基于污泥厭氧發(fā)酵的太陽(yáng)能-高溫水源熱泵供熱系統(tǒng)研究

劉 杰， 王 軍， 萬(wàn) 鵬， 郭 煒

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

由于我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速增長(zhǎng)，城市的污水處理量與日劇增，相應(yīng)污泥的量也隨之增多[1-2]，近年來(lái)，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(yīng)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(chǎn)生的沼氣優(yōu)先用于發(fā)電，發(fā)動(dòng)機(jī)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(bǔ)充。而高溫消化(55℃)因其衛(wèi)生條件好、消化時(shí)間短、產(chǎn)氣量較多等優(yōu)點(diǎn)逐漸成為未來(lái)發(fā)展的方向。但高溫消化對(duì)溫度要求高，需要的加熱量大，目前主要利用燃煤、燃?xì)忮仩t將污泥加熱至反應(yīng)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(tǒng)推廣普及應(yīng)用的制約因素。

本文設(shè)計(jì)在污水廠內(nèi)鋪設(shè)太陽(yáng)能集熱器和高溫水源熱泵，采集太陽(yáng)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(chǎn)生沼氣熱電聯(lián)產(chǎn)；對(duì)于太陽(yáng)能不足時(shí)，利用高溫水源熱泵從中水里提取熱量加熱污泥,從而實(shí)現(xiàn)污泥的高溫厭氧發(fā)酵?；谔?yáng)能-高溫水源熱泵供熱的方案下，對(duì)污泥高溫厭氧發(fā)酵系統(tǒng)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，期望為此系統(tǒng)推廣應(yīng)用提供有利參考。

1 工程概況

該污水處理廠服務(wù)面積24 km2，工程設(shè)計(jì)規(guī)模為16萬(wàn)m3，1期工程于1993 年竣工投產(chǎn)運(yùn)行，處理工藝采用A-B法，日處理規(guī)模8萬(wàn)m3，在2010年擴(kuò)建工程增加8萬(wàn)的處理能力。污水處理工藝改為MSBR工藝法，出水水質(zhì)全部達(dá)到現(xiàn)行國(guó)家城市生活污水一級(jí)B排放標(biāo)準(zhǔn)。該污水廠采用額定功率500 kW的燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組，共設(shè)有4臺(tái)發(fā)電機(jī)組。

2 污泥中溫消化-熱電聯(lián)產(chǎn)工藝分析

該水廠采用“中溫厭氧消化+熱電聯(lián)產(chǎn)”工藝，通過(guò)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(yùn)行。

污水處理和污泥厭氧發(fā)酵工藝過(guò)程如下：初沉池產(chǎn)生的污泥經(jīng)過(guò)預(yù)濃縮池重力濃縮后與MSBR池處理后經(jīng)重力濃縮和機(jī)械濃縮后的剩余污泥混合，進(jìn)入?yún)捬跸剡M(jìn)行中溫厭氧消化，一般消化溫度為35℃～38℃，產(chǎn)生的沼氣用于廠內(nèi)發(fā)電自用；在冬天無(wú)法滿(mǎn)足所需熱量的條件時(shí)將生成的一部分沼氣用于加熱熱水鍋爐[5]。沼氣熱電聯(lián)產(chǎn)現(xiàn)有系統(tǒng)如圖1。

圖1 沼氣熱電聯(lián)產(chǎn)現(xiàn)有系統(tǒng)

3 運(yùn)行參數(shù)分析

據(jù)資料顯示，我國(guó)污泥厭氧發(fā)酵系統(tǒng)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(jī)組的缸套水熱量和煙氣鍋爐產(chǎn)生的熱量可以基本維持中溫厭氧消化系統(tǒng)的運(yùn)行。與中溫消化相比，高溫消化時(shí)污泥的發(fā)酵時(shí)間短，產(chǎn)氣量多，筆者在現(xiàn)有熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)設(shè)計(jì)，提出了基于污泥厭氧發(fā)酵的太陽(yáng)能-高溫水源熱泵供熱系統(tǒng)，為高溫發(fā)酵補(bǔ)充熱量[6-7]。

目前我國(guó)幾乎沒(méi)有污水廠采用污泥高溫消化系統(tǒng)，因此在本設(shè)計(jì)中筆者根據(jù)2016年該污水廠中溫運(yùn)行的數(shù)據(jù)推算系統(tǒng)改用高溫消化后系統(tǒng)的運(yùn)行情況。根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)[8-11]可知，在相同污泥量的情況下，高溫消化產(chǎn)氣量相較于中溫消化產(chǎn)氣量將提高40%～60%(本文取50%)。依據(jù)內(nèi)燃機(jī)的性能曲線(xiàn)，發(fā)電機(jī)的運(yùn)行負(fù)荷增加使得內(nèi)燃機(jī)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(tǒng)運(yùn)行影響因素較多，筆者根據(jù)中溫時(shí)測(cè)得新鮮污泥溫度、環(huán)境日平均溫度、單位污泥產(chǎn)沼氣量和沼氣中甲烷含量等影響因素的波動(dòng)性大小，將污水廠全年運(yùn)行數(shù)據(jù)劃分為4個(gè)階段，并根據(jù)以上推論通過(guò)能量守恒定律和質(zhì)量守恒定律計(jì)算出高溫系統(tǒng)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(tǒng)總需熱量E,現(xiàn)將該污水廠的現(xiàn)有系統(tǒng)和高溫污泥厭氧發(fā)酵系統(tǒng)各個(gè)階段運(yùn)行情況進(jìn)行對(duì)比，如圖2～圖5所示。

圖2 階段1中溫系統(tǒng)與高溫系統(tǒng)的運(yùn)行情況對(duì)比

圖3 階段2中溫系統(tǒng)與高溫系統(tǒng)的運(yùn)行情況對(duì)比

圖4 階段3中溫系統(tǒng)與高溫系統(tǒng)的運(yùn)行情況對(duì)比

由圖2～圖5可知，中溫系統(tǒng)污泥能夠基本靠發(fā)電機(jī)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(jī)組余熱量大于系統(tǒng)需熱量?；厥盏臋C(jī)組余熱量較中溫系統(tǒng)多32%～50%，高溫系統(tǒng)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(jìn)入分水器的水溫有要求(不超過(guò)45℃)，循環(huán)水加熱完污泥之后需要繼續(xù)與中水換熱達(dá)到合適水溫(44℃)才能進(jìn)入集水器，造成熱量流失。

圖5 階段4中溫系統(tǒng)與高溫系統(tǒng)的運(yùn)行情況對(duì)比

4 基于污泥厭氧發(fā)酵的沼氣太陽(yáng)能耦合熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)

4.1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

圖6為基于污泥厭氧發(fā)酵的太陽(yáng)能+高溫水源熱泵供熱系統(tǒng)。

該系統(tǒng)的兩種運(yùn)行模式如下：

(1)太陽(yáng)能聯(lián)合高溫水源熱泵運(yùn)行模式：太陽(yáng)能充足時(shí)，太陽(yáng)能集熱器加熱熱水，這時(shí)關(guān)閉閥門(mén)a，打開(kāi)閥門(mén)b，控制循環(huán)熱水全部進(jìn)入太陽(yáng)能集熱器，于是循環(huán)熱水通過(guò)閥門(mén)b，在板式換熱器內(nèi)與太陽(yáng)能集熱器加熱的熱水進(jìn)行換熱，升高溫度，這部分熱水再進(jìn)入高溫水源熱泵被加熱到67℃～72℃，然后循環(huán)熱水進(jìn)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(mǎn)足發(fā)電機(jī)組外循環(huán)水要求(冷卻水進(jìn)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?zé)嵩?28℃～32℃)，與高溫水源熱泵換熱后排入大海。

(2)高溫水源熱泵獨(dú)立運(yùn)行模式：夜間或者陰雨天等太陽(yáng)能不足的情況下，太陽(yáng)能集熱器不能加熱循環(huán)熱水，此時(shí)關(guān)閉閥門(mén)b，開(kāi)啟閥門(mén)a,使外循環(huán)水不與太陽(yáng)能系統(tǒng)的儲(chǔ)熱水箱進(jìn)行換熱，而是全部直接通過(guò)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(yáng)能系統(tǒng)

太陽(yáng)能集熱器是一種吸收太陽(yáng)的輻射能并向工質(zhì)傳遞熱量的裝置，目前最常用的主要有平板型太陽(yáng)能集熱器和真空管型太陽(yáng)能集熱器。本設(shè)計(jì)中采用真空管型太陽(yáng)能集熱器，真空管型太陽(yáng)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(yáng)能集熱器仍然能夠集熱，而且它的集熱效率能達(dá)到60%～70%。

圖6 太陽(yáng)能+高溫水源熱泵供熱系統(tǒng)

受到安裝場(chǎng)地面積限制，現(xiàn)使太陽(yáng)能集熱器面積為6915.4 m2，在光照充足時(shí)承擔(dān)系統(tǒng)部分需熱負(fù)荷，其余熱負(fù)荷由高溫水源熱泵補(bǔ)充。4個(gè)階段太陽(yáng)能集熱器供熱量如表1所示。

表1 太陽(yáng)能集熱器供熱量

4.3 高溫水源熱泵系統(tǒng)

該污水廠的污水通過(guò)污水處理工藝得到的最后出水為中水，其無(wú)毒無(wú)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(chǎn)中水在14萬(wàn)噸左右；高溫厭氧發(fā)酵系統(tǒng)中，中水需要將從污泥套管換熱器出來(lái)后的50℃左右的熱水換熱至44℃左右，如果直接排海，會(huì)造成大量的熱量浪費(fèi)。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(bǔ)充系統(tǒng)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(tǒng)方案的綜合評(píng)價(jià)

5.1 系統(tǒng)能量分析

根據(jù)熱力學(xué)第一定律，系統(tǒng)的熱能和機(jī)械能在轉(zhuǎn)移或轉(zhuǎn)換時(shí)能量的總量必定守恒。現(xiàn)將高溫系統(tǒng)的各個(gè)子系統(tǒng)的能量參數(shù)計(jì)算出來(lái)，圖7為系統(tǒng)的能量分析。

圖7 系統(tǒng)的能量分析

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

5.2 經(jīng)濟(jì)效益分析

5.2.1 系統(tǒng)的改進(jìn)初投資

系統(tǒng)改進(jìn)初投資主要是對(duì)該系統(tǒng)引入的高溫水源熱泵，太陽(yáng)能集熱器等設(shè)備的成本、設(shè)備安裝費(fèi)、配套費(fèi)等進(jìn)行分析計(jì)算。根據(jù)市場(chǎng)調(diào)研得知，高溫水源熱泵的價(jià)格約為0.6元·W-1，太陽(yáng)能集熱器按照600元·m-2計(jì)算，板式換熱器與套管換熱器均按300元·m-2計(jì)算，熱泵配套費(fèi)按180元·kW-1計(jì)算，系統(tǒng)改進(jìn)初投資的具體計(jì)算數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。

表2 系統(tǒng)改進(jìn)初投資計(jì)算表

5.2.2 費(fèi)用年值

費(fèi)用年值法是將項(xiàng)目初投資的現(xiàn)值按照時(shí)間價(jià)值等額分?jǐn)偟礁魇褂媚晗拗腥サ膭?dòng)態(tài)經(jīng)濟(jì)分析方法。其包括年固定費(fèi)用和年運(yùn)行費(fèi)用，年固定費(fèi)用為系統(tǒng)初投資在使用年限內(nèi)每年消耗的費(fèi)用，計(jì)算得到年固定費(fèi)用為72.3萬(wàn)元，年運(yùn)行費(fèi)用為194萬(wàn)元，費(fèi)用年值為266.3萬(wàn)元。

5.2.3 年電費(fèi)收益

收益指來(lái)自發(fā)電所獲得的凈發(fā)電收益與費(fèi)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(shí)間來(lái)計(jì)算，電價(jià)按0.89元·度-1計(jì)，則年發(fā)電收入為687.15萬(wàn)元。年電費(fèi)收益為420萬(wàn)元，同時(shí)求得中溫系統(tǒng)的收益為459萬(wàn)元，高溫系統(tǒng)的年電費(fèi)收益較中溫系統(tǒng)少8.5%。

5.3 環(huán)境效益分析

基于環(huán)境效益的評(píng)價(jià)指標(biāo)成為評(píng)價(jià)一個(gè)方案系統(tǒng)優(yōu)劣不可缺少的標(biāo)準(zhǔn)。污水廠的沼氣熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)相對(duì)于單產(chǎn)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)主要體現(xiàn)在CO2，SO2，NOx以及煙塵的減排量；系統(tǒng)總的凈發(fā)電量為772萬(wàn)kWh，因此，對(duì)減少煤炭燃燒所帶來(lái)的效益E進(jìn)行估算,該系統(tǒng)環(huán)境效益E約為224.7萬(wàn)元，同時(shí)求得中溫系統(tǒng)的環(huán)境效益E約為132.1萬(wàn)元，高溫系統(tǒng)較中溫系統(tǒng)的環(huán)境效益提高70.1%。

6 結(jié)論

(1)采用太陽(yáng)能 -高溫水源熱泵供熱系統(tǒng)為污泥供熱，可充分利用太陽(yáng)能、中水能等可再生能源，減少一次能源的消耗量，與傳統(tǒng)供熱系統(tǒng)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(dá)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(tǒng)熱量流失。

(3)太陽(yáng)能集熱器由于受到安裝面積和初投資的限制，只能承擔(dān)本系統(tǒng)中24%～38%的系統(tǒng)總需熱量。高溫水源熱泵不僅能承擔(dān)大部分的熱量負(fù)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(yáng)能-高溫水源熱泵供熱系統(tǒng)的初投資較大，造成實(shí)際的年電費(fèi)收益略少于中溫系統(tǒng)，但發(fā)酵時(shí)間短、產(chǎn)氣量多，凈發(fā)電量較大，環(huán)境效益較中溫系統(tǒng)提高70.1%。