建造城市污水處理廠是解決城市水污染問題最重要和最有效的技術(shù)措施,但由于處理設(shè)施基建和運(yùn)營費(fèi)用高昂,能源消耗量大,使這一進(jìn)程在我國的推進(jìn)受到制約。城市污水處理工藝能耗能效研究雖起步較早,卻發(fā)展緩慢,特別在國內(nèi)未引起足夠的重視。迄今為止,該領(lǐng)域的基本理論、研究方法和研究框架在國際、國內(nèi)還無統(tǒng)一的認(rèn)識。 本研究以有機(jī)污染物降解的熱力學(xué)分析和微生物能量利用的熱力學(xué)原理為基礎(chǔ),實(shí)現(xiàn)了水質(zhì)指標(biāo)與能量指標(biāo)的耦合,建立了城市污水處理工藝能量平衡分析的理論模型和能量平衡技術(shù)指標(biāo)體系的框架,提出了處理廠能效評價(jià)的方法。在該體系的指導(dǎo)下,本文對數(shù)座城市污水處理廠進(jìn)行了實(shí)例研究并提出了其中一座廠的節(jié)能運(yùn)行方案,通過生產(chǎn)性實(shí)驗(yàn),驗(yàn)證了方案的可行性與可靠性。主要工作和結(jié)論如下: (1)本文在對我國城市污水處理典型工藝能量利用現(xiàn)狀考察的基礎(chǔ)上,概括分析了國內(nèi)常見污水污泥處理工藝的耗能特點(diǎn)、處理廠常用設(shè)備裝置和工藝過程的耗能水平,并對直接能耗(主要是電耗)費(fèi)用與全廠運(yùn)轉(zhuǎn)費(fèi)用的關(guān)系作了定性評估。 (2)本文根據(jù)化工熱力學(xué)和生物熱力學(xué)的相關(guān)理論,對有機(jī)物代謝的能量轉(zhuǎn)移、ATP在分解代謝和合成代謝中的耦聯(lián)作用等作了概括和歸納,并對細(xì)胞增殖的熱力學(xué)模型作了分析。污水處理工藝過程遵守?zé)崃W(xué)基本定律;在生物反應(yīng)器系統(tǒng)中發(fā)生的是不可逆過程,能量利用存在損失;可以依據(jù)化工熱力學(xué)和生物熱力學(xué)的基本理論建立污水處理工藝的能量平衡分析方法。 (3)本文完善了污染物化學(xué)能的概念和計(jì)算方法。按照所依據(jù)的熱力學(xué)定律,污染物化學(xué)能分為化學(xué)焓與化學(xué)()。在化學(xué)能量變與質(zhì)變的不同層面上,本文建立了污染物化學(xué)焓和化學(xué)()與常規(guī)水質(zhì)指標(biāo)COD和TOC的定量關(guān)系,實(shí)現(xiàn)了污染物濃度指標(biāo)與能量指標(biāo)的耦合:污水有機(jī)污染物水質(zhì)指標(biāo)與化學(xué)焓的關(guān)系為:hch=13.91kJ/gCOD,即每g有機(jī)物可測定的COD包含13.91kJ的化學(xué)焓;微生物細(xì)胞的平均化學(xué)焓含量為22.15kJ/gVSS;污水有機(jī)污染物水質(zhì)指標(biāo)與化學(xué)()的關(guān)系為E0xc=13.825kJ/gCOD,即每g有機(jī)物可測定的COD包含13.825kJ的化學(xué)();微生物細(xì)胞的平均化學(xué)()含量為22.605kJ/gVSS。 (4)本研究在國內(nèi)首次建立了污水生物處理單元能量衡算的黑箱模型和()平衡分析的灰箱模型,這兩個(gè)模型統(tǒng)一了處理流程外部能源消耗與內(nèi)部能量變遷的表達(dá)方式。結(jié)合采用上述兩類能量分析法(焓和())考察了目前國內(nèi)常用的四種二級處理工藝的實(shí)際運(yùn)行和用能情況。焓衡算從用能結(jié)構(gòu)上剖析了各處理廠能量形態(tài)的變化和流向,()分析方法明確了能量質(zhì)的損耗發(fā)生的位置和途徑。本研究提出和建立了評價(jià)城市污水處理廠能量利用和回收效率的技術(shù)指標(biāo)體系(包括單耗指標(biāo)、綜合能耗指標(biāo)、利用率指標(biāo)和回收率指標(biāo)),并對比能耗指標(biāo)與熱效率指標(biāo)的實(shí)際應(yīng)用進(jìn)行了對比。結(jié)論認(rèn)為:能量利用率指標(biāo)較之比能耗指標(biāo)更為客觀和嚴(yán)密,有助于指導(dǎo)現(xiàn)有污水廠具體進(jìn)行節(jié)能降耗。 (5)基于上述能量分析方法,在某二級污水處理廠進(jìn)行了應(yīng)用并指導(dǎo)其運(yùn)轉(zhuǎn)方式改造的實(shí)踐。對該廠的污水生物處理單元進(jìn)行了連續(xù)進(jìn)出水、間歇曝氣運(yùn)轉(zhuǎn)方式的生產(chǎn)性試驗(yàn)研究。對經(jīng)試驗(yàn)后推薦的運(yùn)行工況進(jìn)行了能量平衡分析和用能評價(jià),得出如下結(jié)論:能量平衡分析方法可以方便地確定能源在處理系統(tǒng)或設(shè)備中轉(zhuǎn)化、傳遞和散逸的情況;間歇曝氣工藝顯著提高了污水生物處理單元的能量利用率和()效率,其用能結(jié)構(gòu)較為合理;該運(yùn)轉(zhuǎn)方式的能耗降低主要來自于外部()損失的減少,同時(shí)污泥減量明顯;連續(xù)流間歇曝氣工藝能取得優(yōu)良的出水水質(zhì),并具備良好的脫氮能力。
doi:
10.7666/d.y794997
關(guān)鍵詞:
污水處理 能量平衡分析 節(jié)能技術(shù) 間歇曝氣 污染物化學(xué)能 市政工程 城市污水處理工藝
作者:
高旭
學(xué)位授予單位:
重慶大學(xué)
授予學(xué)位:
博士
學(xué)科專業(yè):
市政工程
導(dǎo)師姓名:
龍騰銳
學(xué)位年度:
2002
語種:
中文
分類號:
TU992.7 X703
在線出版日期:
2012年07月27日
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