青島某污水廠對沼氣熱電聯(lián)產(chǎn)預(yù)估模型的分析

李淑夏

（烏蘭察布市園林服務(wù)中心）

0 工程介紹

該污水處理廠位于山東省青島市，于1993 年建成，為青島市興建的第一座污水處理廠；2010年，對其進行了改造擴建，設(shè)計日處理規(guī)模擴大為16 萬t，實際處理量在14.5 萬t/d；出水水質(zhì)達到國家一級B 標(biāo)準(zhǔn)，處理工藝由以前的AB 法改為現(xiàn)在的MSBR 法；2015 年初，污水廠正式啟動污泥厭氧消化與熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)，污泥進行一級中溫厭氧消化，溫度控制在35～38℃之間，污泥有效停留時間為20 天；四座圓柱形消化池直徑均為28m，深度為19.3m，體積為10335m3，設(shè)計日進泥量為500m3，實際運行時污泥只能滿足三座消化池；沼氣發(fā)電機組共有四臺，采用某集團生產(chǎn)的額定功率為500kW、轉(zhuǎn)速為1000r/min、發(fā)電效率為0.35 的機組，發(fā)電機組的煙氣部分或全部通過煙道式余熱鍋爐產(chǎn)生熱水，內(nèi)燃機的缸套冷卻水則通過管殼換熱器與外循環(huán)水進行換熱；污水廠還配有兩臺額定熱功率為2.8MW 的沼氣熱水鍋爐，只有在循環(huán)熱水溫度較低時才啟用。該污水廠污泥厭氧消化與熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)工藝流程如圖1 所示。

圖1 污泥厭氧消化與沼氣熱電聯(lián)產(chǎn)工藝流程圖

1 數(shù)據(jù)分析

污泥中溫消化的時間在15～20 天之間，因此，以15 天為一個周期對該污水廠全年污水量、污泥量以及沼氣量的運行數(shù)據(jù)進行劃分，則全年24 個周期數(shù)據(jù)變化趨勢如圖2、圖3 所示。

圖2 日處理污水量與日產(chǎn)污泥量的變化曲線

圖3 日消化污泥量與日產(chǎn)沼氣量的變化曲線

從圖中可以看出，污水量、污泥量與沼氣量之間并不成正比例變化，污水量與污泥量的變化主要與人們生活習(xí)慣、飲食、氣候有關(guān)，在夏季，雨水與生活用水增多，污水量多，但人們飲食清淡，污水中有機成分減少，所以污泥量減少；冬季則與夏季恰好相反，污水量減少，人們飲食高熱量高、高蛋白食物較多，以至于污泥量較夏天多[1]。

由于圖2、圖3 的變化曲線可知，污泥量與污水量、沼氣量與污泥量之間的數(shù)量關(guān)系全年是不固定的，相關(guān)資料顯示，我國城市污水廠的污泥產(chǎn)量為每104m3污水產(chǎn)含水率96%的污泥23～70m3，平均則為35.9m3污泥/104m3污水，而該污水廠在同樣含水率的情況下最高為190.4m3污泥/104m3污水，最低為100.1m3污泥/104m3污水，平均污泥產(chǎn)率為79m3污泥/104m3污水，產(chǎn)率高于國家平均值[2-3]，如圖4 所示。單位污泥產(chǎn)氣量的變化主要是夏季環(huán)境溫度高，微生物活性高，降解能力就高，所以在未進入消化罐前，已有部分沼氣產(chǎn)生，并散發(fā)到空氣中，從而進入消化池內(nèi)的污泥微生物減少，產(chǎn)氣量自然下降；冬季大部分微生物儲存在泥量，在進入消化池后隨溫度的增加開始分解產(chǎn)沼氣，有助于污泥厭氧消化，產(chǎn)生更多的沼氣。

圖4 全年產(chǎn)氣率變化

通過對大部分北方污水廠的污泥厭氧消化數(shù)據(jù)進行分析，得到這些污水處理廠的沼氣率為4～14m3沼氣/m3污泥，平均為7.5m3沼氣/m3污泥（含水率為96%）[4]，該污水廠在不同周期段內(nèi)污泥產(chǎn)氣率有變化，最高為12m3沼氣/m3污泥，最低為5m3沼氣/m3污泥，平均為8.5m3沼氣/m3污泥，可見，該污水廠整體產(chǎn)氣率要略高于大部分污水廠。

2 數(shù)學(xué)模型的建立

據(jù)相關(guān)資料顯示，全國污水處理廠很多，建有污泥厭氧發(fā)酵與熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的污水廠也有一部分，但真正運行該系統(tǒng)的卻寥寥無幾，不是運轉(zhuǎn)半途終止，就是因為不了解系統(tǒng)啟動后的運轉(zhuǎn)情況，干脆不啟動系統(tǒng)[5]。該污水廠污泥厭氧發(fā)酵系統(tǒng)啟動至今已有將近兩年時間，不僅未出過故障，而且運轉(zhuǎn)平穩(wěn)和良好，這很大一部分原因在于他們能對系統(tǒng)進行及時的預(yù)測與調(diào)節(jié)，因此，本文通過污水廠全年運行數(shù)據(jù)的詳細分析，找出了各個變量相互間的依賴關(guān)系，建立了一個簡易的數(shù)學(xué)模型，該模型可以對估算污水廠污泥厭氧發(fā)酵與熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的運轉(zhuǎn)情況起到一定參考作用，其計算流程如圖5 所示。

圖5 數(shù)學(xué)模型計算流程圖

圖5 所示流程的主要計算說明為輸入一定的沼氣量L，設(shè)定單位污泥產(chǎn)氣量c、新鮮污泥溫度T、厭氧消化溫度T1、測試沼氣甲烷含量a以及選定發(fā)電機組，然后通過MATLAB 平臺上進行數(shù)學(xué)模型的計算，便可得到與沼氣熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)運行相關(guān)的污泥量L1、加熱污泥量所需熱量Q3、發(fā)電機組的最佳運行臺數(shù)n、煙氣熱量Q1與缸套冷卻水熱Q2的利用效率以及污泥實際消化溫度T2等參數(shù)。

該污水廠污泥厭氧消化數(shù)據(jù)雖然全年均有波動，但是，根據(jù)新鮮污泥溫度、環(huán)境日平均溫度、環(huán)境日最高溫度以及單位污泥產(chǎn)沼氣量、沼氣中甲烷含量等影響因素，可以進一步把2022 全年運行數(shù)據(jù)大致劃分為四個階段，其中4 月1 日～6 月15 日為第一個階段，6月16 日～9 月30 日為第二個階段，10 月1 日～11 月15日為第三個階段，11 月16 日～3 月31 日為第四個階段。將每個階段再次分為三部分，則每個階段的運行參數(shù)為該階段一、三部分的平均值，見表1。

表1 每個階段運行參數(shù)值

利用污水廠每個階段第二部分的實際運行測試數(shù)據(jù)，與表1 中所設(shè)參數(shù)以及運用數(shù)學(xué)模型計算出的系統(tǒng)運行情況進行對比，驗證參數(shù)與模型的準(zhǔn)確性以及偏差產(chǎn)生的原因，偏差在-10%～20%內(nèi)均認(rèn)為合理。

對于第一階段，選取5 月份1～10 日的實際運行數(shù)據(jù)與數(shù)學(xué)模型計算數(shù)據(jù)進行對比，計算得到污泥溫度偏差為+1℃，發(fā)電量的計算數(shù)據(jù)與實際測試數(shù)據(jù)的偏差如圖6 所示，圖中展示了偏差隨著沼氣中甲烷含量的變化而變化的趨勢。

圖6 計算電量與實際電量的差值百分比隨沼氣中甲烷含量變化而變化的趨勢圖

由圖6 可知，沼氣中甲烷含量為59%時，計算電量與實際數(shù)據(jù)的平均偏差為2%，發(fā)電機組運行負荷與煙氣熱量隨沼氣中甲烷含量的變化趨勢與電量相同，它們與實際運行數(shù)據(jù)的偏差分別為1%、4%，并且隨著沼氣中甲烷含量這一參數(shù)的變化，偏差有增有減，可見，該參數(shù)對整個系統(tǒng)的電量和余熱量有較大影響；圖7 則分別展示了計算污泥量、未回收煙氣熱量與實際數(shù)據(jù)的變化趨勢，污泥量的偏差波動較小，最大僅為15%，模型計算的未進行回收利用的煙氣熱量與實際運行偏差較大，這主要與污泥溫度、沼氣甲烷含量、污泥需熱量等均有關(guān)，該偏差屬于累計偏差，因此波動較大，綜上所述，所有參數(shù)偏差均在允許范圍內(nèi)，因此，階段一的設(shè)定參數(shù)與數(shù)學(xué)模型在該階段可行，準(zhǔn)確性較高。同理，對其余三個階段運用同樣的方法分別選取8 月5～15 日、10 月16～25 日、1 月25 日～2 月5 日的實際測試數(shù)據(jù)與模型計算數(shù)據(jù)進行對比分析，得到偏差均在合理范圍內(nèi)，為了進一步驗證該數(shù)學(xué)模型及所設(shè)參數(shù)的可行性，在兩臺發(fā)電機運行的情況下，又對該污水廠2023 年3 月份與6月份的運行數(shù)據(jù)進行了測試，見表2、表3。

表2 該污水廠實際運行數(shù)據(jù)

表3 該污水廠模型計算數(shù)據(jù)

圖7 計算污泥量、未回收余熱煙氣量與實際數(shù)據(jù)對比

因為3 月份屬于第四段，6 月份上旬屬于第二階段，下旬屬于第三階段，因此，用模型計算時，相應(yīng)參數(shù)值取表1 數(shù)據(jù)，則計算結(jié)果與實際運行的偏差如圖8、圖9 所示。

圖8 計算數(shù)據(jù)與實際數(shù)據(jù)對比

圖9 計算數(shù)據(jù)與實際數(shù)據(jù)偏差百分比

兩圖中，橫坐標(biāo)1～4 點分別代表3 月上旬?dāng)?shù)據(jù)、3 月下旬?dāng)?shù)據(jù)、6 月上旬?dāng)?shù)據(jù)、6 月下旬?dāng)?shù)據(jù)；從圖8 中可以看到，計算污泥溫度與實際污泥溫度最多偏差3℃，經(jīng)查詢資料發(fā)現(xiàn)，2023 年氣溫上半年氣溫較2022 年高。因此，造成了污泥溫度的升高；消化溫度受外界因素影響不大，因此偏差較小；圖9 中單位污泥產(chǎn)氣量設(shè)定值與實際值略有偏差，這主要與泥質(zhì)中的有機物含量有關(guān)，由于該參數(shù)的影響，所以造成計算污泥量與實際污泥量產(chǎn)生了較大偏差，但偏差最多為20%，并未影響到系統(tǒng)的整體運行，其他參數(shù)的模型計算值與實際值偏差較小。綜上所述，通過不同年份中相同階段的實際運行與模型計算數(shù)據(jù)的分析對比，得到兩者雖有偏差，但均在合理范圍內(nèi)，除去偏差影響因素，模型計算數(shù)據(jù)以及設(shè)定參數(shù)基本與實際值基本吻合，因此，該模型以及所設(shè)參數(shù)可以運用于該污水廠對沼氣熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)運行情況的預(yù)估，并能起到較強的參考作用。

3 結(jié)束語

本文通過對污水廠污泥進行厭氧消化與沼氣熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的測試與數(shù)據(jù)分析，主要得到以下結(jié)論：①該污水廠污水量、污泥量與沼氣量三者之間并不是正比例變化，該污水廠平均污泥產(chǎn)率與產(chǎn)氣率分別為79m3污泥/104m3污水、8.5m3沼氣/m3污泥，均高于我國平均水平；②將全年分為四個階段，對每個階段進行新鮮污泥溫度、沼氣甲烷含量、單位污泥產(chǎn)氣量等參數(shù)的設(shè)定，并建立可以用于預(yù)估污水廠沼氣熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)運行情況的數(shù)學(xué)模型；③利用污水廠實際運行數(shù)據(jù)對所建數(shù)學(xué)模型與每個階段的設(shè)定參數(shù)值進行驗證，結(jié)果表明，利用所設(shè)參數(shù)值以及數(shù)學(xué)模型計算出來的沼氣熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)運行情況與實際情況較為接近，偏差在-10%～20%之間，屬于合理范圍，因此，所建數(shù)學(xué)模型在該污水廠具有可行性。