当前世界化石能源紧张,而我国作为最大的消费国,所面临的能源形势不容乐观,面对环境与能源的双重压力,积极寻求、开发可再生能源并实现能源的高效梯级综合利用是解决我国能源紧缺的有效途径。近年来我国污水处理量日益增多,污泥产量也与日俱增,但前期“重水轻泥”思想滞留了一些污泥处置问题,因此本文提出将污泥进行厌氧消化产生的可再生能源—沼气与联供系统相结合,建立符合能量梯级利用的污水厂沼气热电联产系统。该系统的提出不仅能缓解能源紧张的局势,在污泥的处置问题上也得到了很大的改善,同时兼顾了经济、社会和生态效益的统一。考虑到沼气热电联产系统形式的多样性,根据本文的应用背景分析了热电联产系统发电设备以及余热设备的性能特点及使用场所,建立了以内燃机为原动机的4种形式的沼气热电联产系统,并对污泥厌氧消化、内燃机发电、余热利用、蒸汽推动蒸汽轮机等环节建立了数学模型。基于青岛市某中等规模的污水厂对沼气热电联产系统进行设计计算及设备选型,同时考虑到实际工程运行的不稳定,对系统中的关键设备进行变工况分析,以便保证系统的稳定运行。在此基础上基于TRNSYS平台搭建该污水厂沼气热电联产系统仿真模型,并提出全年中温、全年高温、中—高温联合运行三种运行模式进行全周期的能耗模拟。对模拟结果利用热力学、经济性以及环境效益评价并结合熵值层次分析综合评价对该系统进行全方面评价,得出结论:中温运行模式下污水厂沼气热电联产系统的综合性能最好,综合评价指标为0.4106。同时考虑中温厌氧消化在我国污水厂的广泛应用和技术发展的成熟程度,建议采用中温厌氧消化下内燃机+烟道式余热蒸汽锅炉+蒸汽轮机的污水厂沼气热电联产系统模式。