楊閃 許陽(yáng)陽(yáng) 劉廣鑫 吳偉杰 崔彥玲 （鄭州大學(xué)化工與能源學(xué)院 河南 鄭州 450001）

我國(guó)污水量巨大，建造城市污水處理廠處理污水是解決水環(huán)境污染問(wèn)題的最有效、最重要的途徑，而能耗占污水處理廠運(yùn)行費(fèi)用的大部分。依據(jù)建設(shè)部統(tǒng)計(jì)，2005年我國(guó)城市污水排放總量為360億m3，其中處理量為186億m3，處理率約為51.7%，城市污水處理廠有792座，其中二級(jí)以上694座，總設(shè)計(jì)能力達(dá)4791m3/d。據(jù)統(tǒng)計(jì),一級(jí)污水處理廠耗電0.072kw.h/m3，二級(jí)污水處理廠耗電0.338kw.h/m3，以此估，2005年全國(guó)城市污水處理廠耗電量為61.56億kw.h。城市污水處理工程由于基建運(yùn)營(yíng)費(fèi)用及能源消耗高，嚴(yán)重制約著城市水污染防治的發(fā)展。

一、污水發(fā)電原理

城市污水大部分是通過(guò)高層建筑排放出來(lái)的，具有一定能量，雖然經(jīng)過(guò)下水管道損失了大部分能量，但是由于污水處理廠水流量較大，污水中仍具有可觀的能量。污水中雖然有較多雜質(zhì)，但經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單處理后仍可以近似認(rèn)為是流體。然后通過(guò)能量轉(zhuǎn)化，可以將這部分能量轉(zhuǎn)換為電能加以利用。水輪機(jī)是把水流的能量轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)機(jī)械能的動(dòng)力機(jī)械，它屬于流體機(jī)械中的透平機(jī)械。所以選擇合適的水輪機(jī)加以改進(jìn)可以用來(lái)進(jìn)行污水發(fā)電。

二、整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

污水在進(jìn)入污水處理廠之前，先由污水泵站經(jīng)過(guò)一定處理才能進(jìn)入污水處理廠進(jìn)行凈化。在處理廠的污水泵站中，污水先由管道排放進(jìn)入沉水井，再由沉水井進(jìn)入集水池中，然后在集水池通過(guò)柵格過(guò)濾，沉降后，由提升泵提升到一定高度使污水能夠有足夠的能量完成處理流程。

若想在不影響泵站運(yùn)行的情況下進(jìn)行發(fā)電，污水能量的利用應(yīng)在提升泵之前，由上圖可看出在柵槽和集水池之間有較明顯的落差，可以滿足發(fā)電設(shè)備對(duì)水頭的要求。此外，此處的污水已經(jīng)經(jīng)過(guò)柵槽的過(guò)濾，水質(zhì)較進(jìn)水口已有較大改善，已基本上可滿足發(fā)電機(jī)設(shè)備的需求，所以水輪發(fā)電機(jī)應(yīng)該架設(shè)在此處。為了消除發(fā)電對(duì)集水池的污水自然沉降的影響，水輪機(jī)采用虹吸式進(jìn)水方式，由于重力作用，一些固體雜質(zhì)將會(huì)沉降回柵格所在的水池內(nèi)。其設(shè)計(jì)簡(jiǎn)圖如圖1.2.2.

此外，采用虹吸方式可以回收一部分污水的動(dòng)能。

三、設(shè)備選擇

城市人民生活中的廚房水、洗海水、以及大量的糞便水，一般通稱生活污水，是指各種形式的無(wú)機(jī)物和有機(jī)物的復(fù)雜混合物，包括：①漂浮和懸浮的大小固體顆粒；②膠狀和凝膠狀擴(kuò)散物；③純?nèi)芤?。由于污水組成的復(fù)雜性，污水對(duì)管道會(huì)有一定的腐蝕性。所以，在污水進(jìn)入虹吸管時(shí)，需要對(duì)該管道管道進(jìn)行合理的選擇。

選擇管材時(shí)，應(yīng)考慮以下幾方面因素：

1)管道承受內(nèi)壓和外荷載強(qiáng)度；

2)管道耐腐蝕性能；

3)管道使用年限；

4)管道運(yùn)輸、施工和安裝難易程度；

5)管道內(nèi)壁光滑程度；

6)管道價(jià)格。

通過(guò)篩選分析，玻璃鋼管具有各方面的優(yōu)勢(shì)。

發(fā)電機(jī)組中燈泡貫流式機(jī)組具有流速高,過(guò)流量大,效率高等優(yōu)良性能但因其發(fā)電機(jī)布置在被水流圍繞的燈泡體內(nèi),結(jié)構(gòu)復(fù)雜,制造、安裝、調(diào)試、維護(hù)都較為繁瑣,且燈泡貫流式機(jī)組流量偏大,供水量不易調(diào)節(jié),機(jī)組單位造價(jià)較高。軸伸貫流式機(jī)組的發(fā)電機(jī)布置于流道之外,水輪機(jī)構(gòu)造簡(jiǎn)單,安裝維護(hù)方便,有利于油、氣、水等輔機(jī)的設(shè)計(jì)與安裝。軸伸貫流式轉(zhuǎn)輪具有較高的單位轉(zhuǎn)速和較高的水力效率,可以使開(kāi)發(fā)的水能得到充分利用,增加發(fā)電量。

綜上所述，選用軸伸式貫流式發(fā)電機(jī)作為污水發(fā)電的電機(jī)，具有較大優(yōu)勢(shì)，能夠較高效率的回收污水中的能量，并且安裝，維修簡(jiǎn)單。

四、市場(chǎng)前景分析

節(jié)能環(huán)保是一個(gè)全球性的趨勢(shì)，污水發(fā)電是電力行業(yè)的一個(gè)新的風(fēng)向標(biāo)，其性能效率一直受到特別關(guān)注。該技術(shù)不僅為我國(guó)緊張的電力資源緩解壓力，而且實(shí)現(xiàn)了廢棄物的充分利用，充分體現(xiàn)了可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略。本團(tuán)隊(duì)自主設(shè)計(jì)的污水發(fā)電系統(tǒng)，以其高效、經(jīng)濟(jì)、節(jié)能的特點(diǎn)必將擁有廣闊的市場(chǎng)前景，原因如下：

一、污水具有機(jī)械能、可取量大、廉價(jià)等特性，若能把污水合理地利用起來(lái)，可以大大減少發(fā)電的成本，定能給人類帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)效益。

二、利用污水發(fā)電，符合國(guó)家發(fā)展節(jié)能經(jīng)濟(jì)、提倡環(huán)保能源的產(chǎn)業(yè)政策。近年來(lái)，節(jié)能環(huán)保一直是民生高度關(guān)注的話題。在當(dāng)今經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展中，我國(guó)水污染和電荒現(xiàn)象都十分嚴(yán)重，處理污水定能得到政府的大力支持。

[1]陳宏儒 .城市污水處理廠能耗評(píng)價(jià)及節(jié)能途徑研究[D].西安：西安建筑科技大學(xué)，2009.

[2]劉守甫.水電站虹吸式進(jìn)水口設(shè)計(jì)探討 [J].四川水利.2000(02)