面向未来的污水处理厂关键技术研发与工程实践专栏序言

污水处理行业碳排放水平约占全社会碳排放水平的1%～2%,为实现行业碳达峰、碳中和目标以及满足建设面向未来污水处理厂的需要,污水处理行业碳减排技术的开发及碳中和路线图的搭建迫在眉睫.本文是国家水专项“面向未来污水处理厂关键技术研发与工程示范”课题近年来科研成果的总结,致力于构建面向未来污水处理技术体系,从污水处理厂“碳减排”和“碳中和”角度出发,在污水“碳转向”、污水处理过程“碳减排”、基于大数据和云平台的智慧水务3个关键技术的研究以及对面向未来污水处理厂工程实践等方面进行了总结凝练,以期为我国污水处理行业的“碳减排”及“碳中和”提供技术支撑.     

碳中和时代下我国能量自给型污水处理厂发展方向及工程实践

基于碳中和背景及污水处理可持续、低碳运行理念,分析了我国污水处理厂不同水质、工艺类型、规模等条件下的能源消耗及能源回收特点,提出了以“碳改向技术+低耗高效复合脱氮技术+污泥厌氧共消化技术+污水热能回收技术+节能降耗技术”的污水处理新模式是实现我国能源自给型污水处理厂的关键,并提出我国污水处理厂实现碳中和应分为“完全能源自给”及“能源供应工厂”两个目标.此外,对基于此背景下建设的北京某再生水厂的理论能源自给情况进行了分析,结果表明,通过节能降耗、引入外源有机物、污水源热泵回收等措施,北京某再生水厂能源自给率由12.2%分别提高至17.1%、21.6%、84.7%.     

基于BP神经网络与马尔可夫链的污水处理厂脱氮效果模拟预测

在实际污水处理厂运行过程中,其最终出水水质会受多种因素影响制约,而基于生物反应机理的活性污泥数学模型(ASM)并未将这些生物反应以外的因素考虑在内,由此带来一些不足.对此,本文提出可通过基于数据挖掘技术的黑箱模型对污水厂处理效果进行模拟预测.结合具体实际分析,提出可将BP神经网络与马尔可夫链组合应用于污水处理脱氮效果预测中.首先,通过BP神经网络模型对北京某大型污水处理厂实际进出水数据和工艺参数进行粗略拟合;其次,利用马尔可夫链对拟合结果及误差进行状态划分以进一步提高预测精确度;最后,运用基于BP神经网络与马尔可夫链的组合模型预测分析了该厂的实际出水水质.试验结果表明,BP神经网络适用于污水处理脱氮过程的拟合计算,而通过与马尔可夫链组合,可以提高模拟预测的精度和可靠性.     

基于LCA的污水处理方案碳中和综合影响评价

在"碳达峰,碳中和"双碳目标背景下,污水处理行业碳中和规划中尚缺乏对工艺设计方案的定量化综合影响评价。为此,基于全生命周期(LCA)框架,建立全生命周期碳足迹、环境、经济综合影响评价模型(LCA-CEE),并利用该模型对2种不同污泥处理工艺下污水处理厂(A方案:污泥填埋;B方案:污泥-厨余垃圾共消化)以30年为限的建设阶段、运行阶段、拆除阶段中能耗、物耗、污染排放等方面进行综合影响评价与对比分析。结果表明:B方案利用共消化热电联产系统发电量高达38.9 MW·h,碳中和率达到133%,实现能源自给自足,经济效益较A方案提高1.6倍且环境影响显著减小。该LCA-CEE模型从全流程评价节能减排路径,为污水处理行业碳中和规划提供理论支撑。     

污水处理厂进水数据特征识别与案例分析

污水处理厂进水水量和水质呈现复杂的变化模式,准确掌握进水数据的变化特征已经成为改善工艺运行的关键.已有定性分析方法一般难以准确解释和预测变化特征,而已有定量分析模型常常结构复杂和实现难度大,需要针对应用需求进行改进.本研究使用统一模型描述进水特征并简化了实现方式.基于经典统计分析和开源Prophet模型,进行了污水处理厂进水数据的预处理、统计、建模和可视化.最后使用3座污水处理厂的实际数据,识别了多重季节性、长期趋势、节假日等的影响特征,说明了统一模型对污水处理厂进水特征的解释和预测能力.结果可供污水处理工艺优化运行和环境时序数据解析等参考.     

污水生物处理工艺中低碳运行技术的浅析

传统的好氧污水生物处理工艺,以耗能供氧来消耗有机物,直接或间接地向大气释放CO2.为此首先明确污水处理与碳排放的关系;继而确立发掘污水、污泥有机碳源并将其合理利用所产生的CO2综合减排效果;讨论实现低碳运行的途径,并重点剖析了生物营养物去除的BNR工艺实现低碳运行的理论可行性.提出了以研发污水生物脱氮除磷新工艺为先导,以减少外部碳源和氧气供给为目的,以发掘剩余污泥中有机能源为核心,以优化污水处理运行方式为技术手段,实现污水生物处理低碳运行,直至最后达到或接近”碳中和”终极目标的设想.     

城镇污水处理厂污染物去除协同控制温室气体核算方法与案例研究

针对城镇污水处理厂的污染物与温室气体如何实现协同减排核算问题,该研究提出了城镇污水处理厂污染物去除协同控制温室气体的核算边界、协同机制和核算方法,并通过实例进行验证分析,给出了如何核算污染物去除的协同控制效应和协同程度.结果表明:①污水处理厂污染物去除与温室气体排放之间存在关联机制,厌氧环境去除COD_Cr会产生CH₄,污泥厌氧消化过程也可产生大量CH₄,硝化和反硝化过程中去除TN会产生N₂O.②城镇污水处理厂污染物去除协同控制温室气体核算可分为确定核算边界、选择核算方法、收集活动水平数据与确定排放因子、质量控制、形成核算报告等步骤.一方面构建了污染物去除量计算公式,去除量涵盖CH₄回收量、COD_Cr和TN去除量、污泥处理量;另一方面构建了温室气体排放量计算公式,排放量涵盖回收CH₄产生的温室气体减排量、去除COD_Cr产生的温室气体排放量、处理污泥产生的温室气体排放量、去除TN产生的温室气体排放量.③案例分析结果表明,该污水处理厂污染物去除并没有协同减排温室气体排放量,从温室气体排放强度来看,单位COD_Cr去除量、单位TN去除量和单位污泥处理量产生的温室气体排放量分别为0.051 3、2.435 6和0.546 0 t,单位TN去除量产生的温室气体量（2.435 6 t）最大,其次为污泥处理（0.546 0 t）;从温室气体排放总量来看,该污水处理厂使用电力间接排放的温室气体量（1 362.68 t）最大.研究提出的城镇污水处理厂污染物去除协同控制温室气体核算方法可行,能够根据污水处理厂相关数据判定污水处理不同环节污染物去除和温室气体减排二者间的关系.针对核算过程中存在的数据不确定性问题、质量控制问题以及如何实现减污降碳协同增效等方面提出了相应的完善方法,如在质量控制中可通过制定核算方案、监测方案与计划,开展核算人员业务培训,进行数据核验,测量仪器校准和调整等提高核算质量.研究显示,在碳达峰碳中和的“双碳”目标约束下,城镇污水处理厂在进行污水处理时需要全面考虑各种因素,建立协同控制的治理体系,实现减污降碳协同增效的最大化.      

MBR工艺污水处理效果随季节变化规律的研究

通过对太湖流域某城市污水处理厂的MBR系统2012—2013年的实际运行数据进行分析,研究了季节性变化对MBR工艺处理效果的影响。结果表明:季节变化影响城镇污水处理厂进水水质、水温等,但MBR工艺运行相对稳定,主要出水水质指标均达到GB18918—2002《城镇污水处理厂污染物排放标准》一级A标准;季节变化对COD、NH3-N、TN和TP的处理效果均存在不同程度的影响,各项指标在夏季时的净化效果略好于冬季,说明低温对污水处理过程存在一定的影响。     

湖北省工业污水处理厂运行成本分析及控制

污水处理成本的高低,是污水处理企业可持续发展的直接影响因素之一。工业污水处理厂建设投资及运行费用较高,因此在满足污水处理达标的前提下如何降低运行成本和提高经济效益,已成为工业污水处理厂运行可持续性的首要问题。文章选取湖北省一代表性化工园区的污水处理厂运行管理作为案例,通过对污水处理厂的各项成本指标进行分析研究,识别影响运行成本的重要因素,并采取有效措施降低运行成本,以保证污水处理厂在高效运行过程中实现经济效益、社会效益和环境效益的统一。     

AO一体化改良工艺在北方城镇中小型污水处理厂的应用优势

北方城镇中小型污水处理厂进水的水质、水温变化较大,冬季水温在12℃以下,低温对氨氮去除效果有明显影响。根据几种传统生物法污水处理工艺的比较表明,CASS工艺比较适合城镇中小型污水处理厂。为研究出比CASS工艺更适合北方中小城镇污水处理厂的工艺方法,以宁安市污水处理厂为研究对象加入悬浮填料技术并对传统AO工艺进行改造．在污染物去除率、占地面积、工程造价生产成本方面与CASS工艺进行比较。其中,COD和NH3-N污染物去除率分18℃和40℃水温两个周期进行检测对比。以上比较结果为北方城镇中小型污水厂的工艺选择及优化运行提供技术支持及理论依据。     

方舱传热试验方法研究

阐述了方舱传热系数的意义,介绍了美国材料与试验学会标准ASTM E 1925《刚性壁再配置结构的工程和设计标准规范》和GJB 2093《军用方舱通用试验方法》中方舱传热试验方法,从传热学理论和实际试验2方面对方舱传热试验进行了研究.结果表明,按照GJB 2093中热电偶的布置要求,在舱内整个立体空间内并不能真正达到温度...     

连铸钢坯二冷段喷嘴性能的实验研究

根据非稳态传热学原理,通过对大试样进行单侧加热,另一侧喷水的实验方法,对连铸二冷段喷嘴的热态性能进行了实验研究。根据实际生产条件,对不同喷水压力和不同喷水距离下,喷嘴传热系数关系进行了研究;实验结果表明:相同实验条件下,水喷嘴的传热系数高于气水喷嘴,而在均匀冷却方面,气水喷嘴更具有优势;无论哪一种喷嘴,随着喷水压力的增加,总体趋势传热系数都在增大,而随着喷水距离的增加,传热系数都在降低;同时,相同实验条件下,双喷嘴的冷却效果优于单喷嘴的冷却效果。     

翅片宽度及厚度对管板式热沉传热性能的影响

目的研究翅片宽度及厚度对管板式热沉性能的影响。方法利用Ansys中的Fluent模块,对管板式热沉不同宽度和厚度翅片的传热性能进行模拟仿真,分析翅片宽度和厚度对管板式热沉温度均匀性的影响。结果翅片越窄,热沉温度均匀性越好,且翅片平均温度越接近载冷剂温度。增加翅片厚度,可以强化传热,但热沉质量和制造成本也会上升,且增大到一定值时,传热效果增强不显著。结论热沉翅片的宽度和厚度对热沉的温度均匀性有很大的影响,翅片越厚,宽度越窄,热沉的温度均匀性越好,但不能一味采取增加厚度和减小宽度的方式来提高热沉温度均匀性,在设计热沉时,需结合其他因素综合选取翅片的宽度和厚度。     

新型换热器的传热性能研究

提出一种适合污泥处理过程中的余热回收的新型隔板管壳换热器,并与同样规格的普通管壳换热器性能进行对比。建立了简化的壳程计算模型,应用FLUENT计算软件分别对普通管壳换热器和新型隔流板式换热器进行数值模拟,获得了2种热交换壳程内部的流动分布、温度分布和压力分布,并将模拟结果和试验数据进行对比。试验及模拟结果表明,新型隔板式换热器温度分布均匀、流动死区少、传热效率高,综合性能远高于普通管壳换热器。     

不锈钢板式热沉传热特性的实验与模拟研究

目的 研究流量、胀高及焊点排布方式对不锈钢板式热沉传热特性的影响。方法 搭建实验平台,加工出结构参数不同的板式热沉实验件,同时采用静力隐式算法建立相应的几何模型,通过实验与数值模拟相结合的方法,研究流量、胀高和焊点排布方式的变化对板式热沉热阻的影响规律,并分析热沉流道内部流场状态。结果 首先计算了6个工况下的热阻,发现实际换热量为540 W时,数值模拟与实验结果的最大相对误差不大于25%。然后分析了误差来源,最后得到了热沉全流道速度场与温度场的分布情况。结论 实验与模拟结果有较好的符合程度,证明了数值模拟方法的可靠性。在换热量相同时,板式热沉的热阻随流量与胀高的增大而减小,焊点为菱形排布的热沉传热性能相对更好。板式热沉内部的流场具有周期性,焊点使流体扰动增强,并形成射流和旋涡,起到了强化传热的效果。     

喷雾脱硫时拐形流道内烟气与水雾间传热传质过程研究

本研究在冷态的基础上 ,就单拐形流道内烟气与水雾间传热传质过程进行理论及实验研究。理论上考虑了水雾相的作用 ,提出了对烟气动量方程的修正模型。对拐形流道内烟气单相传热与流动 ,采用K ε湍流模型。两相流动采用两相分离流模型 ,由Lagrange方法求解 ;实验中 ,通过调节多种工况参数 ,结合理论计算最终得出了对烟气脱硫及分离的优化设计     

烟道内冲灰水喷雾烟气脱硫过程中传热传质的数值研究

通过数值建模研究了各项参数对喷雾反应段内吸收效率的影响，重点考察了雾滴初始粒径、雾滴初始速度、烟气入口温度、SO2入口浓度、喷雾反应段长度、液气比对吸收效率的影响。研究表明，雾滴初始粒径、SO2入口浓度、喷雾反应段长度、液气比是影响吸收效率的重要因素，而雾滴初始速度、烟气入口温度对吸收效率的影响不大。     

低碳经济下煤气化产业发展的新动力

煤炭在我国能源结构中占有着举足轻重的地位,我国的低碳经济发展模式必须在高碳经济结构下去探寻。只有从我国实际出发,立足于煤炭,大力发展新型煤气化技术,进一步拓宽其应用范围,通过政府的积极引导和支持创新国有新型煤气化技术,走出一条适合我国国情的低碳经济发展与环保之路。     

R134a在水平环形通道内的凝结换热性能

在空气源热泵热水器中,对水平套管冷凝器环形通道内R134a的凝结换热特性进行实验研究。在冷凝器不同进水流量、进水温度时,实验测试了水平套管冷凝器凝结换热系数随热流密度、冷凝压力及干度的变化。实验工况为:冷凝器的进水流量为0.6~1.0 m~3/h,进水温度为15~60℃。实验结果表明:水平环形通道内R134a的凝结换热系数随热流密度和冷凝压力(温度)的升高而减小,当冷凝压力为1.3 MPa,热流密度由18 k W/m2增加至20.5 k W/m~2时,R134a的凝结换热系数减小了6.9%;当热流密度为15 k W/m~2,冷凝压力由1.78 MPa增大至1.83 MPa时,R134a的凝结换热系数减小了5.8%。R134a的局部凝结换热系数随干度的增大而增大,当冷凝压力为1.1 MPa,热流密度为18.3 k W/m~2,制冷剂干度由0.1增大至0.9时,R134a的局部凝结换热系数增大了24.4%。     

某电子方舱舱内热环境的模拟研究

目的以某电子方舱为研究对象,分析在现有结构条件下,空调所提供的冷量能否满足舱内电子设备正常工作要求和人员舒适要求。方法分析和研究舱内的传热问题,采用FLUENT软件,并结合κ-ε两方程紊流模型与SIMPLE算法对方舱内的热环境进行三维数值模拟。结果在保证空调送风温度和速度不变的前提下,送风角度分别为30°和0°时,都能基本保证电子设备正常工作要求和舒适性要求。当送风角度为30°时,方舱降温效果较好。结论通过分析得到方舱制冷系统设计的不足之处,并提出了改进制冷系统冷气通路的方法,对今后方舱的制冷系统设计改进具有指导意义。