城市污水處理工藝能量平衡分析研究和應(yīng)用

【摘要】： 建造城市污水處理廠是解決城市水污染問題最重要和最有效的技術(shù)措施，但由于處理設(shè)施基建和運(yùn)營費(fèi)用高昂，能源消耗量大，使這一進(jìn)程在我國的推進(jìn)受到制約。城市污水處理工藝能耗能效研究雖起步較早，卻發(fā)展緩慢，特別在國內(nèi)未引起足夠的重視。迄今為止，該領(lǐng)域的基本理論、研究方法和研究框架在國際、國內(nèi)還無統(tǒng)一的認(rèn)識(shí)。 本研究以有機(jī)污染物降解的熱力學(xué)分析和微生物能量利用的熱力學(xué)原理為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)了水質(zhì)指標(biāo)與能量指標(biāo)的耦合，建立了城市污水處理工藝能量平衡分析的理論模型和能量平衡技術(shù)指標(biāo)體系的框架，提出了處理廠能效評價(jià)的方法。在該體系的指導(dǎo)下，本文對數(shù)座城市污水處理廠進(jìn)行了實(shí)例研究并提出了其中一座廠的節(jié)能運(yùn)行方案，通過生產(chǎn)性實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了方案的可行性與可靠性。主要工作和結(jié)論如下： (1)本文在對我國城市污水處理典型工藝能量利用現(xiàn)狀考察的基礎(chǔ)上，概括分析了國內(nèi)常見污水污泥處理工藝的耗能特點(diǎn)、處理廠常用設(shè)備裝置和工藝過程的耗能水平，并對直接能耗(主要是電耗)費(fèi)用與全廠運(yùn)轉(zhuǎn)費(fèi)用的關(guān)系作了定性評估。 (2)本文根據(jù)化工熱力學(xué)和生物熱力學(xué)的相關(guān)理論，對有機(jī)物代謝的能量轉(zhuǎn)移、ATP在分解代謝和合成代謝中的耦聯(lián)作用等作了概括和歸納，并對細(xì)胞增殖的熱力學(xué)模型作了分析。污水處理工藝過程遵守?zé)崃W(xué)基本定律；在生物反應(yīng)器系統(tǒng)中發(fā)生的是不可逆過程，能量利用存在損失；可以依據(jù)化工熱力學(xué)和生物熱力學(xué)的基本理論建立污水處理工藝的能量平衡分析方法。 (3)本文完善了污染物化學(xué)能的概念和計(jì)算方法。按照所依據(jù)的熱力學(xué)定律，污染物化學(xué)能分為化學(xué)焓與化學(xué)(火用)。在化學(xué)能量變與質(zhì)變的不同層面上，本文建立了污染物化學(xué)焓和化學(xué)(火用)與常規(guī)水質(zhì)指標(biāo)COD和TOC的定量關(guān)系，實(shí)現(xiàn)了污染物濃度指標(biāo)與能量指標(biāo)的耦合：污水有機(jī)污染物水質(zhì)指標(biāo)與化學(xué)焓的關(guān)系為：h_(ch)=13.91kJ/gCOD，即每g有機(jī)物可測定的COD包含13.91kJ的化學(xué)焓；微生物細(xì)胞的平均化學(xué)焓含量為22.15kJ/gVSS；污水有機(jī)污染物水質(zhì)指標(biāo)與化學(xué)(火用)的關(guān)系為E_(xc)~0=13.825kJ/gCOD，即每g有機(jī)物可測定的COD包含13.825kJ的化學(xué)(火用)；微生物細(xì)胞的平均化學(xué)(火用)含量為22.605kJ/gVSS。 (4)本研究在國內(nèi)首次建立了污水生物處理單元能量衡算的黑箱模型和(火用)平衡分析的灰箱模型，這兩個(gè)模型統(tǒng)一了處理流程外部能源消耗與內(nèi)部能量變遷的表達(dá)方式。結(jié)合采用上述兩類能量分析法(焓和(火用))考察了目前國內(nèi)常用的四種二級(jí)處理工藝的實(shí)際運(yùn)行和用能情況。焓衡算從用能結(jié)構(gòu)上剖析了各處 重慶大學(xué)博士學(xué)位論文 理廠能量形態(tài)的變化和流向，傭分析方法明確了能量質(zhì)的損耗發(fā)生的位置和 途徑。本研究提出和建立了評價(jià)城市污水處理廠能量利用和口收效率的技術(shù) 指標(biāo)體系（包括單耗指標(biāo)、綜合能耗指標(biāo)、利用率指標(biāo)和回收率指林），并對 比能耗指標(biāo)與熱效率指標(biāo)的實(shí)際應(yīng)用進(jìn)行了對比。結(jié)論認(rèn)為：能量利用率指 標(biāo)較之比能耗指標(biāo)更為客觀和嚴(yán)密，有助于指導(dǎo)現(xiàn)有污水廠具體進(jìn)行節(jié)能降 耗。 K）基于上述能量分析方法，在某二級(jí)污水處理廠進(jìn)行了應(yīng)用并指導(dǎo)其運(yùn)轉(zhuǎn)方式 改造的實(shí)踐。對該廠的污水生物處理單元進(jìn)行了連續(xù)進(jìn)出水、間歇曝氣運(yùn)轉(zhuǎn) 方式的生產(chǎn)性試驗(yàn)研究。對經(jīng)試驗(yàn)后推薦的運(yùn)行工況進(jìn)行了能量平衡分析和 用能評價(jià)，得出如下結(jié)論：能量平衡分析方法可以方便地確定能源在處理系 統(tǒng)或設(shè)備中轉(zhuǎn)化、傳遞和散逸的情況；問歇曝氣工藝顯著提高了污水生物處 理單元的能量利用率和傭效率，其用能結(jié)構(gòu)較為合理：該運(yùn)轉(zhuǎn)方式的能耗降 低主要來自于外部傭損夫的減少，同時(shí)污泥減量明顯；連續(xù)流間歇曝氣工藝 能取得優(yōu)良的出水水質(zhì)，并具備良好的脫氮能力。 【關(guān)鍵詞】：城市污水處理 能量平衡分析 節(jié)能技術(shù) 間歇曝氣 污染物化學(xué)能
【學(xué)位授予單位】：重慶大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2002
【分類號(hào)】：X799.3
【目錄】：

• 中文摘要4-6
• 英文摘要6-17
• 1 緒論17-39
• 1．1 我國污水處理技術(shù)現(xiàn)狀及主要問題17-19
• 1．2 我國城市污水處理工藝能耗概況19-25
• 1．2．1 我國污水處理與其他國家污水處理比能耗的對比20-22
• 1．2．2 城市污水處理總耗能量預(yù)測和對比22-23
• 1．2．3 城市污水處理廠運(yùn)行費(fèi)中能耗所占比例23-25
• 1．3 我國能源政策概況25-26
• 1．4 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀26-37
• 1．4．1 城市污水處理廠能耗分析26-30
• 1．4．2 污水處理廠節(jié)能的技術(shù)途徑與手段30-37
• 1．4．3 節(jié)能研究存在的問題和主要發(fā)展趨勢37
• 1．5 課題的來源、研究目的和內(nèi)容37-39
• 1．5．1 課題的來源和研究目的37-38
• 1．5．2 研究內(nèi)容38-39
• 2 城市污水處理典型工藝的能量利用39-58
• 2．1 城市污水處理廠的能耗狀況調(diào)查39-47
• 2．1．1 所調(diào)查的各處理廠概況39-47
• 2．1．2 調(diào)查指標(biāo)內(nèi)容47
• 2．2 城市污水處理工藝能量利用現(xiàn)狀47-54
• 2．2．1 工藝過程的用能負(fù)荷分析47-52
• 2．2．2 工藝過程的耗能分析52-54
• 2．3 城市污水處理廠運(yùn)行費(fèi)用分析54-57
• 2．3．1 城市處理廠生產(chǎn)成本的計(jì)算項(xiàng)目54-55
• 2．3．2 各處理廠運(yùn)行費(fèi)用分析55-57
• 2．4 小結(jié)57-58
• 3 污水處理工藝能量分析的熱力學(xué)基礎(chǔ)58-83
• 3．1 熱力學(xué)基本概念58-60
• 3．1．1 體系與環(huán)境58
• 3．1．2 熱力學(xué)狀態(tài)函數(shù)58-59
• 3．1．3 平衡態(tài)與穩(wěn)態(tài)59
• 3．1．4 熱力學(xué)過程59-60
• 3．1．5 能、熱和功60
• 3．2 熱力學(xué)第一定律與焓60-64
• 3．2．1 封閉體系的能量平衡60-62
• 3．2．2 開放體系的能量平衡62-63
• 3．2．3 熱力學(xué)第一定律的實(shí)質(zhì)——能量守恒63-64
• 3．3 熱力學(xué)第二定律和熵64-66
• 3．3．1 熱功不等價(jià)原理和第二定律64
• 3．3．2 熵與熵增原理64-65
• 3．3．3 自由能和化學(xué)平衡65-66
• 3．4 有機(jī)物降解與微生物的能量利用66-81
• 3．4．1 微生物的新陳代謝66-67
• 3．4．2 生物氧化67-69
• 3．4．3 生物體系的能量變遷69-75
• 3．4．4 細(xì)胞增殖熱力學(xué)描述75-81
• 3．5 小結(jié)81-83
• 4 污染物化學(xué)能與常規(guī)水質(zhì)指標(biāo)的定量關(guān)系研究83-106
• 4．1 污水污染物化學(xué)能概念83
• 4．2 污水污染物化學(xué)能（焓）的表達(dá)83-89
• 4．2．1 熱力學(xué)“死態(tài)”與化學(xué)能（焓）的定義83-86
• 4．2．2 基準(zhǔn)物和元素的化學(xué)焓86-87
• 4．2．3 有機(jī)物質(zhì)化學(xué)焓的估算法87-89
• 4．3 理想功與損耗功89-91
• 4．3．1 能量的級(jí)別89-90
• 4．3．2 理想功與損耗功90-91
• 4．4 污染物化學(xué)（火用）的定義91-98
• 4．4．1 （火用）的概念91-92
• 4．4．2 （火用）的組成92-93
• 4．4．3 （火用）與理想功93
• 4．4．4 熱量（火用）93-94
• 4．4．5 有機(jī)物質(zhì)化學(xué)（火用）94-98
• 4．5 污染物化學(xué)能與常規(guī)水質(zhì)指標(biāo)的定量關(guān)系98-105
• 4．5．1 化學(xué)焓與水質(zhì)指標(biāo)的定量關(guān)系99-101
• 4．5．2 有機(jī)物化學(xué)（火用）與水質(zhì)指標(biāo)的定量關(guān)系101-105
• 4．6 小結(jié)105-106
• 5 污水處理能量分析模型和指標(biāo)體系研究106-121
• 5．1 能量衡算模型106-110
• 5．1．1 能量衡算的基本原理106-107
• 5．1．2 能量平衡的研究體系和研究對象107-108
• 5．1．3 能量衡算的模型108-110
• 5．2 （火用）分析模型110-114
• 5．2．1 （火用）分析法110
• 5．2．2 （火用）平衡方程110-111
• 5．2．3 （火用）平衡的模型111-114
• 5．3 熱效率和熱力學(xué)效率114-117
• 5．3．1 熱效率114-115
• 5．3．2 熱力學(xué)效率（（火用）效率）115-117
• 5．4 能耗研究主要評價(jià)指標(biāo)117-119
• 5．4．1 比能耗118
• 5．4．2 利用率和回收率118-119
• 5．5 小結(jié)119-121
• 6 污水處理工藝能量平衡分析應(yīng)用研究121-145
• 6．1 污水處理廠簡況121-122
• 6．2 主要處理過程的能量（焓）分析122-129
• 6．2．1 能量分析的前提和假設(shè)123
• 6．2．2 能量結(jié)構(gòu)分析123-127
• 6．2．3 能流圖127-129
• 6．3 主要處理過程的（火用）分析129-141
• 6．3．1 （火用）分析的前提和假設(shè)129-132
• 6．3．2 污水處理廠二級(jí)處理部分（火用）分析132-137
• 6．3．3 （火用）流圖137-141
• 6．4 各處理廠能量利用評價(jià)141-143
• 6．4．1 能量平衡技術(shù)指標(biāo)比較141-143
• 6．4．2 （火用）平衡指標(biāo)比較143
• 6．5 小結(jié)143-145
• 7 活性污泥工藝節(jié)能運(yùn)行試驗(yàn)研究145-170
• 7．1 試驗(yàn)設(shè)備和裝置145-146
• 7．2 原運(yùn)轉(zhuǎn)方式的能量衡算與（火用）平衡分析146-155
• 7．2．1 運(yùn)轉(zhuǎn)條件147-149
• 7．2．2 物料與能量平衡表149
• 7．2．3 能流圖149-152
• 7．2．4 （火用）平衡與（火用）流圖152-153
• 7．2．5 焓平衡與（火用）平衡技術(shù)指標(biāo)153-154
• 7．2．6 分析與結(jié)論154-155
• 7．3 連續(xù)進(jìn)出水、間歇曝氣的生產(chǎn)性試驗(yàn)155-168
• 7．3．1 間歇曝氣工藝實(shí)施可行性的OUR判據(jù)155-159
• 7．3．2 連續(xù)進(jìn)出水、間歇曝氣的生產(chǎn)性試驗(yàn)159-164
• 7．3．3 間歇曝氣運(yùn)轉(zhuǎn)方式的能量平衡分析164-168
• 7．4 小結(jié)168-170
• 8 結(jié)論和建議170-173
• 8．1 結(jié)論170-172
• 8．2 問題和建議172-173
• 致謝173-174
• 參考文獻(xiàn)174-184
• 附錄184-201
• 附： 1．作者在攻讀博士學(xué)位期間發(fā)表的論文目錄200-201
• 2． 作者在攻讀博士學(xué)位期間參加的科研項(xiàng)目及得獎(jiǎng)情況201

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