截至目前，國內(nèi)尚未發(fā)現(xiàn)對污水中潛能進行定量計算的報道，對于污水潛能大多引用國外數(shù)據(jù)，并引發(fā)一些質(zhì)疑。為此，北京建筑大學中—荷未來污水處理技術(shù)研發(fā)中心郝曉地教授團隊試圖通過之前已建立的能量平衡與計算模型，分別定量計算污水中蘊含的化學能與熱能含量，以詮釋污水潛能的蘊藏量以及可以回收利用的價值，讓業(yè)內(nèi)人士真正了解污水潛能的來源與豐量。
郝曉地(1960-)，山西柳林人，教授，從事市政與環(huán)境工程專業(yè)教學與科研工作，主要研究方向為污水生物脫氮除磷技術(shù)、污水處理數(shù)學模擬技術(shù)、可持續(xù)環(huán)境生物技術(shù)。 現(xiàn)為國際水協(xié)期刊《Water Research》區(qū)域主編(Editor)。
污水中含有有機物(COD)化學能和余溫熱能，但這種潛能一直不被人們所重視。計算表明，污水所含化學能、熱能理論值雖然前者小于后者，但相差倍數(shù)(3.33)不大，取決于進水COD濃度。然而，COD化學能在能量轉(zhuǎn)化過程中有相當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。對某實際污水處理廠(COD=400 mg/L)潛能轉(zhuǎn)化計算顯示，污泥厭氧消化產(chǎn)甲烷(CH4)后實施熱電聯(lián)產(chǎn)(CHP)可轉(zhuǎn)化的化學能折算電當量僅為0.20 kW˙h/m3，只能滿足實際運行耗能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46.8%碳中和運行赤字能量?？傊?，實例廠供熱時出水熱能與化學能所占總潛能值比例分別為90%和10%;折算電當量后，總潛能值為1.97 kW˙h/m3。
有關(guān)污水化學能與熱能計算顯示，城市污水中所蘊含的潛能(化學能+熱能)值可達污水處理耗能的9~10倍。同時也有人指出，城市污水中化學能約占總潛能值的10%，而90%的污水潛能由熱量產(chǎn)生;美國原污水中廢熱和化學能含量約為1500億kW˙h，其中80%為廢熱，20%為化學能。然而，這些被定量的污水潛能值在文獻中很難找到具體的估算方法或計算有誤，對大多數(shù)人來說似乎還是一個比較模糊的估計值，仍屬于“定性”范圍。
1 污水潛能理論計算
1.1
化學能計算有關(guān)污水有機物中蘊含的化學能，一些研究者從不同角度進行過定量評估。化學能評估大都基于生活污水所含有機物的COD值，以兩種方式表征：1)單位COD含能值;2)單位(m3)水量COD化學潛能值。本研究采用第二種方式計算污水有機物理論化學潛能值。污水有機物最大理論化學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)化過程的實際能量損失。假如城市污水COD含量為400 mg/L，所含化學能可按CH4氧化計量方程計算，見化學計量式(1)。
根據(jù)公式(1)，0.25 g CH4氧化需要消耗1 g O2。換句話說，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：
因為CH4燃燒熱為50200 kJ/kg，所以，當污水COD含量為400 mg/L時，每m3污水理論最大化學潛能值為：
污水化學能顯然取決于進水COD濃度，不同COD濃度下每m3污水所能獲取的理論最大化學潛能值可根據(jù)表1能源換算關(guān)系轉(zhuǎn)變成電當量，具體計算結(jié)果如圖1所示。具體而言，COD=400 mg/L時轉(zhuǎn)換的電當量為0.56 kW˙h/m3。
表1 能源換算關(guān)系
1.2
熱能計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)式計算。
式中：A—城市污水冷/熱量，kJ
M—污水質(zhì)量，kg
Δt—污水進出水源熱泵機組溫差，℃
C—污水比熱容，計算時取比熱容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)變成電當量為1.85 kW˙h/m3。
1.3
熱能與化學能比值
圖1 不同COD濃度下污水熱能與化學能比值以及每m3污水所含化學潛能理論值
2 污水處理廠潛能轉(zhuǎn)化計算
2.1
化學能轉(zhuǎn)化計算不同污水處理工藝因運行工況和所需設備不同導致處理過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所示的流程編號建立計算公式。假設污泥厭氧消化產(chǎn)生的沼氣以熱電聯(lián)產(chǎn)(CHP)方式利用，并以此計算化學能轉(zhuǎn)化值，主要計算公式列于表2;其中，能量消耗定義為正，能量回收顯示為負。
圖2 化學能轉(zhuǎn)化模型參考工藝流程
表2 化學能轉(zhuǎn)化計算公式
2.2
熱能轉(zhuǎn)化計算 水源熱泵總供熱量/制冷量可用式(6)計算。
式中：AR/L—熱泵總供熱量/制冷量，kJ;下標R/L分別代表供熱/制冷工況;
W—熱泵所消耗電能對輸出熱能的貢獻值。
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，無因次)計算，即A:W:AR/L= COP ±1:1:COP(供熱時取“-”，制冷時取“+”);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“±”號選取根據(jù)不同目的而異。冬季供熱時，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，水源熱泵消耗電能向污水轉(zhuǎn)化熱能為負，降低了輸出熱能值，因此取“-”。
3 案例計算、分析
污水實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m3/d。該廠全年平均進/出水水質(zhì)以及相關(guān)運行參數(shù)列于表3。初沉與剩余污泥經(jīng)過厭氧消化穩(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)及運行參數(shù)
3.2
化學能轉(zhuǎn)化計算
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水量的影響，并假定初沉池對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，對案例廠進行物料衡算，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)計算公式，可對化學能轉(zhuǎn)化進行計算，其中，c=4200 J/(kg˙℃)，ρ=1020kg/m3，α=0.8。案例廠厭氧消化池設計進泥量為3000 m3/d，Q8-9=Q7-8=3000 m3/d。因為在消化池中溶解性COD(SCOD)并不能完全被降解(我國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%(計算取值80%)，所以，最后可得出案例廠工藝化學能轉(zhuǎn)化計算結(jié)果，列入表4。
表4 案例污水處理廠工藝化學能轉(zhuǎn)化計算結(jié)果
表4計算結(jié)果顯示，污泥厭氧消化產(chǎn)CH4如果實施熱電聯(lián)產(chǎn)，所產(chǎn)生的能量遠高于厭氧消化池加熱所投入的能量，即，污泥厭氧消化確實是一種能量轉(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)后所獲得的實際化學能，可以抵消曝氣、回流、消化池加熱等環(huán)節(jié)的能量消耗，以減少對外部能源的依賴。
3.3
熱能轉(zhuǎn)化計算案例廠出水流量、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m3)，提取溫差設定Δt=4 ℃，則案例廠每天出水所含熱量計算如下：
根據(jù)綜合公式(6)和COP定義得到熱泵實際供熱量/制冷量的變形計算公式(8)。
計算中，分別取熱泵機組供熱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，可計算系統(tǒng)可獲取的熱/冷量、系統(tǒng)供熱/制冷時機組實際能耗，計算結(jié)果見表5。
表5 水源熱泵系統(tǒng)利用案例廠出水可產(chǎn)生的當量電量
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的電當量，熱泵機組每天凈產(chǎn)出電當量1062333 kW˙h。在制冷工況下，每消耗213022 kW˙h電量，可產(chǎn)生920179 kW˙h電當量，熱泵機組每天凈產(chǎn)能電當量707157 kW˙h?？梢?，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)化的化學能相比，熱能顯著高于化學能;供熱時熱能與化學能比值為1 062333/118056=9.0，制冷時熱能與化學能的比值為707157/118 056=6.0。
3.4
潛能評價與碳中和運行為評價污水可獲潛能與污水處理碳中和運行的可行性，將上述案例廠每天經(jīng)轉(zhuǎn)化可獲得的潛能值與實際運行耗能進行比較，數(shù)據(jù)列于表6，其中，輸入為正，輸出為負，能量單位kW˙h。
表6 案例廠能耗及可獲化學能
表6顯示，案例廠實際運行時每天總能耗為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%，并不能涵蓋全部運行能耗。但是，如果用水源熱泵彌補46.8%碳中和運行能量赤字，每天只需使用5.9萬m3(供熱時)和8.8萬m3(制冷時)的出水，僅相當于60萬m3/d處理水量的9.8%和14.7%。也就是說，只需利用不足15%的出水熱量即可彌補化學能在實現(xiàn)碳中和運行時的能量赤字?？梢姡鬯鄿厮芰恐薮?，85%的熱/冷能可供廠外周邊供熱/制冷用戶使用。
案例廠實際運行能耗為0.37 kW˙h/m3;熱電聯(lián)產(chǎn)轉(zhuǎn)化的化學能電當量為0.20 kW˙h/m3;供熱/制冷時(全部出水)熱能電當量分別為1.77 kW˙h/m3和1.18 kW˙h/m3。電當量折算表明，供熱時化學能與熱能潛能值合計為1.97 kW˙h/m3，制冷時合計為1.38 kW˙h/m3。
4 結(jié)語
污水有機物化學能與余溫熱能計算表明，污水中確實蘊含著巨大的潛在能量。污水所含化學能、熱能理論值雖然前者小于后者，但相差倍數(shù)不大，取決于進水COD濃度。如果進水COD=400 mg/L，與獲取4 ℃余溫差熱量相比，熱能約為化學能的3.33倍。
然而，有機物化學能在實際能量轉(zhuǎn)化過程中有相當一部分不能回收(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)。實際案例計算表明，以水源熱泵轉(zhuǎn)化同樣溫差(4 ℃)熱能實際可獲取的熱/冷量分別是污泥厭氧消化產(chǎn)甲烷(CH4)后熱電聯(lián)產(chǎn)(CHP)可獲得化學能的9.0倍(供熱)和6.0倍(制冷)，即供熱時污水熱能與化學能所占比例大約為90%和10%，與國際專家聲稱值(90%和10%)完全一致。
污水潛能折算電當量后顯示，熱電聯(lián)產(chǎn)轉(zhuǎn)化的化學能電當量為0.20 kW˙h/m3，而供熱/制冷時(全部出水)電當量分別為1.77 kW˙h/m3和1.18 kW˙h/m3。電當量折算表明，供熱時化學能與熱能潛能值合計1.97 kW˙h/m3，制冷時合計1.38 kW˙h/m3。
案例廠實際運行能耗為0.37 kW˙h/m3，上述經(jīng)轉(zhuǎn)化后可獲得的有機物化學能(0.20 kW˙h/m3)僅能滿足碳中和運行能量需求的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。
污水潛能計算結(jié)果預示著我國污水處理行業(yè)若要實現(xiàn)碳中和運行，僅靠有機物化學能是遠遠不夠的，必須就近考慮利用潛在、巨大的污水余溫熱能。誠然，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行赤字電量。
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