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研究人员基于一定系统边界和理想假设,建立了一套模拟计算污水厂物质流平衡和能量消耗的模型。
通过对污水厂几个主要耗能工艺流程(曝气能耗、污水提升泵耗和厌氧加热能耗)的分析,验证该模型计算结果与实际能耗基本吻合。其中厌氧产能部分的实际值比理论值低,主要原因是厌氧污泥量仅为设计值的38%,这从侧面反映出目前污水厂污泥厌氧处理负荷不足的现状。
该模型针对北京污水厂的实际污水水质,模拟计算了“污泥厌氧产沼气+热电联产”过程对水厂总体能源自给的影响,其贡献值仅为53%。需要注意的是,在不考虑设备引起的能量损失情况下,碳中和率可以达到270%。
理论值和实际值产生巨大差异的重要因素是设备效率低(提升泵、曝气泵)和工艺过程有待优化(污泥厌氧产甲烷过程)。
图1 能量消耗与回收、碳排放与补偿
除回收污水有机质所蕴含的能量外,还可以考虑污水热能和太阳能。水源热泵技术已经在建筑物室内温度控制上得到成功应用。
基于北京地区污水厂案例研究,污水厂出水水温夏季平均温度低于环境温度4-5℃(6-9月),冬季平均温度高于环境温度10-20℃(10-3月)。大部分月份的温度差能够满足水源热泵技术的应用条件,为利用水源热泵回收污水热能提供了基础。
根据模拟计算结果,1吨出水温度降低1℃时,水源热泵回收的热量若由燃煤锅炉产生,等效于产生0.26kwh煤电时的燃煤消耗。仅利用出水量的1/5所回收的能量足以弥补有机质能回收不足带来的能耗缺口。
然而,水源热泵并不能直接产生电能,富裕热能供给周边地区也存在经济半径(6.5公里以内)。热能的输出利用的同时依托与市政供热网络的互动,以及碳交易市场的发展。
太阳能的利用可以直接提供电能。根据北京几座大型污水厂的情况,每万吨污水处理规模可供太阳能铺设的反应池表面积在1147-1576m²之间。
基于商业化光伏太阳能板的产电效率(覆盖4.65m²时产电能力1.09kwh/d),污水厂太阳能利用可以补偿10%的能耗损失。其对碳中和运行的贡献有限,且投资费用较高。
作者简介:宫徽,清华大学环境学院博士生,从事水处理创新技术研究。曾获“我心中的城市污水处理概念厂”校园创意设计大赛全国总冠军、出版有译注《通往可持续环境保护之路——UASB之父Lettinga的厌氧故事》。
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