污水处理工艺上来看，发达国家有通风除臭，消毒等设施，占用一 部分能耗比例，美、欧、日对污泥大多进行消化、脱水处理，污泥焚烧、热调节 也采用较多，美国还进行气浮处理，这项约耗电0 0 5 - 4 ) 1k w h m 3 ，另外，美、 欧、日等发达国家自控、仪表等耗电设备比我们国家多，照明、空调等日常耗电 一9 一 i ! 圣些奎茎；! 兰堡耋篁篁兰 也很多而回收的能源均未计算在内。而我国污水处理丁艺较为陈旧，在节能方 而还有巨大潜力。 1 2 4 国内外污水处理厂运行费用中能耗所占比例 高旭在调查研究中发现，国内外污水处理厂运行费用比例存在较大差异， 但是能耗费用均占了很大比例。美国的统计资料表明口】对小型污水处理厂，能 量费占运行费用的比例较小，处理厂规模越大，能量费所占比例越大。能量费比 例与处理厂规模的关系可见图l 一6 。美国活性污泥法处理厂的总费用的典型分配 见图1 - 7 。但是，美国的人工费是相当高的。由于大型污水处理厂相对用人比率 要低于小型污水处理厂，所以，从圈1 7 中可以看到，大型污水处理厂的能量费 几乎占到总费用的l n 。 处理厂墙嗡善幛n r 图 - 6 能量费与处理。规模的关系 f i g u r e l r e l a t i o n s h i pb e l 、v c e ne n e g ye x p e n s ea n d l r + a t m e mp l a n tc a p a c i t y 蠡糖非器r # 3 8 口v d # 8 i d 圈i - 7 美国活性污泥法处理厂费用的典型分配 f i g 山e1 - 7 t y p i c a le x p e n s e sp r o p or t i o n s o f a c t i v a t e ds l u d g e t r e a l m e l l tp l a n t i n us 在我国有人i ”曾对北京、上海、桂林、太原等地污水厂运转成本进行过统 计。中小型二级污水处理厂( 活性污泥法，规模1 5 万m 3 d ) 的运行费用分 配见图1 7 。 3 68 0 十十一g 污女处g 厂1 - 35 万m 3 i d 国1 - 8 我国污术厂运行费用分配 f i g u r e1 一s t y m ie x p e n s e sp r o p o a i o n s o f a c t i v a t e ds l u d g e t r e a t m e n tp l a n t i n c h i n a 北京工业大学工学硕士学位论文 1 3 污水处理物流及能流研究进展 污水处理物流方面的研究较为有限，多数研究仅根据质量守恒对处理工艺的 主要物流进行了核算。在其它行业中，如在研究钢铁企业节能问题时，常采用物 料平衡理论定量分析钢铁生产流程中物质流和污染物流等，能够客观地反映钢铁 企业能源的有效利用程度。因此，对于污水处理厂来说，可参考钢铁企业进行物 流衡算，找出节能的关键点，为节能措施的制定提供依据。 能耗是影响污水厂运行的重要因素，然而，国内外在污水厂能耗能效方面的 研究滞后于污水处理机理与技术的研究。一方面，水处理能量分析研究是化学热 力学、生物热力学、微生物学、能源工程学及污水处理工艺学等多门学科的综合 与交叉；而处理工艺系统复杂、动态变化大，加之目前对生物处理微观本质的了 解尚不够充分，进行相应的理论建构存在较大难度；另一方面，对能耗的认识还 存在较大的欠缺【l 】。无论是发达国家还是发展中国家，处理水的效率是首先考虑 的因素，而与能耗有关的运转费用其重要性低于建设费用和工艺的可持续性。 1 3 1 污水处理厂物流研究进展 随着对污水处理过程的深入认识，对物料划分也更加科学与精确，污水处理 的物料平衡也就越来越复杂。但是对具体污水厂的物料进行平衡分析的研究还不 多见。物料衡算是质量守恒定律在污水处理技术中的一个具体应用，它研究一个 体系内的质量流动及变化情况。 p s b a r k e r 和p l d o l d 9 】在实验室进行了四种活性污泥系统的c o d 和n 平衡核算。这四种系统包括了不同的水质特征和操作参数。结果显示，在好 氧和缺氧一好氧系统中，c o d 可达到较好的平衡；厌氧一缺氧一好氧系统呈现 出较低的c o d 平衡( 低于8 0 ) ，c o d 损失的原因可能是在厌氧区发生了发酵 作用从而产生了一部分挥发性物质。在四个系统中n 都能达到较好的平衡。 b n i k o l a v c i c 等【l0 】通过对中试规模的生物滤池进行了物料衡算，结果表明 c o d 降解率和n 去除率有很大关系。m cw e n t z e l 等通过对c o d 、n 等物料进行平 衡分析，认为s 6 t e m a n n 污泥厌氧消化模型能够很好地预测厌氧消化状况，包括 产气量和组分、出水c o d 、n h 。+ - n 等，同时还可以给出通过物料平衡算出的污 第1 章绪论 泥中不可降解c o d 的比例。 朱五星【1 1 1 对某污水厂倒置a 2 o i 艺的曝气池各单元及二沉池营养物质变化 进行跟踪试验，分析该污水厂的活性污泥单元部分碳、氮、磷的物料流向，并且 基于物料平衡分析了工艺中的能量流向。研究表明倒置a 2 0 i 艺在厌氧段存在着 c o d 的消耗损失，c o d 平衡达到2 4 1 2 的平衡余差，这意味着该工艺的曝气池 体积及曝气量与传统活性污泥法相比可以降低，在倒置a 2 0 t 艺设计中可以考虑 厌氧段中c o d 的损失，从而减少曝气池好氧段体积的同时减少曝气量。n 与p 的 物料平衡都能很好地闭合，达到9 6 以上。 李烈锋【1 2 】利用子模块库中的流态模块对其课题组先前开发的具有单池脱氮 除磷功能的新型一体化氧化沟( l v i i o d ) 进行流态仿真，并根据实际用示踪法测得 的r t d 曲线进行比较，最后确定用轴向扩散模型加回流来模拟氧化沟之类的环形 反应器的流动模型，并取得了良好的仿真效果。在此基础上，依照取得良好流态 仿真效果的流态仿真模型，来建立相应的物料平衡模型。物料平衡模拟引用了 i w a 的a s m l 模型，各参数为在2 0 c 的典型值，并将在这些参数上建立的动力学 方程( 宏观动力学方程) 输入物料平衡模型。以c o d 为目标物来完成整个反应器的 物料平衡模拟，用实测值评估仿真效果的同时，仿真结果基本令人满意。 1 3 2 污水处理厂能流研究进展 1 3 2 1 国外研究现状 w e s n e r1 1 3 等人对美国公共污水处理设施所采用的单元过程和单元操作的直 接和间接能量需求进行了调查，1 9 8 2 年在最后的技术报告中给出了详细的能量需 求分析，所调查的单元过程和操作涵盖了当时美国几乎所有的城市污水物理、化 学和生化处理方法，甚至包括了附属建筑物取暖制冷的能耗。e j m i d d l e b r o o k s 和c h m i d d l e b r o o k s i l 4 】根据w e s n e r 报告里小设计流量( 3 8 0 1 9 x 1 0 4 m 3 d ) 的能耗 水平，组合了1 1 种不同的处理工艺系统，按典型进出水水质和运行条件进行了单 元过程和系统总的能耗比较。他们认为在合适的用地和地下水条件满足时，土地 处理的各种组合能耗低，其中兼性塘后接快速过滤是能效最高的工艺；而物理一 化学高级处理系统是传统方法中耗能最多的工艺。他们预见，随着能源费用的增 长，能耗在所有规模污水处理设施每年的运行费用中所占的比例将越来越大。由 一1 3 北京工、j p 大学工学硕士学位论文 于这个倾向，能源费用将成为选择小流量污水厂的处理工艺的主导性因素。 h a g a n g l r o b e r t s t ”1 根据污水处理厂总能量需求得出能量利用的结构及分配 走向，提出如何对污水处理厂能量需求进行估算。 w f o w e n l 7 j 在其专著污水处理能耗与能效中，对间接能耗进行了阐释， 他定义间接能耗是耗费于现场所用原料的生产、建筑施工、结构材料的生产及运 输的能源，o w e n 所做的工作与w e s n e r 等人类似，偏重于对当时所采用的污水 二级处理、高级处理、土地处理和污泥处置等工艺的能耗统计和归纳，其结果按 污水流量、污染物去除量与比能耗( k w u 矗) 的关系制图表示。o w e n 还讨论了各 类好氧和厌氧工艺的能效问题，旨在使设计和管理人员掌握节能的技术思路和方 法。 g a r b e r 【】等人通过比较发现生物和物理一化学处理工艺以及不同的生物处 理工艺之间能量需求有很大的不同，其差别相差可达数十倍。 j a c o b s 【1 7 j 比较了完全混合活性污泥法、延时曝气活性污泥法、c a r o u s e l 氧化 沟、纯氧活性污泥法和生物转盘等几个生物处理系统的总能量需求和运转费用， 其中生物转盘的能耗和费用最低，而延时曝气最高，二者能耗相差约2 0 。 欧洲一些学者也对污水处理厂能耗做出过深入调查研究。i m h o f f 1 8 】曾经详细 分析了德国3 座大型污水处理厂的能源( 主要为电能与燃料油) 利用结构，指出 生物处理部分的曝气系统所耗能量要占主导地位，但b o c h u m 处理厂的污泥稳定 化过程采用了污泥焚烧，比能耗要比其余两个厂高很多；在其全厂用能中污泥焚 烧占t 6 5 5 。d u i s b u r g 厂的用能经过了优化，污泥消化产生的甲烷及其燃烧的 废热都得到了充分利用，所以处理规模虽i ：l h a g e n 厂大很多，但能量需求增加并 不多，反映出处理厂合理用能的重要性。 1 3 2 2 国内研究现状 我国在污水处理能耗能效方面也有一定研究，不仅对污水处理厂比能耗做出 估算，也从污水处理机理上研究能耗。 杨健【1 9 1 就废水生物处理过程的运行能耗以及废水生化潜能( b e p ) 的变化进 行了分析探讨，将进水b e p 在处理过程中的变化情况以及处理系统各运行环节 的能耗均折算为进水b e p 的相对百分率，绘制出该系统处理运行的相对能量流 动图，应用此方法得出不同处理工艺能耗能效的差别，同时指出废水生物处理的 一1 4 第1 章绪论 能量分析既要考虑运行能耗，又要考虑污水处理过程中废水生化潜能的变化。 熊艾玲【2 0 1 运用生命周期影响评价( l c a ) 对污水处理系统从其原材料开采和 加工直至污水厂施工建设、处理运行和废弃拆除的l c a 全过程能耗进行分析识 别和量化分析，在此基础上提出改善其能效的措施。结果表明，城市污水处理厂 能耗绝大部分集中于二级生物处理工序的曝气系统，该工段消耗了总能量的8 0 ，节能的主要环节是曝气系统。其试验研究表明：d o 2 0 m g l 时，有机底物 比降解速率接近最大值，n h 4 + - n 的比氧化速率有增大趋势，但增加幅度不大， 此时，再增大d o 浓度并不能提高有机物降解速率，故可根据进水水质和水量、 污泥负荷等实际情况来调节适当的d o 浓度达到节能。同时通过其他实验得出间 歇曝气的运转方式节能潜力巨大，虽然在污水处理厂建立前期投资较大，但便于 调节曝气与非曝气，长期运行可使污水厂的处理运行能耗有所降低。 楼少华【2 1 】在调研基础上，研究活性污泥系统能量代谢的微观机理，从微生物 的能量代谢入手，从理论上建立能量动力学方程，并且通过试验对能量动力学方 程及能量调控模型进行了验证，并求得了关键参数。全晓泉【2 2 】在前者的基础上从 微生物能量代谢出发，通过比较活性污泥系统中主要承担有机物去除的异养菌和 主要承担脱氮过程中硝化作用的自养硝化菌的代谢特征，完善了城市污水能量模 型研究的理论体系；同时明确了能量代谢动力学方程参数确定过程中用于合成的 有机物的量和用于产能部分的有机物的量的确定方法，并且通过试验对能量代谢 动力学方程参数进行了求解，得到相应的能量代谢动力学方程，通过讨论指出能 量代谢动力学方程的意义在于给出泥龄取值的一种理论依据。 钱进【2 3 1 在对改良的三环式a 2 0 工艺的理论初步探讨方面，从各段的物料平 衡方面入手，进行反应动力学的初步分析，得出污泥回流比和混合液回流比与各 段污染物降解之间的关系，以及反应动力学的表达式，从而对生化系统的脱氮除 磷功能进行初步阐述，为进一步深入研究该类型反应器原理奠定初步基础。此外， 他还从能量角度出发，结合实际生产性试验，对各段的水流流速进行测定，优化 机械搅拌能量密度的设计取值，对以后的设计提供了经验参数，并对污水处理厂 的节能提供了依据。 可以看出，在对污水处理能量进行研究分析中，热力学、微生物学等相关学 科的理论和方法正逐渐被引入进来，学科之间的交叉和融合成为发展的主要趋 一1 5 一 北京工业大学工学硕士学位论文 势。但是能耗能效研究的关键问题还在于研究和评价体系及方法的建立。在这方 面，国内学者高旭【l 】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， 通过分析国内常见污水污泥处理工艺的能耗特点、处理厂常用设备装置和工艺过 程的能耗水平，建立了污水生物处理单元能量衡算的黑箱模型和炯平衡分析的灰 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( 焓和炯) 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。同时指出能量利用率比比能耗更能科学地揭示处理工 艺能量转化和损耗的本质，反映过程或装置真实的能效。 1 3 3 存在的问题 1 3 3 1 物流研究中存在的问题 从以上研究进展中可以看出在对物流方面的研究中还存在几方面的问题： ( 1 ) 国内缺乏合适的研究系统进行物流的分析和调控。实际污水处理厂受到 数据可靠性、处理规模、实际运行情况等因素的限制，而不能对其进行有效物流 分析；实验室小试规模的反应器由于缺乏代表性也不能对其做出合理的分析。因 此缺乏相应规模的研究系统对污水处理过程中的物流进行有效的研究分析。 ( 2 ) 国外在进行物料研究时只从质量守恒方面考虑进出处理系统污染物走向 和质量的变化，而没有从微观上分析反应速率，即没有从反应动力学上研究物流 变化的原因和状况，缺乏对活性污泥性质的分析研究。 1 3 3 2 能流研究中存在的问题 ( 1 ) 污水处理能耗研究还停留在调查汇总阶段，缺乏统一的理论支撑。国内 外研究者仅从某一具体方面研究能耗和影响能耗的因素，没有全面地揭示污水处 理工艺能耗的本质问题。 ( 2 ) 能耗研究的边界条件不明确导致了在进行能量需求比较时产生的结论相 互矛盾。由于各国生产水平和能源价格差别很大，间接能耗的外延有可能超过研 究的边界，例如如果对地区或包含污水厂的大环境进行资源平衡，能耗问题就不 是简单的消耗量问题，应充分考虑所设定评价指标的生态特性影响条件，如o c p 指标所适用的边界等等，以避免信息不足导致判断失误。 ( 3 ) 能耗研究缺乏合理的、统一的评价指标。该问题与前一问题紧密关联。 一1 6 一 第1 章绪论 目前经常采用的指标，有以处理水量表示的电耗值，也有去除污染物量表示的能 耗，还有当量人口的能耗值。而能耗的单位有各种形式。这一现象使得各种工艺 或处理单元过程的横向比较变得十分困难。大多数指标是化工行业通用形式的沿 用，并未反映污水处理的本质和特点。这在一定程度上阻碍了相关交流和该领域 的研究进程。 1 4 课题来源、研究内容及方法 1 4 1 课题来源 本课题是“十一五”国家科技支撑计划重点项目中的第六个子课题，即a 2 0 工 艺物流及能流综合调控研究。目的是通过对a 2 0 工艺进行物料衡算和能量平衡分 析，找出主要污染指标的输移规律；进行生物处理单元的能量衡算和炯平衡分析， 做出能流图和炯流图，集中概括处理单元用能结构和用能效率，找出能量质损耗 的位置和途径。从而建立污水处理厂内部能量分配平衡体系的评价模型；研究节 能途径并开发节能技术，确定处理系统的综合节能运行方案。 1 4 2 研究内容 本课题主要针对处理规模为1 4 4 m 3 d 的a 2 0 工艺中试系统进行物流和能流的 研究，从而提出污水厂运行节能措施，研究主要包括以下几方面： ( 1 ) 对中试系统进行物料平衡计算，根据计算结果做出c o d 、n 、p 的流向 分配图，以掌握整个污水处理厂的生产运行调度情况，为优化污水处理运行