城市污水处理工艺能量平衡分析研究和应用

【摘要】： 建造城市污水处理厂是解决城市水污染问题最重要和最有效的技术措施，但由于处理设施基建和运营费用高昂，能源消耗量大，使这一进程在我国的推进受到制约。城市污水处理工艺能耗能效研究虽起步较早，却发展缓慢，特别在国内未引起足够的重视。迄今为止，该领域的基本理论、研究方法和研究框架在国际、国内还无统一的认识。 本研究以有机污染物降解的热力学分析和微生物能量利用的热力学原理为基础，实现了水质指标与能量指标的耦合，建立了城市污水处理工艺能量平衡分析的理论模型和能量平衡技术指标体系的框架，提出了处理厂能效评价的方法。在该体系的指导下，本文对数座城市污水处理厂进行了实例研究并提出了其中一座厂的节能运行方案，通过生产性实验，验证了方案的可行性与可靠性。主要工作和结论如下： (1)本文在对我国城市污水处理典型工艺能量利用现状考察的基础上，概括分析了国内常见污水污泥处理工艺的耗能特点、处理厂常用设备装置和工艺过程的耗能水平，并对直接能耗(主要是电耗)费用与全厂运转费用的关系作了定性评估。 (2)本文根据化工热力学和生物热力学的相关理论，对有机物代谢的能量转移、ATP在分解代谢和合成代谢中的耦联作用等作了概括和归纳，并对细胞增殖的热力学模型作了分析。污水处理工艺过程遵守热力学基本定律；在生物反应器系统中发生的是不可逆过程，能量利用存在损失；可以依据化工热力学和生物热力学的基本理论建立污水处理工艺的能量平衡分析方法。 (3)本文完善了污染物化学能的概念和计算方法。按照所依据的热力学定律，污染物化学能分为化学焓与化学(火用)。在化学能量变与质变的不同层面上，本文建立了污染物化学焓和化学(火用)与常规水质指标COD和TOC的定量关系，实现了污染物浓度指标与能量指标的耦合：污水有机污染物水质指标与化学焓的关系为：h_(ch)=13.91kJ/gCOD，即每g有机物可测定的COD包含13.91kJ的化学焓；微生物细胞的平均化学焓含量为22.15kJ/gVSS；污水有机污染物水质指标与化学(火用)的关系为E_(xc)~0=13.825kJ/gCOD，即每g有机物可测定的COD包含13.825kJ的化学(火用)；微生物细胞的平均化学(火用)含量为22.605kJ/gVSS。 (4)本研究在国内首次建立了污水生物处理单元能量衡算的黑箱模型和(火用)平衡分析的灰箱模型，这两个模型统一了处理流程外部能源消耗与内部能量变迁的表达方式。结合采用上述两类能量分析法(焓和(火用))考察了目前国内常用的四种二级处理工艺的实际运行和用能情况。焓衡算从用能结构上剖析了各处 重庆大学博士学位论文 理厂能量形态的变化和流向，佣分析方法明确了能量质的损耗发生的位置和 途径。本研究提出和建立了评价城市污水处理厂能量利用和口收效率的技术 指标体系（包括单耗指标、综合能耗指标、利用率指标和回收率指林），并对 比能耗指标与热效率指标的实际应用进行了对比。结论认为：能量利用率指 标较之比能耗指标更为客观和严密，有助于指导现有污水厂具体进行节能降 耗。 K）基于上述能量分析方法，在某二级污水处理厂进行了应用并指导其运转方式 改造的实践。对该厂的污水生物处理单元进行了连续进出水、间歇曝气运转 方式的生产性试验研究。对经试验后推荐的运行工况进行了能量平衡分析和 用能评价，得出如下结论：能量平衡分析方法可以方便地确定能源在处理系 统或设备中转化、传递和散逸的情况；问歇曝气工艺显著提高了污水生物处 理单元的能量利用率和佣效率，其用能结构较为合理：该运转方式的能耗降 低主要来自于外部佣损夫的减少，同时污泥减量明显；连续流间歇曝气工艺 能取得优良的出水水质，并具备良好的脱氮能力。 【关键词】：城市污水处理 能量平衡分析 节能技术 间歇曝气 污染物化学能
【学位授予单位】：重庆大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2002
【分类号】：X799.3
【目录】：

• 中文摘要4-6
• 英文摘要6-17
• 1 绪论17-39
• 1．1 我国污水处理技术现状及主要问题17-19
• 1．2 我国城市污水处理工艺能耗概况19-25
• 1．2．1 我国污水处理与其他国家污水处理比能耗的对比20-22
• 1．2．2 城市污水处理总耗能量预测和对比22-23
• 1．2．3 城市污水处理厂运行费中能耗所占比例23-25
• 1．3 我国能源政策概况25-26
• 1．4 国内外研究现状26-37
• 1．4．1 城市污水处理厂能耗分析26-30
• 1．4．2 污水处理厂节能的技术途径与手段30-37
• 1．4．3 节能研究存在的问题和主要发展趋势37
• 1．5 课题的来源、研究目的和内容37-39
• 1．5．1 课题的来源和研究目的37-38
• 1．5．2 研究内容38-39
• 2 城市污水处理典型工艺的能量利用39-58
• 2．1 城市污水处理厂的能耗状况调查39-47
• 2．1．1 所调查的各处理厂概况39-47
• 2．1．2 调查指标内容47
• 2．2 城市污水处理工艺能量利用现状47-54
• 2．2．1 工艺过程的用能负荷分析47-52
• 2．2．2 工艺过程的耗能分析52-54
• 2．3 城市污水处理厂运行费用分析54-57
• 2．3．1 城市处理厂生产成本的计算项目54-55
• 2．3．2 各处理厂运行费用分析55-57
• 2．4 小结57-58
• 3 污水处理工艺能量分析的热力学基础58-83
• 3．1 热力学基本概念58-60
• 3．1．1 体系与环境58
• 3．1．2 热力学状态函数58-59
• 3．1．3 平衡态与稳态59
• 3．1．4 热力学过程59-60
• 3．1．5 能、热和功60
• 3．2 热力学第一定律与焓60-64
• 3．2．1 封闭体系的能量平衡60-62
• 3．2．2 开放体系的能量平衡62-63
• 3．2．3 热力学第一定律的实质——能量守恒63-64
• 3．3 热力学第二定律和熵64-66
• 3．3．1 热功不等价原理和第二定律64
• 3．3．2 熵与熵增原理64-65
• 3．3．3 自由能和化学平衡65-66
• 3．4 有机物降解与微生物的能量利用66-81
• 3．4．1 微生物的新陈代谢66-67
• 3．4．2 生物氧化67-69
• 3．4．3 生物体系的能量变迁69-75
• 3．4．4 细胞增殖热力学描述75-81
• 3．5 小结81-83
• 4 污染物化学能与常规水质指标的定量关系研究83-106
• 4．1 污水污染物化学能概念83
• 4．2 污水污染物化学能（焓）的表达83-89
• 4．2．1 热力学“死态”与化学能（焓）的定义83-86
• 4．2．2 基准物和元素的化学焓86-87
• 4．2．3 有机物质化学焓的估算法87-89
• 4．3 理想功与损耗功89-91
• 4．3．1 能量的级别89-90
• 4．3．2 理想功与损耗功90-91
• 4．4 污染物化学（火用）的定义91-98
• 4．4．1 （火用）的概念91-92
• 4．4．2 （火用）的组成92-93
• 4．4．3 （火用）与理想功93
• 4．4．4 热量（火用）93-94
• 4．4．5 有机物质化学（火用）94-98
• 4．5 污染物化学能与常规水质指标的定量关系98-105
• 4．5．1 化学焓与水质指标的定量关系99-101
• 4．5．2 有机物化学（火用）与水质指标的定量关系101-105
• 4．6 小结105-106
• 5 污水处理能量分析模型和指标体系研究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 能量平衡的研究体系和研究对象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 热效率和热力学效率114-117
• 5．3．1 热效率114-115
• 5．3．2 热力学效率（（火用）效率）115-117
• 5．4 能耗研究主要评价指标117-119
• 5．4．1 比能耗118
• 5．4．2 利用率和回收率118-119
• 5．5 小结119-121
• 6 污水处理工艺能量平衡分析应用研究121-145
• 6．1 污水处理厂简况121-122
• 6．2 主要处理过程的能量（焓）分析122-129
• 6．2．1 能量分析的前提和假设123
• 6．2．2 能量结构分析123-127
• 6．2．3 能流图127-129
• 6．3 主要处理过程的（火用）分析129-141
• 6．3．1 （火用）分析的前提和假设129-132
• 6．3．2 污水处理厂二级处理部分（火用）分析132-137
• 6．3．3 （火用）流图137-141
• 6．4 各处理厂能量利用评价141-143
• 6．4．1 能量平衡技术指标比较141-143
• 6．4．2 （火用）平衡指标比较143
• 6．5 小结143-145
• 7 活性污泥工艺节能运行试验研究145-170
• 7．1 试验设备和装置145-146
• 7．2 原运转方式的能量衡算与（火用）平衡分析146-155
• 7．2．1 运转条件147-149
• 7．2．2 物料与能量平衡表149
• 7．2．3 能流图149-152
• 7．2．4 （火用）平衡与（火用）流图152-153
• 7．2．5 焓平衡与（火用）平衡技术指标153-154
• 7．2．6 分析与结论154-155
• 7．3 连续进出水、间歇曝气的生产性试验155-168
• 7．3．1 间歇曝气工艺实施可行性的OUR判据155-159
• 7．3．2 连续进出水、间歇曝气的生产性试验159-164
• 7．3．3 间歇曝气运转方式的能量平衡分析164-168
• 7．4 小结168-170
• 8 结论和建议170-173
• 8．1 结论170-172
• 8．2 问题和建议172-173
• 致谢173-174
• 参考文献174-184
• 附录184-201
• 附： 1．作者在攻读博士学位期间发表的论文目录200-201
• 2． 作者在攻读博士学位期间参加的科研项目及得奖情况201

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