青島某污水廠對沼氣熱電聯產預估模型的分析

李淑夏

（烏蘭察布市園林服務中心）

0 工程介紹

該污水處理廠位于山東省青島市，于1993 年建成，為青島市興建的第一座污水處理廠；2010年，對其進行了改造擴建，設計日處理規模擴大為16 萬t，實際處理量在14.5 萬t/d；出水水質達到國家一級B 標準，處理工藝由以前的AB 法改為現在的MSBR 法；2015 年初，污水廠正式啟動污泥厭氧消化與熱電聯產系統，污泥進行一級中溫厭氧消化，溫度控制在35～38℃之間，污泥有效停留時間為20 天；四座圓柱形消化池直徑均為28m，深度為19.3m，體積為10335m3，設計日進泥量為500m3，實際運行時污泥只能滿足三座消化池；沼氣發電機組共有四臺，采用某集團生產的額定功率為500kW、轉速為1000r/min、發電效率為0.35 的機組，發電機組的煙氣部分或全部通過煙道式余熱鍋爐產生熱水，內燃機的缸套冷卻水則通過管殼換熱器與外循環水進行換熱；污水廠還配有兩臺額定熱功率為2.8MW 的沼氣熱水鍋爐，只有在循環熱水溫度較低時才啟用。該污水廠污泥厭氧消化與熱電聯產系統工藝流程如圖1 所示。

圖1 污泥厭氧消化與沼氣熱電聯產工藝流程圖

1 數據分析

污泥中溫消化的時間在15～20 天之間，因此，以15 天為一個周期對該污水廠全年污水量、污泥量以及沼氣量的運行數據進行劃分，則全年24 個周期數據變化趨勢如圖2、圖3 所示。

圖2 日處理污水量與日產污泥量的變化曲線

圖3 日消化污泥量與日產沼氣量的變化曲線

從圖中可以看出，污水量、污泥量與沼氣量之間并不成正比例變化，污水量與污泥量的變化主要與人們生活習慣、飲食、氣候有關，在夏季，雨水與生活用水增多，污水量多，但人們飲食清淡，污水中有機成分減少，所以污泥量減少；冬季則與夏季恰好相反，污水量減少，人們飲食高熱量高、高蛋白食物較多，以至于污泥量較夏天多[1]。

由于圖2、圖3 的變化曲線可知，污泥量與污水量、沼氣量與污泥量之間的數量關系全年是不固定的，相關資料顯示，我國城市污水廠的污泥產量為每104m3污水產含水率96%的污泥23～70m3，平均則為35.9m3污泥/104m3污水，而該污水廠在同樣含水率的情況下最高為190.4m3污泥/104m3污水，最低為100.1m3污泥/104m3污水，平均污泥產率為79m3污泥/104m3污水，產率高于國家平均值[2-3]，如圖4 所示。單位污泥產氣量的變化主要是夏季環境溫度高，微生物活性高，降解能力就高，所以在未進入消化罐前，已有部分沼氣產生，并散發到空氣中，從而進入消化池內的污泥微生物減少，產氣量自然下降；冬季大部分微生物儲存在泥量，在進入消化池后隨溫度的增加開始分解產沼氣，有助于污泥厭氧消化，產生更多的沼氣。

圖4 全年產氣率變化

通過對大部分北方污水廠的污泥厭氧消化數據進行分析，得到這些污水處理廠的沼氣率為4～14m3沼氣/m3污泥，平均為7.5m3沼氣/m3污泥（含水率為96%）[4]，該污水廠在不同周期段內污泥產氣率有變化，最高為12m3沼氣/m3污泥，最低為5m3沼氣/m3污泥，平均為8.5m3沼氣/m3污泥，可見，該污水廠整體產氣率要略高于大部分污水廠。

2 數學模型的建立

據相關資料顯示，全國污水處理廠很多，建有污泥厭氧發酵與熱電聯產系統的污水廠也有一部分，但真正運行該系統的卻寥寥無幾，不是運轉半途終止，就是因為不了解系統啟動后的運轉情況，干脆不啟動系統[5]。該污水廠污泥厭氧發酵系統啟動至今已有將近兩年時間，不僅未出過故障，而且運轉平穩和良好，這很大一部分原因在于他們能對系統進行及時的預測與調節，因此，本文通過污水廠全年運行數據的詳細分析，找出了各個變量相互間的依賴關系，建立了一個簡易的數學模型，該模型可以對估算污水廠污泥厭氧發酵與熱電聯產系統的運轉情況起到一定參考作用，其計算流程如圖5 所示。

圖5 數學模型計算流程圖

圖5 所示流程的主要計算說明為輸入一定的沼氣量L，設定單位污泥產氣量c、新鮮污泥溫度T、厭氧消化溫度T1、測試沼氣甲烷含量a以及選定發電機組，然后通過MATLAB 平臺上進行數學模型的計算，便可得到與沼氣熱電聯產系統運行相關的污泥量L1、加熱污泥量所需熱量Q3、發電機組的最佳運行臺數n、煙氣熱量Q1與缸套冷卻水熱Q2的利用效率以及污泥實際消化溫度T2等參數。

該污水廠污泥厭氧消化數據雖然全年均有波動，但是，根據新鮮污泥溫度、環境日平均溫度、環境日最高溫度以及單位污泥產沼氣量、沼氣中甲烷含量等影響因素，可以進一步把2022 全年運行數據大致劃分為四個階段，其中4 月1 日～6 月15 日為第一個階段，6月16 日～9 月30 日為第二個階段，10 月1 日～11 月15日為第三個階段，11 月16 日～3 月31 日為第四個階段。將每個階段再次分為三部分，則每個階段的運行參數為該階段一、三部分的平均值，見表1。

表1 每個階段運行參數值

利用污水廠每個階段第二部分的實際運行測試數據，與表1 中所設參數以及運用數學模型計算出的系統運行情況進行對比，驗證參數與模型的準確性以及偏差產生的原因，偏差在-10%～20%內均認為合理。

對于第一階段，選取5 月份1～10 日的實際運行數據與數學模型計算數據進行對比，計算得到污泥溫度偏差為+1℃，發電量的計算數據與實際測試數據的偏差如圖6 所示，圖中展示了偏差隨著沼氣中甲烷含量的變化而變化的趨勢。

圖6 計算電量與實際電量的差值百分比隨沼氣中甲烷含量變化而變化的趨勢圖

由圖6 可知，沼氣中甲烷含量為59%時，計算電量與實際數據的平均偏差為2%，發電機組運行負荷與煙氣熱量隨沼氣中甲烷含量的變化趨勢與電量相同，它們與實際運行數據的偏差分別為1%、4%，并且隨著沼氣中甲烷含量這一參數的變化，偏差有增有減，可見，該參數對整個系統的電量和余熱量有較大影響；圖7 則分別展示了計算污泥量、未回收煙氣熱量與實際數據的變化趨勢，污泥量的偏差波動較小，最大僅為15%，模型計算的未進行回收利用的煙氣熱量與實際運行偏差較大，這主要與污泥溫度、沼氣甲烷含量、污泥需熱量等均有關，該偏差屬于累計偏差，因此波動較大，綜上所述，所有參數偏差均在允許范圍內，因此，階段一的設定參數與數學模型在該階段可行，準確性較高。同理，對其余三個階段運用同樣的方法分別選取8 月5～15 日、10 月16～25 日、1 月25 日～2 月5 日的實際測試數據與模型計算數據進行對比分析，得到偏差均在合理范圍內，為了進一步驗證該數學模型及所設參數的可行性，在兩臺發電機運行的情況下，又對該污水廠2023 年3 月份與6月份的運行數據進行了測試，見表2、表3。

表2 該污水廠實際運行數據

表3 該污水廠模型計算數據

圖7 計算污泥量、未回收余熱煙氣量與實際數據對比

因為3 月份屬于第四段，6 月份上旬屬于第二階段，下旬屬于第三階段，因此，用模型計算時，相應參數值取表1 數據，則計算結果與實際運行的偏差如圖8、圖9 所示。

圖8 計算數據與實際數據對比

圖9 計算數據與實際數據偏差百分比

兩圖中，橫坐標1～4 點分別代表3 月上旬數據、3 月下旬數據、6 月上旬數據、6 月下旬數據；從圖8 中可以看到，計算污泥溫度與實際污泥溫度最多偏差3℃，經查詢資料發現，2023 年氣溫上半年氣溫較2022 年高。因此，造成了污泥溫度的升高；消化溫度受外界因素影響不大，因此偏差較小；圖9 中單位污泥產氣量設定值與實際值略有偏差，這主要與泥質中的有機物含量有關，由于該參數的影響，所以造成計算污泥量與實際污泥量產生了較大偏差，但偏差最多為20%，并未影響到系統的整體運行，其他參數的模型計算值與實際值偏差較小。綜上所述，通過不同年份中相同階段的實際運行與模型計算數據的分析對比，得到兩者雖有偏差，但均在合理范圍內，除去偏差影響因素，模型計算數據以及設定參數基本與實際值基本吻合，因此，該模型以及所設參數可以運用于該污水廠對沼氣熱電聯產系統運行情況的預估，并能起到較強的參考作用。

3 結束語

本文通過對污水廠污泥進行厭氧消化與沼氣熱電聯產系統的測試與數據分析，主要得到以下結論：①該污水廠污水量、污泥量與沼氣量三者之間并不是正比例變化，該污水廠平均污泥產率與產氣率分別為79m3污泥/104m3污水、8.5m3沼氣/m3污泥，均高于我國平均水平；②將全年分為四個階段，對每個階段進行新鮮污泥溫度、沼氣甲烷含量、單位污泥產氣量等參數的設定，并建立可以用于預估污水廠沼氣熱電聯產系統運行情況的數學模型；③利用污水廠實際運行數據對所建數學模型與每個階段的設定參數值進行驗證，結果表明，利用所設參數值以及數學模型計算出來的沼氣熱電聯產系統運行情況與實際情況較為接近，偏差在-10%～20%之間，屬于合理范圍，因此，所建數學模型在該污水廠具有可行性。