截至目前，國內(nèi)尚未發(fā)現(xiàn)對污水中潛能進(jìn)行定量計算的報道，對于污水潛能大多引用國外數(shù)據(jù)，并引發(fā)一些質(zhì)疑。為此，北京建筑大學(xué)中—荷未來污水處理技術(shù)研發(fā)中心郝曉地教授團(tuán)隊試圖通過之前已建立的能量平衡與計算模型，分別定量計算污水中蘊含的化學(xué)能與熱能含量，以詮釋污水潛能的蘊藏量以及可以回收利用的價值，讓業(yè)內(nèi)人士真正了解污水潛能的來源與豐量。

郝曉地（1960-），山西柳林人，教授，從事市政與環(huán)境工程專業(yè)教學(xué)與科研工作，主要研究方向為污水生物脫氮除磷技術(shù)、污水處理數(shù)學(xué)模擬技術(shù)、可持續(xù)環(huán)境生物技術(shù)�，F(xiàn)為國際水協(xié)期刊《WaterResearch》區(qū)域主編（Editor）。

污水中含有有機物（COD）化學(xué)能和余溫?zé)崮�，但這種潛能一直不被人們所重視。計算表明，污水所含化學(xué)能、熱能理論值雖然前者小于后者，但相差倍數(shù)（3.33）不大，取決于進(jìn)水COD濃度。然而，COD化學(xué)能在能量轉(zhuǎn)化過程中有相當(dāng)一部分并不能回收或受限于能量轉(zhuǎn)化效率而不能全部轉(zhuǎn)化。

對某實際污水處理廠（COD=400mg/L）潛能轉(zhuǎn)化計算顯示，污泥厭氧消化產(chǎn)甲烷（CH4）后實施熱電聯(lián)產(chǎn)（CHP）可轉(zhuǎn)化的化學(xué)能折算電當(dāng)量僅為0.20kW˙h/m³，只能滿足實際運行耗能0.37kW˙h/m³的53.2%。因水源熱泵可轉(zhuǎn)換熱能（全部出水，4oC溫差）1.77kW˙h/m³（供熱）/1.18kW˙h/m³（制冷），所以利用不到15%的出水量（供熱9.8%、制冷14.7%）即可彌補46.8%碳中和運行赤字能量。總之，實例廠供熱時出水熱能與化學(xué)能所占總潛能值比例分別為90%和10%；折算電當(dāng)量后，總潛能值為1.97kW˙h/m³。

有關(guān)污水化學(xué)能與熱能計算顯示，城市污水中所蘊含的潛能（化學(xué)能+熱能）值可達(dá)污水處理耗能的9~10倍。同時也有人指出，城市污水中化學(xué)能約占總潛能值的10%，而90%的污水潛能由熱量產(chǎn)生；美國原污水中廢熱和化學(xué)能含量約為1500億kW˙h，其中80%為廢熱，20%為化學(xué)能。然而，這些被定量的污水潛能值在文獻(xiàn)中很難找到具體的估算方法或計算有誤，對大多數(shù)人來說似乎還是一個比較模糊的估計值，仍屬于“定性”范圍。

1污水潛能理論計算

1.1化學(xué)能計算

有關(guān)污水有機物中蘊含的化學(xué)能，一些研究者從不同角度進(jìn)行過定量評估。化學(xué)能評估大都基于生活污水所含有機物的COD值，以兩種方式表征：1）單位COD含能值；2）單位（m3）水量COD化學(xué)潛能值。本研究采用第二種方式計算污水有機物理論化學(xué)潛能值。污水有機物最大理論化學(xué)潛能值是指污水所含COD全部提取（不含微生物分解）并轉(zhuǎn)化為甲烷（CH4）的能量值，且不考慮轉(zhuǎn)化過程的實際能量損失。假如城市污水COD含量為400mg/L，所含化學(xué)能可按CH4氧化計量方程計算，見化學(xué)計量式（1）。

根據(jù)公式（1），0.25gCH4氧化需要消耗1gO2。換句話說，1gCOD可以產(chǎn)生0.25gCH4。據(jù)此，COD=400mg/L的污水每m3可產(chǎn)CH4理論量為：

因為CH4燃燒熱為50200kJ/kg，所以，當(dāng)污水COD含量為400mg/L時，每m3污水理論最大化學(xué)潛能值為：

污水化學(xué)能顯然取決于進(jìn)水COD濃度，不同COD濃度下每m3污水所能獲取的理論最大化學(xué)潛能值可根據(jù)表1能源換算關(guān)系轉(zhuǎn)變成電當(dāng)量，具體計算結(jié)果如圖1所示。具體而言，COD=400mg/L時轉(zhuǎn)換的電當(dāng)量為0.56kW˙h/m3。

表1能源換算關(guān)系

1.2熱能計算

污水處理廠出水流量、水質(zhì)一般較為穩(wěn)定，且水溫變化不大，夏季在20~24℃之間（低于空氣環(huán)境溫度），冬季處于10~15℃范圍（高于空氣環(huán)境溫度）。因此，非常適合應(yīng)用水源熱泵工程。城市污水中所賦存的理論冷/熱量可用（4）式計算。

式中：A—城市污水冷/熱量，kJ

M—污水質(zhì)量，kg

Δt—污水進(jìn)出水源熱泵機組溫差，℃

C—污水比熱容，計算時取比熱容4.18kJ/(kg˙℃)

若取污水熱能溫差為4℃，則每m3污水中所含理論熱能值為：

將每m3污水中所含熱能值根據(jù)表1能源換算關(guān)系轉(zhuǎn)變成電當(dāng)量為1.85kW˙h/m3。

1.3熱能與化學(xué)能比值

圖1不同COD濃度下污水熱能與化學(xué)能比值以及每m3污水所含化學(xué)潛能理論值

2污水處理廠潛能轉(zhuǎn)化計算

2.1化學(xué)能轉(zhuǎn)化計算

不同污水處理工藝因運行工況和所需設(shè)備不同導(dǎo)致處理過程耗能以及最終可回收的能量存在一定差異。本研究以目前包括脫氮除磷在內(nèi)而廣泛使用的A2/O工藝為藍(lán)本，根據(jù)之前已構(gòu)建的能量轉(zhuǎn)化物料平衡，參考圖2所示的流程編號建立計算公式。假設(shè)污泥厭氧消化產(chǎn)生的沼氣以熱電聯(lián)產(chǎn)（CHP）方式利用，并以此計算化學(xué)能轉(zhuǎn)化值，主要計算公式列于表2；其中，能量消耗定義為正，能量回收顯示為負(fù)。

圖2化學(xué)能轉(zhuǎn)化模型參考工藝流程


 

表2化學(xué)能轉(zhuǎn)化計算公式

2.2熱能轉(zhuǎn)化計算

水源熱泵總供熱量/制冷量可用式（6）計算。

式中：AR/L—熱泵總供熱量/制冷量，kJ；下標(biāo)R/L分別代表供熱/制冷工況；

W—熱泵所消耗電能對輸出熱能的貢獻(xiàn)值。

根據(jù)相關(guān)研究，W可利用水源熱泵供熱/制冷系數(shù)COP（表示輸入1kW˙h電的熱量，可以產(chǎn)生多少kW˙h的熱量，無因次）計算，即A:W:AR/L=COP±1:1:COP（供熱時取“-”，制冷時取“+”）；其中，COP表征了水源熱泵消耗電能轉(zhuǎn)化熱能的能力。

公式（6）中的“±”號選取根據(jù)不同目的而異。冬季供熱時，因水源熱泵消耗電能向污水轉(zhuǎn)化熱能，提高了輸出熱能值，所以取“+”，夏季制冷時，水源熱泵消耗電能向污水轉(zhuǎn)化熱能為負(fù)，降低了輸出熱能值，因此取“-”。

3案例計算、分析

污水實際可以獲得的潛能與所處地域、工藝選擇、處理規(guī)模有關(guān)。本研究以具有地域代表性的北方城市北京為例，選擇目前廣泛采用的A2/O工藝，處理規(guī)模選大型污水處理廠，根據(jù)上述列出的化學(xué)能、

3.1案例污水處理廠概況

北京某市政污水處理廠采用A2/O工藝，處理規(guī)模為60萬m3/d。該廠全年平均進(jìn)/出水水質(zhì)以及相關(guān)運行參數(shù)列于表3。初沉與剩余污泥經(jīng)過厭氧消化穩(wěn)定后脫水減量，厭氧消化池產(chǎn)生的沼氣假定通過熱電聯(lián)產(chǎn)（CHP）加以利用。

表3案例污水處理廠水質(zhì)及運行參數(shù)

3.2化學(xué)能轉(zhuǎn)化計算

根據(jù)之前已經(jīng)建立的物料平衡模型，物料衡算中不考慮污泥外回流和混合液內(nèi)回流，忽略初沉池和二沉池排泥對水量的影響，并假定初沉池對COD截留不影響后續(xù)脫氮除磷效果，亦不考慮曝氣池內(nèi)COD揮發(fā)損失，對案例廠進(jìn)行物料衡算，得出厭氧消化池中產(chǎn)生甲烷量Sm=23.64kgCOD/m³。

 

據(jù)此，再根據(jù)表2相關(guān)計算公式，可對化學(xué)能轉(zhuǎn)化進(jìn)行計算，其中，c=4200J/(kg˙℃)，ρ=1020kg/m3，α=0.8。案例廠厭氧消化池設(shè)計進(jìn)泥量為3000m³/d，Q8-9=Q7-8=3000m³/d。因為在消化池中溶解性COD（SCOD）并不能完全被降解（我國SCOD在消化池中的平均降解率為0.6），厭氧消化產(chǎn)沼氣熱電聯(lián)產(chǎn)的效率一般在65~90%（計算取值80%），所以，最后可得出案例廠工藝化學(xué)能轉(zhuǎn)化計算結(jié)果，列入表4。

表4案例污水處理廠工藝化學(xué)能轉(zhuǎn)化計算結(jié)果

表4計算結(jié)果顯示，污泥厭氧消化產(chǎn)CH4如果實施熱電聯(lián)產(chǎn)，所產(chǎn)生的能量遠(yuǎn)高于厭氧消化池加熱所投入的能量，即，污泥厭氧消化確實是一種能量轉(zhuǎn)化并輸出的必要單元。產(chǎn)生的凈能量也就是污水有機物在完成基本污染物去除功能（脫氮除磷兼COD去除）后所獲得的實際化學(xué)能，可以抵消曝氣、回流、消化池加熱等環(huán)節(jié)的能量消耗，以減少對外部能源的依賴。

3.3熱能轉(zhuǎn)化計算

案例廠出水流量、水質(zhì)均較為穩(wěn)定；水溫變化不大，夏季在20~24℃之間（低于空氣環(huán)境溫度），冬季處于10~15℃范圍（高于空氣環(huán)境溫度）。因此，非常適合應(yīng)用水源熱泵工程。利用公式（4），取用案例廠處理后的出水（60萬m3），提取溫差設(shè)定Δt=4℃，則案例廠每天出水所含熱量計算如下：

根據(jù)綜合公式（6）和COP定義得到熱泵實際供熱量/制冷量的變形計算公式（8）。

計算中，分別取熱泵機組供熱COP為3.5、制冷COP為4.8，利用公式（7）、（8）以及表1中能源換算關(guān)系，可計算系統(tǒng)可獲取的熱/冷量、系統(tǒng)供熱/制冷時機組實際能耗，計算結(jié)果見表5。

表5水源熱泵系統(tǒng)利用案例廠出水可產(chǎn)生的當(dāng)量電量

表5顯示，水源熱泵系統(tǒng)在供熱工況下，每消耗494211kW˙h電量，可產(chǎn)生1556544kW˙h的電當(dāng)量，熱泵機組每天凈產(chǎn)出電當(dāng)量1062333kW˙h。在制冷工況下，每消耗213022kW˙h電量，可產(chǎn)生920179kW˙h電當(dāng)量，熱泵機組每天凈產(chǎn)能電當(dāng)量707157kW˙h�？梢姡�案例廠如果采用水源熱泵系統(tǒng)，節(jié)能與能量回收效果非常明顯。

綜上所述，將水源熱泵系統(tǒng)從污水中獲取的熱能與污泥厭氧消化產(chǎn)CH4后熱電聯(lián)產(chǎn)轉(zhuǎn)化的化學(xué)能相比，熱能顯著高于化學(xué)能；供熱時熱能與化學(xué)能比值為1062333/118056=9.0，制冷時熱能與化學(xué)能的比值為707157/118056=6.0。

3.4潛能評價與碳中和運行

為評價污水可獲潛能與污水處理碳中和運行的可行性，將上述案例廠每天經(jīng)轉(zhuǎn)化可獲得的潛能值與實際運行耗能進(jìn)行比較，數(shù)據(jù)列于表6，其中，輸入為正，輸出為負(fù)，能量單位kW˙h。

表6案例廠能耗及可獲化學(xué)能

表6顯示，案例廠實際運行時每天總能耗為221945kW˙h。這表明，經(jīng)熱電聯(lián)產(chǎn)產(chǎn)生的化學(xué)能只能滿足該廠曝氣、回流、厭氧池加熱等主要耗能單元的53.2%，并不能涵蓋全部運行能耗。但是，如果用水源熱泵彌補46.8%碳中和運行能量赤字，每天只需使用5.9萬m3（供熱時）和8.8萬m3（制冷時）的出水，僅相當(dāng)于60萬m3/d處理水量的9.8%和14.7%。也就是說，只需利用不足15%的出水熱量即可彌補化學(xué)能在實現(xiàn)碳中和運行時的能量赤字�？梢�，污水余溫所含能量之巨大，85%的熱/冷能可供廠外周邊供熱/制冷用戶使用。

案例廠實際運行能耗為0.37kW˙h/m³；熱電聯(lián)產(chǎn)轉(zhuǎn)化的化學(xué)能電當(dāng)量為0.20kW˙h/m³；供熱/制冷時（全部出水）熱能電當(dāng)量分別為1.77kW˙h/m³和1.18kW˙h/m³。電當(dāng)量折算表明，供熱時化學(xué)能與熱能潛能值合計為1.97kW˙h/m³，制冷時合計為1.38kW˙h/m³。

4結(jié)語

污水有機物化學(xué)能與余溫?zé)崮苡嬎惚砻�，污水中確實蘊含著巨大的潛在能量。污水所含化學(xué)能、熱能理論值雖然前者小于后者，但相差倍數(shù)不大，取決于進(jìn)水COD濃度。如果進(jìn)水COD=400mg/L，與獲取4℃余溫差熱量相比，熱能約為化學(xué)能的3.33倍。

然而，有機物化學(xué)能在實際能量轉(zhuǎn)化過程中有相當(dāng)一部分不能回收（如COD氧化分解至CO2部分，即分解）或散失（受限于能量轉(zhuǎn)化效率）。實際案例計算表明，以水源熱泵轉(zhuǎn)化同樣溫差（4℃）熱能實際可獲取的熱/冷量分別是污泥厭氧消化產(chǎn)甲烷（CH4）后熱電聯(lián)產(chǎn)（CHP）可獲得化學(xué)能的9.0倍（供熱）和6.0倍（制冷），即供熱時污水熱能與化學(xué)能所占比例大約為90%和10%，與國際專家聲稱值（90%和10%）完全一致。

污水潛能折算電當(dāng)量后顯示，熱電聯(lián)產(chǎn)轉(zhuǎn)化的化學(xué)能電當(dāng)量為0.20kW˙h/m³，而供熱/制冷時（全部出水）電當(dāng)量分別為1.77kW˙h/m³和1.18kW˙h/m³。電當(dāng)量折算表明，供熱時化學(xué)能與熱能潛能值合計1.97kW˙h/m³，制冷時合計1.38kW˙h/m³。

案例廠實際運行能耗為0.37kW˙h/m³，上述經(jīng)轉(zhuǎn)化后可獲得的有機物化學(xué)能（0.20kW˙h/m³）僅能滿足碳中和運行能量需求的53.2%。碳中和赤字能量（46.8%）利用不足15%（供熱9.8%/制冷14.7%）的出水量中熱能即可獲得滿足。

污水潛能計算結(jié)果預(yù)示著我國污水處理行業(yè)若要實現(xiàn)碳中和運行，僅靠有機物化學(xué)能是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，必須就近考慮利用潛在、巨大的污水余溫?zé)崮�。誠然，污水熱能是一種低品位能量，不可能用于發(fā)電目的，只能直接、近距離熱/冷量利用。這就需要市政熱力規(guī)劃進(jìn)行全盤考慮，將污水處理廠大部分熱能提取而供出廠外，用以交換自身碳中和運行赤字電量。