劉 杰， 萬 鵬， 王 軍， 郭 煒

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

隨著我國城鎮(zhèn)化快速發(fā)展，城市污水處理量與日劇增，產生的污泥量也隨之增多。近年來，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用最為廣泛的污泥處理方式[1-3]。大多污水廠厭氧消化為中溫消化(33℃)，產生的沼氣優(yōu)先用于發(fā)電，并回收發(fā)電機組余熱為消化池供熱，不足熱量則由輔助熱源補充。高溫消化(55℃)具有衛(wèi)生條件好、消化時間短、產氣量多等優(yōu)點，但高溫消化對溫度要求高，需要的加熱量較大。目前主要利用燃煤、燃氣鍋爐將污泥加熱至反應溫度，這種處理工藝能耗高并造成大量污染物的排放。因此，采用清潔能源供熱成為高溫厭氧消化系統(tǒng)推廣應用的一種有效途徑。

本文系統(tǒng)設計采用煙氣型溴化鋰吸收式熱泵替換了污水廠內原有余熱鍋爐，并配備了高溫水源熱泵，系統(tǒng)回收發(fā)電機組高溫煙氣以及中水低位熱能加熱污泥，使其高溫厭氧消化產生沼氣實現(xiàn)熱電聯(lián)產；基于污泥消化所需熱量，合理利用高溫水源熱泵從中水里提取熱量加熱污泥,或利用中水帶走多余的熱量，從而實現(xiàn)污泥高溫厭氧消化。本文基于吸收式熱泵-高溫水源熱泵供熱系統(tǒng)方案，對污泥高溫厭氧消化系統(tǒng)進行綜合評價，以期為此系統(tǒng)推廣應用提供有利參考。

1 工程概況

該污水處理廠服務面積24 km2，設計日處理規(guī)模為16萬t，一期工程于1993年竣工投產運行，處理工藝采用A-B法，日處理規(guī)模8萬m3，在2010年改造擴建后增加8萬的處理能力。污水處理工藝改為MSBR工藝法，出水水質全部達到現(xiàn)行國家城市生活污水一級B排放標準。

2 現(xiàn)有處理工藝及運行參數分析

該水廠現(xiàn)采用“中溫厭氧消化+熱電聯(lián)產”工藝，消化產生的沼氣發(fā)電自用以節(jié)省能源，主要利用回收的發(fā)電余熱熱能維持污泥中溫厭氧消化運行。

污水處理和污泥厭氧消化工藝過程：初沉池產生的污泥經過預濃縮池重力濃縮后與MSBR池處理后經重力濃縮和機械濃縮后的剩余污泥混合，進入厭氧消化池進行中溫厭氧消化，一般消化溫度為35℃～38℃，產生的沼氣用于廠內發(fā)電自用；在冬天無法滿足需熱量時將產生的一部分沼氣用于加熱熱水鍋爐[4]。沼氣熱電聯(lián)產現(xiàn)有系統(tǒng)如圖1。

圖1 沼氣熱電聯(lián)產現(xiàn)有系統(tǒng)

據資料顯示[5-6]，我國污泥厭氧消化系統(tǒng)基本全都采用中溫消化，原因主要是中溫消化污泥所需要的熱量少，投資較小。文章中青島某污水廠污泥采用的就是中溫消化，發(fā)電機組的缸套水和余熱鍋爐回收的熱量可以基本維持中溫厭氧消化系統(tǒng)的運行。與中溫消化相比，高溫消化時污泥的消化時間短，產氣量多，筆者在現(xiàn)有熱電聯(lián)產系統(tǒng)的基礎上進行了改進設計，提出了基于污泥厭氧消化的吸收式熱泵-高溫水源熱泵供熱系統(tǒng)，為高溫消化提供熱量。

目前我國幾乎沒有污水廠采用污泥高溫消化系統(tǒng)，因此在本設計中筆者根據2016年該污水廠中溫運行的數據推算系統(tǒng)改用高溫消化后系統(tǒng)的運行情況。根據相關文獻[7-10]可知，在相同污泥量的情況下，高溫消化產氣量要比中溫消化產氣量提高約40%～60%(本文取50%)。根據內燃機的性能曲線，發(fā)電機的運行負荷增加使得內燃機的平均發(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)運行影響因素較多，筆者依據中溫時測得新鮮污泥溫度、環(huán)境日平均溫度、單位污泥產沼氣量和沼氣中甲烷含量等影響因素的波動性大小，將污水廠全年運行數據劃分為4個階段，并根據以上推論通過能量守恒定律和質量守恒定律計算出高溫系統(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)凈需熱量E(正值代表需供熱量，負值代表富裕熱量),現(xiàn)將該污水廠的現(xiàn)有系統(tǒng)和污泥高溫厭氧消化系統(tǒng)各個階段運行情況進行對比，如圖2～圖5所示。

圖2 中溫系統(tǒng)與高溫系統(tǒng)的階段1運行情況對比

圖3 中溫系統(tǒng)與高溫系統(tǒng)的階段2運行情況對比

圖4 中溫系統(tǒng)與高溫系統(tǒng)的階段3運行情況對比

圖5 中溫系統(tǒng)與高溫系統(tǒng)的階段4運行情況對比

由圖2～圖5可知，中溫系統(tǒng)能夠基本靠發(fā)電機組的回收余熱保持污泥中溫消化，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，造成回收的機組余熱量大于系統(tǒng)需熱量。高溫系統(tǒng)回收的機組余熱量較中溫系統(tǒng)多30%～43%，但其總需熱量較大，一方面需要水溫較高，另一方面要滿足循環(huán)水進入分水器的水溫不超過45℃，循環(huán)水加熱完污泥之后需要繼續(xù)與中水換熱達到合適水溫(44℃)才能進入集水器，造成了熱量流失。

3 基于污泥厭氧消化的吸收式熱泵-高溫水源熱泵的熱電聯(lián)產系統(tǒng)

3.1 系統(tǒng)方案設計

圖6為基于污泥厭氧消化的煙氣型溴化鋰吸收式熱泵+高溫水源熱泵供熱系統(tǒng)。

圖6 煙氣型溴化鋰吸收式熱泵+高溫水源熱泵供熱系統(tǒng)

該系統(tǒng)的兩種運行模式如下：

(1)中水聯(lián)合熱泵運行模式：系統(tǒng)需熱量變化時，要滿足發(fā)電機組外循環(huán)水要求(43℃<冷卻水進口溫度<45℃)。當進口溫度大于45℃時，則開啟閥門a，c，d，e，g，h，k，l，關閉閥門b，f，i，m，n，通過板式換熱器1由高溫水源熱泵對部分系統(tǒng)熱量回收，中水經過板式換熱器2換走剩余的熱量后排入大海；當進口溫度小于43℃時，則開啟閥門b，g，h，k，i，m，n，關閉閥門a，d，c，e，f，l，中水經過板式換熱器換熱滿足進入分水器的循環(huán)水達到合適溫度，再與一部分中水混合后分別進入兩個熱泵的蒸發(fā)器，出水再次混合后排入大海。

(2)熱泵獨立運行模式：系統(tǒng)需熱量變化滿足發(fā)電機組外循環(huán)水要求，則開啟閥門a，c，d，e，f，關閉閥門b，h，g，k，i，m，l，n，從套管換熱器出水回收的部分系統(tǒng)熱量剛好用于滿足兩個熱泵的需熱要求。

3.2 吸收式熱泵系統(tǒng)

該污水廠的發(fā)電機組煙氣溫度在590℃左右，經過余熱鍋爐熱回收后溫度降到187℃左右，而煙氣型溴化鋰吸收式熱泵的排煙溫度在180℃左右。該污水廠的污水經過污水處理工藝后成為中水，其無毒無腐蝕，并且溫度在冬季高于環(huán)境溫度，在10℃～17℃之間，夏季低于環(huán)境溫度，在20℃～23℃之間。若中水作為吸收式熱泵的低溫熱源，可回收部分中水里的熱量，進一步提升循環(huán)水溫度。因此，采用吸收式熱泵替換原有的余熱鍋爐，吸收式熱泵的制熱量受供熱溫度和低溫熱源溫度波動影響，它的平均COP為1.7[11-12]。

3.3 高溫水源熱泵系統(tǒng)

在高溫厭氧消化系統(tǒng)中，中水可以把從污泥套管換熱器出來的50℃左右的熱水換熱至44℃左右，該污水廠日產中水在14萬噸左右，如果直接排海，造成大量熱量的浪費。采用板式換熱器換熱，使得換熱后的中水溫度為28℃～32℃，采取高溫水源熱泵從中水提取熱量，回收中水里的熱量補充系統(tǒng)總需熱量，高溫水源熱泵平均能效比COP為3.4，出水溫度在67℃～72℃之間[13]。

4 系統(tǒng)方案的綜合評價

4.1 熱力學分析

根據熱力學第一定律，系統(tǒng)的熱能和機械能在轉移或轉換時，能量的總量必定守恒。現(xiàn)將高溫消化系統(tǒng)中各個子系統(tǒng)的能量參數計算出來：系統(tǒng)總需熱量F,吸收式熱泵供熱量G,高溫水源熱泵供熱量H,高溫水源熱泵用電量I,中水回收熱量J,煙氣回收熱量K，圖7為系統(tǒng)的能量分析。

圖7 系統(tǒng)的能量分析

由圖7可知，4個階段的系統(tǒng)總需熱量在17～24萬kW·h-1d-1，差異較明顯，這主要是因為不同階段的環(huán)境溫度變化較大；由于中水溫度波動不大，吸收式熱泵供熱量較穩(wěn)定，在4.0～5.1萬kW·h-1d-1；高溫水源熱泵在每個階段均提供了最多的熱量，使得其供熱量的變化趨勢與系統(tǒng)總需熱量的變化趨勢相似。在4個階段中，高溫水源熱泵均承擔了較多的系統(tǒng)總需熱負荷，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，但消耗了部分電量，使系統(tǒng)凈發(fā)電量減少，同時煙氣回收熱量較中溫消化系統(tǒng)中余熱鍋爐增加了約8%。

4.2 經濟效益分析

4.2.1 系統(tǒng)改進初投資

系統(tǒng)改進初投資主要是該系統(tǒng)引入的煙氣型溴化鋰吸收式熱泵機組，高溫水源熱泵機組等設備的成本、設備安裝費、配套費等。根據市場調研得知，煙氣型溴化鋰吸收式熱泵機組的價格約為0.7元·w-1，高溫水源熱泵機組的價格約為0.6元·w-1，板式換熱器與套管換熱器均按300元·m-2計算，熱泵配套費按180元·kW-1計算，系統(tǒng)改進初投資的具體計算數據見表1。

4.2.2 費用年值

費用年值法是將項目初投資的現(xiàn)值按照時間價值等額分攤到各使用年限中去的動態(tài)經濟分析方法。其包括年固定費用和年運行費用，年固定費用為系統(tǒng)初投資在使用年限內每年消耗的費用，年運行費用為設備折舊費、維修費等，計算得到年固定費用為98.4萬元，年運行費用為66.7萬元，費用年值為165.1萬元。

表1 系統(tǒng)改進初投資計算表

4.2.3 年電費收益

年電費收益指每年發(fā)電所獲得凈發(fā)電收益與費用年值的差值。全部沼氣用于發(fā)電(平均凈發(fā)電量19759 kW·h-1d-1，年發(fā)電時間取8000 h)，電價按每度0.85元計算，則年發(fā)電收入為554.2萬元。年電費收益為389.1萬元，同時求得中溫系統(tǒng)的收益為438.4萬元，高溫系統(tǒng)的年電費收益較中溫系統(tǒng)少11.2%。

4.3 環(huán)境效益分析

環(huán)境效益評價指標作為評價一個系統(tǒng)方案優(yōu)劣不可缺少的標準。污水廠的沼氣熱電聯(lián)產系統(tǒng)相對于單產系統(tǒng)來說主要體現(xiàn)在CO2，SO2，NOx以及煙塵的減排量，同時估算表明高溫厭氧消化系統(tǒng)要比中溫厭氧消化系統(tǒng)多減排約35.7%；系統(tǒng)總的凈發(fā)電量為652萬kW·h，因此，對于減少煤炭燃燒所帶來的效益進行估算,該系統(tǒng)環(huán)境效益約為207.5萬元，同時求得中溫系統(tǒng)的環(huán)境效益約為132.1萬元，高溫系統(tǒng)較中溫系統(tǒng)的環(huán)境效益提高63.7%。

5 結論

(1)污泥高溫厭氧消化系統(tǒng)與污泥中溫厭氧消化系統(tǒng)相比，雖然消化時間短、產氣量多、凈發(fā)電量大，但是系統(tǒng)需熱量較大。

(2)采用吸收式熱泵+高溫水源熱泵系統(tǒng)為污泥供熱，可充分回收煙氣熱能和中水熱能等余熱資源，提高一次能源利用率，與傳統(tǒng)供熱系統(tǒng)相比，同時實現(xiàn)節(jié)能和環(huán)保。

(3)高溫水源熱泵回收了大量套管換熱器出水換熱到中水中的熱量，提升了循環(huán)水溫度，使套管換熱器的溫度達到67℃～72℃，合理利用了中水資源，減少系統(tǒng)熱量流失。

(4)吸收式熱泵由于中水溫度波動的影響，承擔了系統(tǒng)中17%～30%的系統(tǒng)總需熱量。高溫水源熱泵承擔了較多的熱量負荷，還提高了循環(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。

(5)吸收式熱泵+高溫水源熱泵系統(tǒng)的初投資較大，造成實際的年電費收益略少于中溫系統(tǒng)，污染物減排量和環(huán)境效益較中溫系統(tǒng)分別提高約35.7%和63.7%。