城市污水处理厂新资源能源综合利用系统 5页

文章编号：CAR243城市污水处理厂新资源能源综合利用系统1122田磊史琳吴静施汉昌(1、热科学与动力工程教育部重点实验室，清华大学，北京1000842、环境模拟与污染控制国家重点实验室，清华大学，北京，100084)摘要城市污水处理厂是污水资源、污泥资源的集中地，将污水热能回用与污泥资源化利用在污水厂内就地结合是实现资源综合利用的有效途径。通过将再生水源热泵技术同时应用到污水厂污泥厌氧消化流程及厂内建筑的制冷供暖，提出了污水处理厂新资源、能源综合利用系统。再生水源热泵回收污水处理厂外排再生水所含低温余热，将其提升后满足污泥高温厌氧消化及冬季建筑物供暖要求，同时厌氧消化工艺产出沼气，可用作污水处理过程动力；被吸取热量后温度降低的再生水（循环水）可用于厂内建筑夏季制冷。能流分析表明，本系统可有效降低城市污水厂建筑物的制冷供暖及污泥厌氧消化处理的能耗，再生水源热泵冷热联供系统夏季和冬季工况节能率分别可达30%、40%。关键词再生水源热泵污水热资源化污泥高温厌氧消化冷热联供ANEWENERGYEFFICIENTJOINTTREATMENTSYSTEMBASEDONMUNICIPALWASTERWATERTREATMENTPLANT1122TianLeiShiLinWuJingShiHanchang(1KeylaboratoryforThermalScienceandPowerEngineeringofMinistryofEducation,TsinghuaUniversity,Beijing100084,China;2StateKeyJointLaboratoryofEnvironmentSimulationandPollutionControl,TsinghuaUniversity,Beijing100084,China)AbstractMunicipalwastewatertreatmentplantassemblessewageandsludgetogether,bothofwhichshouldbeconsideredavailableresources.Consideringtheplantasawhole,combiningthemunicipalreclaimedwatersourceheat-pumpsystem(MRWSHP)andsludgethermophilicanaerobicdigestionprocess,anewenergyefficientjointtreatmentsystemsuitableformunicipalwastewatertreatmentplantwhichcanachievereutilizationofsewageandsludgesimultaneouslyispresentedinthepaper.Inthejointtreatmentsystem,thereclaimedwatersourceheatpumpisintroducedintotheprocessofsludgedigestion,whichreusesthemunicipalreclaimedsewageastheheatsourcetomeettheheatingneedinthethermophilicanaerobicdigestionprocess.Meanwhile,thebiogasgeneratedfromthesludgedigestioninwastewatertreatmentplantsisapotentialcleanenergysource,whichcanberecycledtodriveblowerscoupledwithabiogasdrivenengine,andtheblowersarethemostenergyconsumingequipmentinthewastewatertreatmentprocess.Furthermore,thewatersourceheat-pumpsystemusingmunicipalreclaimedwaterasheatsourceandsinkisintroducedintotheplantbuildingstosatisfytheheatingandcoolingdemandwiththeaimofreducingenergyconsumptionandgreenhousegasemissions.TheanalysisresultsshowthecombinedheatingandcoolingsystemsbasedonMRWSHPhasthefeaturesoflowenergyconsumption,rationalityofenergyutilizationandenvironment-friendlinesscomparedwiththeuniversalprocessofplant,cansave40%,30%energyconsumptioninheatingandcoolingperiod.KeywordsReclaimedwatersourceheatpumpSludgedisposalThermophilicanaerobicdigestionprocessCombinedheatingandcooling\n0前言[1]城镇污水是一种可再生利用的资源。迄今为止，城镇污水的资源化利用还只是将城镇污水按一定要求进行处理后，作为中水或工业用水等回用。而实际上城镇污水中蕴含着大量的低位热能可以利[2]用。资料显示，我国各大城市污水含热量约占城市排热量的10~16%，随着居民生活水平提高，城市污水排水量和含热量均呈现逐年增加的趋势。已有学者提出21世纪理想的、成熟的城镇污水资源化技图1污水处理厂节能减污资源综合利用系统术应是污水回用、污泥利用与污水热能回用三位一体构成的成套体系[3]。城市污水处理厂是污水处理1.3综合利用系统过程的载体，也是污水热能资源、污泥资源的集中在污水厂内就地采用再生水源热泵，热泵从再地，将污水热能回用与污泥资源化利用在城市污水生水中提取低温热量，所产高温热水用于加热进行厂内就地结合是实现资源优化配置、高效综合利用高温厌氧消化反应的污泥和厂内建筑物的冬季供的有效途径。暖，而被吸取热量后温度降低的再生水可用于厂内作者在文中[4]提出了污水处理厂为中心的节能建筑夏季制冷，实现再生水余热综合回收利用；污减污技术路线，主要是用再生水源热泵回收污水处泥进行高温厌氧消化灭菌、减量的同时产出沼气，理厂外排再生水所含低温余热，将其提升后满足污实现污泥资源化；同时所产沼气可用作污水曝气处泥高温厌氧消化供热要求，同时消化产出沼气可供理环节中的风机动力源，替代原有外部输入的电能给用做污水处理曝气流程的风机动力源。本文进一等，实现污水处理工艺节能降耗，技术框架如图1步将技术路线扩展到厂内建筑物的制冷和供暖，在所示。分析冷、热需求基础上依据热泵系统能量搬运作用凭借再生水源热泵技术和污泥厌氧消化技术的特性提出再生水源热泵冷热联供系统，形成了一套有机结合，实现水、热、能的综合优化利用，预期适用于现阶段我国污水处理厂的新资源能源综合利可明显降低污水处理厂的能耗和运行成本。再生水用系统，文中重点对再生水源热泵冷热联供系统特源热泵是综合利用系统核心部分，满足两方面需求：性进行分析。污泥厌氧消化系统一年内稳定存在的热需求和建筑物的夏季制冷、冬季供暖负荷。根据冷、热负荷需1污水厂新资源、能源综合利用系统求特点，并借助热泵系统能量搬运作用的特性，提出再生水源热泵系统的冷热联供系统。1.1利用再生水源热泵实现污水热资源化热泵技术应用的关键是要有合适的低品位热2再生水源热泵冷热联供系统源，而污水处理厂排出的再生水即是一种优良的热泵热源[5]。再生水水温适宜、水量波动小，有利于冬季工况下，再生水源热泵可稳定提供55℃-70热泵系统的高效、稳定运行；再生水水量巨大且流℃的热水满足厌氧消化反应和建筑供暖的热需求；量稳定，便于更高能效比的大规模热泵系统的应用；夏季工况下，热泵同时对外制冷、供热，利用低温同时在污水厂内就地利用，充分发挥了再生水空间的中间换热循环水作为冷源为建筑制冷，与为厌氧集中的区位优势。反应供热一起形成联合制冷供热循环。在间接式热泵系统中，因传热温差的存在，中间传热循环清水1.2利用高温厌氧消化实现污泥资源化温度低于再生水，且水质好可以直接进入房间制冷末端，因此循环水更适宜作为冷源；且通过调节热污泥是污水处理的伴生产物，其中含有大量有泵蒸发温度可使循环水温度满足设定的制冷工况。机物质，容易腐败成为新的环境污染源，因此污泥[6]冷、热需求的同时存在是热泵系统冷热联供方案提处理处置是污水处理得以最终实施的保障。对污出的根本，也使热泵系统能量搬运作用的特性在冷、泥进行厌氧消化是目前国际上最为常用的污泥资源化、稳定化方法[7]，实现污泥处置的同时产出沼气，热两端均得到了体现。其中高温消化卫生条件好、消化时间短、消化池的2.1系统最优冷负荷容积小、产气量多，但高温消化耗能多，目前所需热能大部分是利用沼气、煤或天然气等燃烧供给。夏季工况下热泵吸热端实际上形成了空气源热污泥厌氧消化处理的高能耗成为厌氧消化系统推广泵与水源热泵的联合工作，热泵蒸发器需热量一部普及应用的制约因素。分来自再生水、另一部分则来自建筑内空气，而与一般水环热泵的区别在于利用单台热泵即可同时实现制冷供热。在基本技术已成熟情况下两者比例分配问题成为使整个系统运行效率优化的关键因素。基金项目：国家十一五科技支撑项目（2006BAC02A18）作者简介：田磊，男，1986.4，博士生以下从能量平衡角度，以广义的COP为指标来评价\n系统运行的热力经济性，并计算在保证供热负荷下eepumppumpB=系统可提供的最优冷负荷。其中A=定义整个系统的评价指标为联合负荷收益性能cwaterΔTwater，cwaterΔTcyc，系数COPunite：efpC=COP=收益=Qh+QaircairΔTair。unite代价P（1）由此可知影响系统COPunite因素主要包括：①热Q=Q+QEvaporatorairre−water泵自身性能，直接反应在热泵循环制热系数ε；②（2）取热方式的能耗。对一台确定的热泵机组，一定工Qair况下ε为定值，A、B、C决定于工程实际，系统形η=QEvaporator式确定后也可视为定值。则COPunite随冷负荷比例η（3）的变化趋势如下式：其中Qh为系统提供热负荷，Qair为制冷末端从房dCOPunite间内吸热量即系统可同时对外提供的冷负荷，代价Pdη主要包括压缩机电耗、换热相关能耗（主要指水泵、（8）2ε−1−ε(ε−1)(C−A)+(ε−1)(A+B)风机电耗）等。Qair与从再生水内取热量Qre-water之和={}21+(ε−1)[η(C−A)+A+B]为热泵蒸发器吸热量QEvaporator。取Qair与QEvaporator之比可看出联合负荷收益性能系数随冷负荷比例呈现单为η，0≤η≤1。若系统完全从再生水吸热，η=0；调变化。实际运行中一般efp<1，epump<1，ε>1，则系统完全从房间内吸热，即η=1时，不计传热损失dCOP下QEvaporator为系统可提供的最大冷负荷。unite>0不同取热方式的能耗不同，对再生水取热方式dη，即承担冷负荷的收益量增速快于对其耗能集中在再生水泵、循环水泵的电耗，对以风应耗功量的增速，所以随着冷负荷比例η的增加，机盘管为制冷末端的空气取热方式除循环泵耗外还整个系统收益率增加。η=1时，系统完全从房间内包括风机电耗。吸热，此时系统可对外提供最大冷负荷，也即对应P=(m+m)ere−waterre−watercye−waterpump系统整体收益率最优的冷负荷，COPunite表达式可简Qre−waterQcyc化为=(+)epump（4）cΔTcΔTre−waterre−waterwatercycε−1Qh+QhεPair=mairefp+mcye−airepumpCOPunite=Pcompressor+QaireairQairQair=efp+epump2ε−1（9）cΔTcΔT（5）=airairwatercyc1+(C+B)(ε−1)下标re-water、air、cyc分别表示再生水、空气和传热循环水，epump、eair表示单位流量下的水泵和风32.2制冷工况分析机能耗，取单位为kW/m。再由热泵循环制热系数ε定义：在最优冷负荷下，冷热联供系统完全从房间内Q吸热，联合负荷收益性能系数如式（9）所示。忽略hε=P其他因素，热泵循环制热系数ε可表示为蒸发温度compressor（6）Te及冷凝温度Tc的函数。在固定热需求，即热泵冷可获得联合负荷收益性能系数COPunite表达式为：凝温度一定情况下，循环理论制热系数ε与蒸发温ε−1度Te关系密切。同时蒸发温度决定循环水的供水水Qh+ηQhCOPunite=ε温，即ΔTcyc、ΔTair也决定于热泵蒸发温度。Pcompressor+Pwater+Pair（7）COP=f(ε,ΔT,ΔT)∝f(T)η(ε−1)+εunitecycaire（10）=1+(ε−1)[η(C−A)+A+B]\n图2不同蒸发温度下ε、COPh、COPunite图3联供系统制冷量随制冷温度变化以蒸发温度Te为变量，绘制热泵循环制热系温度提升系统收益率。数ε、联合负荷收益性能系数COPunite、热泵单独当然，本系统分析仅考虑了热力学的能量交制热性能系数COPh变化曲线如图2所示，可以看换，未考虑空冷和水冷对换热的影响，以及在较高出随着Te的提高三者均呈现上升趋势。图中ε只反温度制冷时所需要末端系统的增加。在实际系统设映热泵机组循环效率，计算中未考虑取热的功耗；计时，应根据用户的冷热负荷的具体需求设计系COPh为只供热、即完全从再生水中取热时系统收统。益系数，相同蒸发温度下COPunite高于COPh说明了联合制冷、供暖系统的收益高效性。但联供系统2.3建筑物供暖分析和原供热系统额定工况不同。制冷额定工况要求冷冬季工况下，再生水源热泵系统产出的高温热水供回水温度为7℃/12℃，图中对应Te为5℃的水可直接通入建筑物供暖系统，且热泵出水温度可COPunite为5.3，即图中COPunite-st线；原供热系在较大范围内可调，较好地满足不同地区的供暖需[4]统在夏季典型工况下，再生水温29℃，间接传热模求。在文章中已比较再生水热泵系统与传统的燃式下蒸发温度仍可达22℃，对应COPh值为4.1，煤、燃气供热系统，冬季热泵系统COPh值取4时，即图中COPh-st线。两值对比说明了联合系统由于再生水源热泵方式能源利用率相比其他方式高出能同时提供冷热负荷，能量利用效率也优于原供热40％。同时再生水源热泵系统火用效率高、污染物系统。排放少，具有良好的环保特性。随着蒸发温度的提高，热泵可提供的最大冷量逐渐增大，如图3所示。主要因为ε的增加使蒸发3结论器需热量增大，高蒸发温度下的冷负荷比较高。但1.通过将再生水源热泵同时应用于污水处理厂同时需要指出的是虽然冷负荷量在逐渐增大，可获污泥厌氧消化流程和厂内建筑物供暖制冷，提出了得的最低制冷温度也在上升，可视具体制冷要求进以污水处理厂为中心的再生水源热泵冷热联供新行调节。资源能源综合利用系统。再生水源热泵冷热联供系对比热泵冷热联供系统和采用再生水源热泵统在稳定满足污泥厌氧消化热负荷的同时，可承担提供热负荷和普通空冷空调提供冷负荷的分立方厂内建筑的夏季制冷及冬季供暖负荷。式。100kW供热的热泵联供系统在冷水供回水温度2.以收益与代价之比的广义COP为评价指标，为7℃/12℃时，联合收益系数可达5.3，即可同时再生水源热泵冷热联供系统最优冷负荷即系统可提供冷负荷68kW，对应能耗32kW；取一般空冷空提供的最大冷负荷；在保证污泥消化系统热需求调能效比3.0，再生水水温29℃时热泵系统只供热下，随着热泵蒸发温度的提高，冷热联供系统可提情况下COPh为4.1，则计算可得在相同供热和制供的冷负荷增大，可获得的最低制冷温度随之上冷量下，分立系统能耗47kW。可见热泵联供系统升。可节能32%。3.再生水源热泵冷热联供系统相对于分立方以上分析可看出，再生水源热泵系统在稳定供式，夏季工况下节能超过30%，冬季工况能源利用热的同时可以提供一定的冷负荷，以联合负荷收益率高出40％，同时可减少污染物排放，对污水厂优性能系数为评价指标时冷负荷比例越大，整个系统化能源结构、实现节能减排有积极意义。的收益越高，最大冷负荷为热泵蒸发器的需热量；同时联合负荷收益性能系数随热泵蒸发温度的提高而增加，在制冷要求不高的场合可适当提高蒸发\n参考文献[4]田磊，史琳，吴静，等.再生水源热泵应用于污泥厌氧处理的能流分析[J].华北电力大学学报(已收录).[5]昝成，史琳，程邺，等.再生水二级出水水温特点与热利[1]金兆丰，徐竟成.城市污水回用技术手册.北京:化学工业用[J].华北电力大学学报，2007，34(2)：31-34.出版社，2004.[6]杭世珺，陈吉宁，郑兴灿，等.污泥处理处置的认识误区[2]尹军，韦新东.我国主要城市污水中可利用热能状况初探与控制对策[J].中国环保产业，2005，(03)：11-14.[J].中国给水排水,2001，17(4)：27-30.[7]何品晶，顾国维，李笃中，等.城市污泥处理与利用.北[3]尹军，陈雷，王鹤立.城市污水的资源再生及热能回收利京:科学出版社，2003.用.北京：化学工业出版社，2003：前言.