嚴(yán)伊竣,王春艷,劉 毅,董 欣,劉艷臣,姚琳潔

社區(qū)化糞池污水能量轉(zhuǎn)化估算與分析研究

嚴(yán)伊竣,王春艷*,劉 毅,董 欣,劉艷臣,姚琳潔

(清華大學(xué)環(huán)境學(xué)院,北京 100084)

以化糞池單元為研究對象,基于ADM1模型的反應(yīng)過程,建立了社區(qū)化糞池污水能量轉(zhuǎn)化核算模型(WeMax-STK模型),對污水能量在化糞池中的賦存?轉(zhuǎn)化以及去向進(jìn)行了分析,并評估了污水能量的回收潛力.結(jié)果表明,WeMax-STK模型整體可靠,模擬值與監(jiān)測值的平均誤差不超過24%,不確定性低于18%,模型準(zhǔn)確率在70%以上.化糞池進(jìn)水有機(jī)物轉(zhuǎn)化為熱能和內(nèi)部微生物能量的比例約占進(jìn)水總化學(xué)能量的17%,污水化學(xué)能的主要去向是轉(zhuǎn)化為慢速降解基質(zhì)的能量,化糞池內(nèi)有機(jī)物轉(zhuǎn)化為氣態(tài)甲烷的能量僅占進(jìn)水化學(xué)能總量的4%左右.污水熱能的回收強(qiáng)度約4.6kWh/m3,熱能回收潛力約為24%～25%,大約是污水化學(xué)能回收潛力的3～6倍.

化糞池；污水能量；能量轉(zhuǎn)化；ADM1模型

化糞池作為常見的無害化處理設(shè)施,其建設(shè)與改造一直是我國廁所革命和人居環(huán)境建設(shè)的工作重點(diǎn),其中分布了大量微生物群,污水進(jìn)入化糞池后會停留數(shù)小時至數(shù)天不等,污水停留期間微生物會將大分子有機(jī)物分解成小分子物質(zhì),同時生成甲烷等[1]氣體并釋放能量.化糞池甲烷排放速率為7.4～ 16.3g/(m3·d)[2],排放量與市政污水廠甲烷和氧化亞氮的排放相當(dāng)[1].化糞池進(jìn)水中的化學(xué)鍵能和化學(xué)焓能從有機(jī)物轉(zhuǎn)移至甲烷和其他產(chǎn)物,同時部分能量以代謝熱能的形式釋放.換言之,污水能量的賦存形式會隨著反應(yīng)過程同步發(fā)生改變.

國內(nèi)外已有研究學(xué)者關(guān)注到污水作為一種特殊的能源載體,可以以甲烷、熱能的形式回收,并用于周邊環(huán)境的空間制冷、供暖及電力補(bǔ)充[3].有學(xué)者從理論和實(shí)驗(yàn)角度分別測算了污水化學(xué)能與COD的關(guān)系,約為0.00386kWh/g COD[4-7].污水中的熱能來自于生活使用或污水處理過程中的熱量輸入,通常表現(xiàn)為污水溫度的變化,有學(xué)者估計瑞士每年建筑物排放污水中約有2×108kWh的熱能[8].目前污水廠中能量回收利用研究和應(yīng)用案例較多.世界上多個水廠已嘗試通過硝化、熱電聯(lián)產(chǎn)等能源回收方式實(shí)現(xiàn)了90%～115%的能源自給率[9-10],減排優(yōu)勢明顯.也有學(xué)者對排水系統(tǒng)的能量回收潛力進(jìn)行了研究,如Abdel-Aal等[11]發(fā)現(xiàn)下水道管網(wǎng)熱回收潛力能滿足該集水區(qū)熱需求的7%～18%.

然而,目前化糞池內(nèi)污水能量轉(zhuǎn)化核算的相關(guān)研究較少,還缺少一套完整且能同步刻畫污水水質(zhì)、污水能量變化的方法.目前研究多以污水管網(wǎng)為例進(jìn)行模型建立和結(jié)果分析,如Vollertsen等[12]嘗試基于污水管網(wǎng)中生物量(膜)的生長以及有機(jī)物的水解發(fā)酵過程評估甲烷回收潛力,但是涉及參數(shù)復(fù)雜且難以測定,且未能考慮沉積物與水質(zhì)的相互影響[13];Dürrenmatt等[14]建立了TEMPSET模型,但是多平衡影響下該模型較為復(fù)雜應(yīng)用不便,且忽略了空氣與污水的熱交換[15].

回收污水中的能量是我國“雙碳”政策導(dǎo)向下的必然選擇,符合污水資源化利用的總體要求,有利于保障水生態(tài)、水安全、水環(huán)境安全,是未來污水處理行業(yè)的發(fā)展趨勢.因此,為明晰化糞池內(nèi)不同形式能量之間的轉(zhuǎn)化關(guān)系,評估污水能量回收潛力,提高污水資源化利用水平,本文擬通過改進(jìn)ADM1模型和實(shí)證研究,對污水能量在化糞池中的賦存、轉(zhuǎn)化以及去向進(jìn)行分析,并評估污水能量的回收潛力.

1 研究方法與數(shù)據(jù)

采用能量強(qiáng)度和回收強(qiáng)度來評估污水能量賦存量和回收潛力.污水能量與水質(zhì)有密切關(guān)系,水質(zhì)的變化過程就是污水能量的轉(zhuǎn)化過程.也就是說,需要刻畫水質(zhì)的反應(yīng)過程,明晰水質(zhì)的變化才能揭示污水能量的轉(zhuǎn)化及去向.相關(guān)參數(shù)來源于實(shí)際監(jiān)測采樣、文獻(xiàn)調(diào)研和模型預(yù)設(shè)參數(shù)等.

1.1 污水水質(zhì)與能量的關(guān)系

對于污水化學(xué)能,目前國內(nèi)外均采用COD作為指標(biāo)計算;對于污水熱能,主要是基于污水比熱容并以溫度作為指標(biāo)計算.在核算污水能量時,水量直接決定能量的數(shù)量級,但僅采用水量指標(biāo)就會掩蓋引起污水能量變化中水質(zhì)因素.為了研究污水能量的轉(zhuǎn)換過程,本文采用單位污水體積計算污水能量強(qiáng)度(SEI)和污水能量回收強(qiáng)度(ERI),用二者的比值來評估能量的回收潛力(ERP),計算公式如下:

式中:SEIch、ERIch分別代表污水化學(xué)能的能量強(qiáng)度和回收強(qiáng)度,kWh/m3; SEIth、ERIth分別代表污水熱能的能量強(qiáng)度和回收強(qiáng)度,kWh/m3;為化學(xué)能量系數(shù),單位為kWh/g COD,有研究表明以COD計的有機(jī)物僅占污水總化學(xué)能的85%[5,16],COD的能量系數(shù)為0.00386kWh/gCOD[4-6],故本文計算SEIch時取0.00453kWh/gCOD;化學(xué)能的主要回收目標(biāo)是甲烷,計算ERIch時取0.00388kWh/gCOD (以COD計的甲烷濃度)[17],即甲烷的燃燒熱值;是污水比熱容,單位為kWh/(m3×℃),取值為1.16;S為化糞池進(jìn)水有機(jī)物及其產(chǎn)物S的濃度,單位為g COD/m3;為溫度,計算SEIth時為污水溫度;計算ERIth時,由于熱能主要依靠污水源熱泵進(jìn)行提取回收,因此為提取溫差,一般取4℃[18-20].

1.2 化糞池污水能量轉(zhuǎn)化核算模型與分析方法

1.2.1 化糞池污水能量核算轉(zhuǎn)化模型 國內(nèi)一般采用三格化糞池,三格之間互相連通,內(nèi)部為厭氧環(huán)境,這樣就與厭氧消化1號模型(ADM1)描述的厭氧消化池較為相似[21].ADM1對厭氧消化全過程進(jìn)行了詳細(xì)的刻畫[22],但在實(shí)際應(yīng)用中,不同微生物種群的數(shù)量并不確定,且某些組分(如揮發(fā)性酸)測試難度較大.Weinrich等[23]將ADM1逐步簡化成ADM1- R1～R4,其中ADM1-R3是在保留乙酸轉(zhuǎn)化為甲烷這步限速反應(yīng)的基礎(chǔ)上對ADM1的最大程度簡化. ADM1-R3一共包括6個生化過程[24],分別為三大營養(yǎng)物的降解過程(碳水化合物、蛋白質(zhì)和脂類化合物)、兩類微生物的凋亡過程(水解微生物和乙酸營養(yǎng)型產(chǎn)甲烷微生物)以及乙酸產(chǎn)甲烷的過程.

本文基于ADM1-R3構(gòu)建化糞池污水能量轉(zhuǎn)化核算模型.針對污水能量轉(zhuǎn)化核算需要,對ADM1- R3做適當(dāng)簡化、新增和調(diào)整.

(1)簡化部分:ADM1-R3涉及兩種微生物.但實(shí)際應(yīng)用中,微生物種類并不便于測定.因此本文采用一種非特定微生物表示微生物的凋亡過程.

(2)新增部分:

①微生物死細(xì)胞分解為復(fù)雜有機(jī)物.化糞池內(nèi)含有大量微生物,不僅進(jìn)水中的有機(jī)物可以作為內(nèi)部生化反應(yīng)的底物,微生物凋亡后的死細(xì)胞體也可作為底物被活性微生物利用,但ADM1-R3中并沒有考慮這部分.本文采用原ADM1模型中的初步水解方程及其反應(yīng)速率公式[22]描述該過程:

式中:s2為微生物死細(xì)胞(可看成慢速降解基質(zhì)),ch、pr、li分別代表碳水化合物?蛋白質(zhì)和脂類化合物,g COD/m3(以COD計的物質(zhì)濃度);、、為計量學(xué)系數(shù),無量綱,取值依據(jù)微生物細(xì)胞結(jié)構(gòu)組成確定,=0.286,=0.55,=0.15[25].該過程的反應(yīng)速率可用式(5)表示,其中dis為一級水解動力學(xué)常數(shù),h-1,取值范圍為0.051～0.054[26].

②甲烷的氣液傳質(zhì)過程:污水化學(xué)能的回收對象主要是氣態(tài)甲烷,但ADM1模型中并未給出甲烷氣液傳質(zhì)過程的反應(yīng)速率表達(dá)式.本文采用Pauss等[27]提出的傳質(zhì)公式:

式中:CH4、CH4分別為液態(tài)甲烷和氣態(tài)甲烷濃度,g COD/m3;甲烷氣液傳質(zhì)速率可用式(7)表示,其中La_CH4為甲烷傳質(zhì)因子,h-1;GCH4為氣態(tài)甲烷分壓, kPa;H_CH4為甲烷的亨利常數(shù),g COD/(m3·kPa),上述參數(shù)將參考文獻(xiàn)[2,27]的取值范圍.

(3)調(diào)整部分:ADM1-R3中所有反應(yīng)的計量學(xué)系數(shù)均以摩爾為單位,不能體現(xiàn)有機(jī)物的能量去向,也不能直接與能量計算公式結(jié)合.為便于后續(xù)核算污水能量,本文將計量學(xué)系數(shù)調(diào)整為以COD表征.方法是:先將底物的摩爾系數(shù)調(diào)整為1,然后計算產(chǎn)物的系數(shù),計算公式如下:

式中:為產(chǎn)物以COD計的系數(shù);為產(chǎn)物以摩爾計的系數(shù);CODM(P)為每摩爾產(chǎn)物消耗的COD質(zhì)量,g COD/mol;CODM(S)為每摩爾底物消耗的COD質(zhì)量,g COD/mol.

ADM1所有反應(yīng)過程均是基于特定組分構(gòu)建的[28],不同有機(jī)物參與反應(yīng)過程不同,相應(yīng)的污水能量變化也存在差異.因此,需要基于生活污水組分建立水質(zhì)特征化方法,將其用于WeMax-STK.具體方法是:用COD表征進(jìn)水總有機(jī)物的含量,將COD初步分為快速降解基質(zhì)(近似看作BOD5)和慢速降解基質(zhì),其中快速降解基質(zhì)可分為簡單有機(jī)物和復(fù)雜有機(jī)物.化糞池進(jìn)水主要是生活污水,可認(rèn)為居民家庭生活污水中的有機(jī)物主要為碳水化合物(單糖)、蛋白質(zhì)(氨基酸)和脂類(脂肪酸)三大膳食營養(yǎng)成分,其他組分忽略不計,除COD?BOD5和乙酸濃度為本研究實(shí)測值,其他組分的占比()可根據(jù)文獻(xiàn)[29-30]確定.最終構(gòu)建的基于生活污水組分建立水質(zhì)特征化方法如圖1所示.

圖1 基于生活污水組分的水質(zhì)特征化方法

WeMax-STK是基于ADM1-R3構(gòu)建的化糞池污水能量轉(zhuǎn)化核算模型,新增過程的反應(yīng)方程和速率表達(dá)式借鑒了原ADM1中的公式,因此復(fù)雜程度介于原ADM1模型和ADM1-R3模型之間. WeMax-STK包括初步分解和水解、產(chǎn)乙酸和產(chǎn)甲烷在內(nèi)的9個生化反應(yīng)和1個甲烷氣液傳質(zhì)過程,另外還增加了17個能量組分及其計算公式,可以實(shí)現(xiàn)污水水質(zhì)和能量的同步模擬.表1總結(jié)了WeMax- STK的主要內(nèi)容,可以直觀對比其與ADM1以及ADM1-R3模型的區(qū)別.

1.2.2 化糞池污水能量轉(zhuǎn)化分析方法 本研究將①化糞池出口與進(jìn)口化學(xué)能的能量強(qiáng)度之差(即出水減少的化學(xué)能),②化糞池出口與進(jìn)口熱能的能量強(qiáng)度之差(即出水增加的熱能)以及③化糞池內(nèi)微生物化學(xué)能的能量強(qiáng)度(即活性微生物所含的化學(xué)能)進(jìn)行兩兩線性擬合,得到污水能量轉(zhuǎn)化關(guān)系的經(jīng)驗(yàn)公式,斜率表示二者呈正(負(fù))相關(guān)關(guān)系,2為相關(guān)系數(shù),表示擬合公式與實(shí)際數(shù)值之間的吻合程度.

表1 WeMax-STK與ADM1?ADM1-R3的比較

注:上述過程涉及的所有物質(zhì)組分均可結(jié)合能量計算公式得到相應(yīng)的能量組分.

1.3 模型實(shí)現(xiàn)與驗(yàn)證

采用AQUASIM軟件來實(shí)現(xiàn)WeMax- STK模型的計算和模擬過程,模型的驗(yàn)證方法如下:

1.3.1 參數(shù)率定 用Spearman相關(guān)系數(shù)()反映模擬值與監(jiān)測值(真實(shí)值)的相關(guān)性,用相對誤差()和平均相對誤差(ave)表示模擬值與監(jiān)測值之間的誤差,用準(zhǔn)確率()來代表模擬結(jié)果的可靠性,評判參數(shù)率定結(jié)果的好壞.相對誤差?平均相對誤差和準(zhǔn)確率的計算公式分別如(9)、(10)和(11)所示:

式中:是第個模擬值與監(jiān)測值之間的相對誤差;ave是模擬值和監(jiān)測值的平均相對誤差;是準(zhǔn)確率;sim是模擬值;real是監(jiān)測值;是模擬值的個數(shù);N是落在監(jiān)測范圍中的模擬值個數(shù).

1.3.2 不確定性分析 假設(shè)所有參數(shù)為均勻分布,根據(jù)參數(shù)的取值范圍分成10等份,由小至大依次取值,計算各組分的濃度(即模型輸出),然后用模型輸出的標(biāo)準(zhǔn)差與均值的比值代表模型的不確定性,具體計算公式如下:

式中:為不確定性,是模型輸出的標(biāo)準(zhǔn)差;是模型輸出的均值.

1.4 時變化特征分析

根據(jù)實(shí)際監(jiān)測數(shù)據(jù),水質(zhì)結(jié)果繪制成箱式圖,水量結(jié)果通過Matlab繪制為小時變化曲線.本研究采用小時變化系數(shù)HVI表征污水水量和污水能量的時間變化特征,并將該指標(biāo)應(yīng)用在水量監(jiān)測結(jié)果和污水能量回收潛力分析部分.HVI的計算方法是用某時刻的數(shù)值除以24h的平均值.

1.5 監(jiān)測方案與數(shù)據(jù)

選取北京某高校家屬區(qū)作為研究區(qū)域.該家屬區(qū)占地面積約7.5hm2,實(shí)際向主干管排放污水的居民約1.04萬人,污水整體流向?yàn)樽詵|向西.根據(jù)實(shí)地摸查情況和排水管網(wǎng)設(shè)計圖紙,綜合考慮監(jiān)測設(shè)備安裝和人工采樣的便利性?可行性,選擇了A小區(qū)某居民樓排口(也是該樓化糞池進(jìn)口)及化糞池出口作為監(jiān)測點(diǎn)位.水量采用在線設(shè)備監(jiān)測,水質(zhì)通過人工采樣送往實(shí)驗(yàn)室分析.在2021年11～12月,一共開展4次水樣采集工作,其中2次為連續(xù)24h密集采樣(一天工作日和一天周末),頻率為1h/次;另外2次采樣在工作日,頻率為1d/次.樣品運(yùn)輸和保存均依據(jù)《水質(zhì)采樣樣品的保存和管理技術(shù)規(guī)定》(HJ493-2009).

2 結(jié)果與分析

2.1 水量水質(zhì)監(jiān)測結(jié)果

污水經(jīng)過化糞池前后的流量變化曲線如圖2所示.化糞池進(jìn)水(居民樓排口)的工作日平均小時流量為0.96m3/h,方差為0.10,最高小時流量為1.64m3/h (6:00),最低小時流量為0.29m3/h(4:00);周末平均小時流量為0.84m3/h,方差為0.16,最高小時流量為1.79m3/h(19:00),最低小時流量為0.50m3/h(3:00).化糞池出水的工作日平均小時流量為0.90m3/h,方差為0.13,最高小時流量為1.50m3/h(22:00),最低小時流量為0.29m3/h(5:00);周末平均小時流量為0.87m3/ h,方差為0.21,最高小時流量為1.71m3/h(23:00),最低小時流量為0.27m3/h(5:00).

化糞池進(jìn)水(居民樓排口)流量的小時變動差異明顯,HVI范圍在0.3～1.8之間,受居民家庭活動水平影響顯著.經(jīng)過化糞池后,流量的小時變動差異被削弱,HVI范圍在0.3～1.6之間,說明化糞池對污水排出具有一定時滯緩沖作用.

圖2 水量監(jiān)測結(jié)果

圖3 化糞池水質(zhì)水溫變化監(jiān)測結(jié)果

水質(zhì)監(jiān)測結(jié)果及描述性統(tǒng)計分析如圖3所示,其中異常值已剔除.結(jié)果顯示,工作日期間化糞池進(jìn)出口的COD平均值分別為522.2和411.1mg/L, BOD5平均值分別為212.7和183.3mg/L;周末期間化糞池進(jìn)出口的COD平均值分別為507.2和354.2mg/L,BOD5平均值分別為222.0和103.0mg/L.可見,化糞池可對生活污水進(jìn)行初步處理,COD去除率大約在21.3%～30.2%,BOD5去除率大約在13.8%～ 53.6%.該結(jié)果接近于或小于已有研究結(jié)果.例如,丁慧等[31]對哈爾濱市某化糞池前后檢查井進(jìn)行連續(xù)24h取樣后發(fā)現(xiàn)COD平均去除率為16.9%～47.2%,而Kelsey等[32]對多篇文獻(xiàn)中化糞池進(jìn)出流COD濃度進(jìn)行整理后發(fā)現(xiàn)COD平均去除率為71%～80%,王紅燕等[33]對蘭州市某化糞池進(jìn)出水進(jìn)行采樣后也發(fā)現(xiàn)COD和BOD5的平均去除率可分別達(dá)到83.6%和51.1%.可能原因是本文監(jiān)測時段為北方冬季,氣溫降低影響了化糞池的污染降解效果.而工作日期間化糞池進(jìn)出口水溫平均值分別為17.1和18.6℃,周末期間化糞池進(jìn)出口水溫平均值分別為17.1和18.9℃,說明經(jīng)過化糞池后污水溫度可提升1.5～ 1.8℃,污水熱能也隨之相應(yīng)增加.

2.2 模型驗(yàn)證結(jié)果

采用化糞池出口COD、BOD5監(jiān)測值對WeMax-STK模型進(jìn)行參數(shù)率定和不確定性分析.模型中除常數(shù)參數(shù)外,共需率定35個參數(shù),包括化糞池進(jìn)水水質(zhì)參數(shù)8個、微生物相關(guān)參數(shù)4個、有機(jī)物分解或水解參數(shù)10個,有機(jī)物降解發(fā)酵參數(shù)11個以及氣液傳質(zhì)參數(shù)2個.參數(shù)率定后,監(jiān)測值與模型模擬值之間的Spearman相關(guān)系數(shù)、平均相對誤差、準(zhǔn)確率和不確定性如表2所示.在模擬效果方面,WeMax-STK模型表現(xiàn)較好,Spearman相關(guān)性均大于60%,準(zhǔn)確率在70%以上,平均相對誤差不超過24%,與Catenacci[34]、Souza[35]等研究模型的表現(xiàn)接近.模型輸出的不確定性在7.7%～17.5%之間,整體上模型輸出的不確定性較小,明確了后續(xù)應(yīng)用模型的安全范圍.

表2 模型驗(yàn)證結(jié)果(%)

2.3 污水能量轉(zhuǎn)化估算與分析

2.3.1 能量轉(zhuǎn)化關(guān)系擬合 根據(jù)WeMax-STK模型,可以計算污水化學(xué)能、熱能的能量強(qiáng)度以及微生物中的能量,進(jìn)而分析不同形式能量轉(zhuǎn)化關(guān)系.

化糞池中化學(xué)能、熱能之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系擬合結(jié)果如圖4所示.化糞池出水減少的化學(xué)能(①)與化糞池出水增加的熱能(②)的擬合結(jié)果顯示化糞池出水增加的熱能與出水減少的化學(xué)能成正比,擬合斜率為(2.49±0.25),即每減少1kWh/m3的化糞池出水化學(xué)能就會增加2.2～2.7kWh/m3的出水熱能.基于能量守恒定律,說明化糞池出水熱能的增加不僅來源于有機(jī)物的降解,還有內(nèi)部微生物的產(chǎn)熱等其他來源.Brian等[36]研究發(fā)現(xiàn)微生物代謝活動過程中熱量的轉(zhuǎn)換與碳和能源的利用有關(guān).在微生物生長過程中,當(dāng)碳源被納入生物質(zhì)的合成代謝時,基質(zhì)中約40%～50%的可用焓在生物質(zhì)中儲存,其余通過熱量釋放[37].當(dāng)碳源被分解代謝,為細(xì)胞的維持提供能量時,所有與底物氧化相關(guān)的焓都以熱的形式被釋放出來.化糞池進(jìn)水有機(jī)物在被微生物降解的過程中,既參與了細(xì)胞合成代謝也參與了分解代謝,因此在化糞池出水減少的化學(xué)能中有40%～50%的能量以熱能的形式釋放,使得出水熱能增加,由此可得出化糞池內(nèi)微生物產(chǎn)熱總值約為1.2～2.2kWh/m3.

對于①與②以及化糞池內(nèi)微生物所含的化學(xué)能(③)的擬合結(jié)果,其斜率為負(fù)值,說明化糞池內(nèi)活性微生物所含的化學(xué)能越多,化糞池出水減少的化學(xué)能量就越少.從能量利用的角度解釋,當(dāng)微生物體內(nèi)貯存的化學(xué)能足夠多(處于能量飽和狀態(tài))時,需要從外部獲取的能量就越少,也就是有機(jī)物被微生物消耗的量較少,出水化學(xué)能略低于進(jìn)口化學(xué)能;當(dāng)進(jìn)水有機(jī)物的能量全部貯存在微生物體內(nèi),此時化糞池內(nèi)微生物含有的化學(xué)能為20.2～21.5kWh/m3,相當(dāng)于活性微生物濃度為4459～4755g COD/m3.

②與③的擬合斜率也為負(fù)值,即化糞池內(nèi)微生物所含的化學(xué)能越多,出水增加的熱能就越少.從能量守恒角度解釋,化糞池進(jìn)水有機(jī)物所含的化學(xué)能去向有三處:一是轉(zhuǎn)化為中間產(chǎn)物;二是用于合成微生物細(xì)胞結(jié)構(gòu),貯存在微生物體內(nèi);三是轉(zhuǎn)化為熱能后被釋放.當(dāng)中間產(chǎn)物的生成速率和生成量一定時,化學(xué)能貯存在微生物體內(nèi)的能量增加,轉(zhuǎn)化為熱能的部分就會減少,從而出水熱能的增加量減少.理論上,如果進(jìn)水化學(xué)能全部轉(zhuǎn)換為熱能,則可使出水熱能增加7.2～9.7kWh/m3,水溫提升6.2～8.4℃.

2.3.2 污水能量去向分析 進(jìn)一步細(xì)分中間產(chǎn)物,可明晰化糞池進(jìn)水化學(xué)能的具體去向.如前所述,居民家庭排出的污水有機(jī)物在化糞池內(nèi)經(jīng)過厭氧消化后產(chǎn)生的中間產(chǎn)物包括快速降解基質(zhì)?慢速降解基質(zhì)和甲烷(見圖1).化糞池進(jìn)水化學(xué)能的能量去向分析結(jié)果表明(見圖5),化糞池進(jìn)水化學(xué)能的平均能量強(qiáng)度為2.3kWh/m3,出水化學(xué)能的平均能量強(qiáng)度為1.8kWh/m3,化學(xué)能減少了21.7%,減少的化學(xué)能一部分用于微生物生命活動,貯存在微生物體內(nèi)或轉(zhuǎn)化為了熱能,另一小部分轉(zhuǎn)移到了氣態(tài)甲烷中,占比約為4%.對于甲烷,主要以氣態(tài)甲烷形式賦存在化糞池頂空氣體中,僅有20%以溶解態(tài)甲烷賦存在污水中,這與甲烷難溶的性質(zhì)一致.大部分進(jìn)水化學(xué)能主要是以中間產(chǎn)物的形式賦存,其中慢速降解基質(zhì)占比約43%,快速降解基質(zhì)占比約35%.在快速降解基質(zhì)中,復(fù)雜有機(jī)物占絕對主導(dǎo)地位,占比由高至低依次為蛋白質(zhì)(15%)、碳水化合物(10%)和脂類化合物(8%).

圖5 化糞池進(jìn)水化學(xué)能能量去向

2.3.3 能量轉(zhuǎn)化時變化特征 污水能量隨人類用水習(xí)慣呈現(xiàn)一定時間特征,因此污水化學(xué)能向不同形式能量轉(zhuǎn)化的比例也會發(fā)生變化.圖6表現(xiàn)了工作日和周末24h內(nèi)化糞池進(jìn)水化學(xué)能向快速降解基質(zhì)?慢速降解基質(zhì)、甲烷、熱能和微生物能量轉(zhuǎn)化的比例變化.總體而言,工作日轉(zhuǎn)化比例的時間波動幅度小于周末,但是化糞池進(jìn)水化學(xué)能向甲烷轉(zhuǎn)化的較大值均出現(xiàn)在9:00～11:00和16:00～17:00,工作日轉(zhuǎn)化為甲烷比例在3%～9%之間,HVI為0.6～1.8;周末轉(zhuǎn)化為甲烷的比例在1%～6%之間,HVI為0.3～1.6.化糞池進(jìn)水化學(xué)能轉(zhuǎn)化為熱能和微生物能量的較大值均出現(xiàn)在3:00～5:00?7:00～8:00以及14:00～15:00,工作日的轉(zhuǎn)化比例在1%～46%之間, HVI為0.1～2.1;周末的轉(zhuǎn)化比例在15%～57%之間,HVI為0.4～1.6.工作日化糞池進(jìn)水化學(xué)能轉(zhuǎn)化為快速降解基質(zhì)能量的比例在24%～43%之間,HVI為0.7～1.3;周末的轉(zhuǎn)化比例在7%～28%之間,HVI為0.4～1.6.工作日化糞池進(jìn)水化學(xué)能轉(zhuǎn)化為慢速降解基質(zhì)能量的比例在24%～57%之間,HVI為0.6～1.4;周末的轉(zhuǎn)化比例在28%～54%之間,HVI為0.7～1.3.

2.4 污水能量回收潛力估算與評估

對于污水化學(xué)能,用氣態(tài)甲烷的能量作為衡量可回收化學(xué)能指標(biāo).研究區(qū)域單個化糞池內(nèi)的氣體體積約為10m3,一共有60個化糞池,將氣態(tài)甲烷的化學(xué)能與單個化糞池氣體體積?化糞池數(shù)量相乘,即可得到研究地區(qū)可回收污水化學(xué)能總量.根據(jù)WeMax-STK模擬結(jié)果,可計算出每小時化學(xué)能回收潛力大小.污水化學(xué)能回收強(qiáng)度為0.4～4.8kWh/m3,平均值為1.5kWh/m3,可一定程度上抵消污水處理能耗[38].Hao等[39]根據(jù)進(jìn)水COD能勢?濃度以及轉(zhuǎn)化效率計算出化學(xué)能最大回收量為1.54kWh/m3,與本文研究結(jié)果相近.此外,由圖7(a)可知,研究區(qū)域每小時可回收的化學(xué)能為25～101kWh/h,小時變化系數(shù)在0.4～1.6之間;化學(xué)能回收潛力約為3%～10%,小時變化系數(shù)在0.4～1.7之間.

對于污水熱能,按照污水源熱泵提取的溫差(4℃)計算熱能回收強(qiáng)度.用污水熱能回收強(qiáng)度與單個化糞池出水流量?化糞池數(shù)量相乘,即可得到研究地區(qū)可回收污水熱能總量.本文計算得出,污水熱能回收強(qiáng)度為4.6kWh/m3,Hao等[39]根據(jù)出水流量、提取溫差以及水的比熱容計算出熱泵熱能回收量為4.6kWh/m3,兩者相同.由圖7(b)可知,除了2:00～7:00,其余時間段熱能均較為充沛.研究區(qū)域每小時可回收的污水熱能為73～374kWh/h,小時變化系數(shù)在0.3～1.5之間;熱能回收潛力為24%～25%,在時間變化上較為穩(wěn)定,污水熱能回收潛力約是污水化學(xué)能的3～6倍.

考慮模型的不確定性(按照最大值18%計算),可得出研究區(qū)域一天可回收化學(xué)能總量為1.2×103～ 1.7×103kWh/d,一天可回收熱能總量為2.9×105～4.2× 105kWh/d.相比于污水化學(xué)能,污水熱能更加穩(wěn)定,回收潛力更大,應(yīng)作為污水能量回收的主要目標(biāo).污水熱能回收后可用于建筑供暖,能量利用效率大約為38%[39],因此研究地區(qū)可用于供暖污水熱能為1.1× 105～1.6×105kWh/d.2020年,北京市家庭戶數(shù)約823萬戶[40],家庭住宅集中供暖的面積為45486萬m2[41],建筑物單位面積耗熱量為0.19～0.26GJ/m2[42],根據(jù)以上數(shù)據(jù)可算出每戶家庭采暖能耗為2919～ 3995kWh,則研究地區(qū)一天回收的污水熱能可以支撐38～40戶家庭使用.

3 結(jié)論

3.1 對現(xiàn)有ADM1模型進(jìn)行改進(jìn),建立了WeMax- STK模型,考慮6種過程?涵蓋12個方程,模擬水質(zhì)與能量的轉(zhuǎn)換關(guān)系,為化糞池污水能量轉(zhuǎn)化核算提供了一個計算與分析工具.

3.2 WeMax-STK模型輸出與監(jiān)測值之間的平均相對誤差小于24%,準(zhǔn)確率在70%以上,模型模擬效果較好.模型輸出的不確定性最大值約為18%,模型整體較為可靠.

3.3 對化糞池污水能量轉(zhuǎn)化關(guān)系分析結(jié)果表明,化糞池進(jìn)水有機(jī)物中約有17%的能量轉(zhuǎn)化為了熱能和微生物所含的能量,污水能量的主要去向是轉(zhuǎn)化為慢速降解基質(zhì)的能量,接近總量的一半,化糞池內(nèi)有機(jī)物轉(zhuǎn)化為氣態(tài)甲烷的能量僅占進(jìn)水化學(xué)能總量的4%左右.

3.4 污水能量回收潛力評估結(jié)果表明,化學(xué)能回收潛力約3%～10%,小時變化系數(shù)在0.4～1.7之間,熱能回收潛力約24%～25%,小時變化系數(shù)接近于1.污水熱能更加穩(wěn)定,回收潛力更大,是污水能量回收的主要目標(biāo).

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Estimation and analysis of embodied energy conversion in community septic tank.

YAN Yi-jun, WANG Chun-yan*, LIU Yi, DONG Xin, LIU Yan-chen, YAO Lin-jie

(School of Environment, Tsinghua University, Beijing 100084, China)., 2023,43(1)：143～152

Taking the septic tank as the research object, based on reaction processes of anaerobic digestion model No.1, this paper established the unit model for calculation of water-energy-emission nexus in urban complex system-community septic tank (WeMax-STK), and analyzed the occurrence, conversion as well as the destination of sewage embodied energy, and evaluated the recovery potential of energy. The research results showed that the WeMax-STK model was generally reliable, the average error between the simulated value and the monitored value didn’t exceed 24%, the uncertainty was less than 18%, and the accuracy was more than 70%. The percentage of organic matters which conversed into thermal energy and internal microbial energy was about 17% of the total chemical energy in septic tank influent. Most sewage embodied chemical energy was transformed into slow degradation substrate, and the energy converted from organic matter into gaseous methane in the septic tank only accounts for about 4% of the total amount of chemical energy in the influent. The thermal energy recovery intensity was about 4.6kWh/m3, and the recovery potential was 24% to 25%, which was about 3 to 6 times that of chemical energy.

septic tank；sewage embodied energy；energy conversion；anaerobic digestion model No.1

X703

A

1000-6923(2023)01-0143-10

嚴(yán)伊竣(1997-),女,湖南株洲人,碩士研究生,主要研究方向?yàn)榄h(huán)境系統(tǒng)分析.

2022-05-09

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(72004115,71974110)

* 責(zé)任作者, 助理研究員, wangchunyan@tsinghua.edu.cn