235严寒地区城市污水冷热源对污水生化处理影响研究正文.doc

严寒地区城市污水冷热源对污水生化处理影响研究哈尔滨工业大学 吴荣华 张承虎 孙德兴 任南琪摘 要: 城市污水冷热源开发利用具有重要的节能与环保意义，但在寒区是否会对污水生化处理产生严重的影响是关键性问题。本文基于实际运行的两个具有典型意义的项目，测试了污水排放温度分布，研究了城市污水干渠周边土壤对水温的调节特性，在此基础上进一步分析了污水处理流程的温度分布情况，并从生化角度分析了污水冷热源对污水生化处理的影响问题。研究表明：土壤对污水水温具有调节作用，被利用污水水温不低于8时，污水冷热源不影响污水处理厂进水水温，污水处理曝气池水温在57范围内，水处理能力由耐冷菌承担，再提取23污水热能对水处理无明显影响，水温均在耐冷菌活性范围内。关键词：城市污水 冷热源 污水处理 耐冷菌11引言开发利用各类低位可再生性清洁能源作为热泵冷热源为建筑物供暖空调是缓解能源消耗与环境污染问题的有效途径之一。城市污水是较理想的清洁冷热源，包括城市原生污水（未处理污水）与二级出水，具有温度适宜，量大面广，与人居同位的优点1、2。文献3中深入研究了利用该项冷热源的关键技术问题，从理论到实践，开发了一系列应用方法与装置及较大型试点工程，具有国内外领先技术水平，已具备推广应用的技术条件。然而在寒区推广应用城市原生污水受到污水生物处理工艺的限制。严寒地区（以哈尔滨为例）冬季污水处理厂的原水温度最低810，污水生化处理曝气池温度在57之间，研究表明COD的去除效率仅为4050%4，若进一步开发利用城市原生污水热能，势必造成水温更低。因此，污水热能的提取利用与污水处理的低温问题似乎将形成一种无法调和的矛盾，但我们既不愿看到这种宝贵的低位能源排放大江，又不愿看到污水处理低温问题导致的水环境污染，客观有效地分析污水冷热源对污水生化处理产生多大的影响意义重大。2污水排放温度分布污水由排放点经污水干渠至污水处理厂，沿途污水水温是变化的，一般呈下降趋势，污水排放温度分布是指污水沿干渠全程的温度情况及变化特点，该温度分布既是污水冷热源系统设计需要掌握的关键参数之一，也是定量反映污水冷热源对污水生化处理产生多大影响的直接数据。该温度分布分为两种情况，包括污水热能提取前与提取后，两者对比结果即为对生物水处理的水温影响程度。吴荣华，男，1976年月生，博士、博士后，地址：哈尔滨市海河路202号哈工大二校区2651信箱，邮政编码：150090，电话：（0451）86282343 ，E-mail: 笔者针对所开发的两个试点工程5，于2004年10月至2005年4月对污水水温变化作了跟踪测试，其中哈尔滨望江宾馆污水源热泵项目位于一大型干渠末端，即污水进入松花江前100m处；哈尔滨太古商城污水源热泵项目位于一中型干渠首端，距污水进入松花江约3000m。我们按排放点温度、末端温度、较典型严寒天全程温度给出测试结果。哈尔滨望江宾馆河润街污水干渠及哈尔滨太古商城太古五道街污水干渠排放点及末端温度如图1、2所示，两者非常接近。图1 不同月份污水排放点测试温度Fig.1 The letting temperature with different months图2 不同月份污水干渠末端测试温度 Fig.2 The end temperature with different months2月份两干渠全程温度分布如图3所示，太古商城污水源热泵系统启动运行后干渠沿途温度变化如图4所示。 图3 典型严寒天污水干渠沿途温度分布Fig.3 The temperature distribution of sewage trench in typical cool time 图4 污水热能提取后干渠沿途温度Fig.4 The temperature distribution of sewage trench when sewage heat energy is utilizated 图3测试结果表明，污水沿途温降达4，而图4中，当排放点污水热能提取后污水温降2，而末端相对以前温变仅0.5，排放点温降4时，末端温变仅1左右。从上述所测试的温度分布不难看出，污水热能提取后，污水温降与引起污水生化处理的温降呈非线性关系，即污水热能提取所形成的温降与由此导致污水处理厂温度变化值不相等。污水处理厂原水水温相对稳定，是由于干渠周边土壤起到了调节作用。3、周边土壤的调节特性污水由排放点至污水处理厂沿途温降热能散失由三部分组成：污水干渠与大气直接相通（通过竖井）形成蒸发热能损失；干渠底面无穷远土壤传热量；向地表面传热量，由于地表面温度很低，达零下20，因此为其中的较大部分。整个热量损失= + + ，按传热的基本导热形式描述为6： （1）式中，综合当量性传热系数(W/m2)；污水干渠散热面积，为整个干渠壁面（m2）；污水温度（）；室外大气、地表面、土壤平均当量性温度（）。图5 干渠沿途某一微小散热段Fig.5 A little heat exchange object whitin trench以污水干渠沿途某处（该点与排放点距离）长干渠作为散热对象，如图所示，则传热量可表示为： （）污水热能散失可表示为： （）式中，传热量或污水热能损失 (W)；污水干渠单位长度壁面（m2/）；微干渠长度（）；，段的进出水温度（）； 污水流量（）；污水比热（）。由（）、（）两式得到： （）则有， （）由图，当所在位置趋近干渠末端时，即曲线斜率趋于，此时也必然趋于，即。由此我们推断在污水干渠末端处，污水温度与土壤的当量温度接近，或者说土壤当量温度接近末端污水温度为。通过上述理论分析，我们不难发现，尽管污水热能在前端提取，但末端污水处理厂的进水温度并没有明显降低，仅。当然污水冷热源的开发利用是沿污水干渠任意处，若在末端处提取热能，则直接影响污水温降。故此，只要污水冷热源开发利用后，污水被温降，其温度不低于，则对污水处理无明显影响，这是周边土壤起了调节作用，此时开发利用的是污水要散失于大气、土壤及地表面的热量。、污水处理厂温度特点污水进入处理厂后，经过格栅、沉砂池、初沉池、曝气池、二沉池后排放。笔者调查了哈尔滨文昌污水处理厂冬季的运行情况，其中初沉池、曝气池设置在室外，曝气过程为室外冷空气经鼓风机进入曝气池，这两个池体污水热能损失巨大，按污水流程，其温度分布如下图所示。图6 严寒天污水处理厂沿流程温度分布Fig.6 The temperature of sewage flowingin the plant in cool time污水处理过程中，初沉池与曝气池污水热能损失，分为直接蒸发热损失与曝气热交换损失两部分，写成一般的热量传递形式为： （）式中，污水传热传质热损失(W)；污水当量性传热系数(W/m2)；污水散热面面积（m2）；室外温度（）；若污水来水温度发生变化，例如降为，则有： （）比较（）、（）两式有： （）由于污水温度变化相对室外温度变化很小，因此可近似认为，当，时，有：， （）即污水来水温度的变化并不引起热量散失值的变化，故此污水处理流程中污水温度对应下降，例如若，则后续温度相应同等下降，如图所示。因此，若在末端污水处理厂附近利用污水热能，则污水利用温降直接形成或导致污水处理水温同等温降。、污水冷热源对水处理的影响在寒区，污水冷热源将使得污水水温降低，而污水水温降低或过低可能使得污水处理过程出现一系列困难或问题，包括：物理与生物吸附能力下降，生物活性降低，沉淀不易，污泥膨胀等7、8，导致污水处理量与出水水质很难保证与达标，不得不采取增大污泥回流量、增长污水停留时间等措施，这些措施可能又进一步会降低污水水温，尤其是污水停留时间的增长，会导致污水水温随时间线性下降。 图7 污水水温对去除率的影响 Fig.7 The effect of sewage temperature on removal rates of COD文献4中作者实验研究了污水水温影响水处理情况，如图所示。研究表明，污水水温在10以下时，的去除率随污水温变相对稳定。水温在7左右时，COD的去除率在40左右，水温在4左右时，COD的去除率在35左右。就此结果而言，污水冷热源的开发利用提取污水34热能，影响COD的去除率5个百分点左右，并未从本质上改变污水处理效果。然而国内外大量的理论与试验研究表明，正常水处理条件利用的是中温菌，在1535之间有较好的活性，当水温低于10时，中温菌活性降低或死亡，但污水生物处理依然有一定的去除效果，其主要的功劳在于自然形成的耐低温菌，耐低温菌在010内有较好的活性9、10，只是由于自然形成，在量与质上并未形成优势群体。通常可通过增大污泥回流量、增长污水停留时间等措施让耐低温菌尽可能代谢污染物。因此，尽管曝气池水温在7左右时污水处理效率在40左右，在4左右时30左右，降低了5，但水温均在耐冷菌010活性范围之内，从微生物角度看并没有明显加重这种低温水处理问题。若污水处理厂水温在7附近还能正常运行，则在水温4也应能正常运行，靠的均是耐低温菌。当然，曝气池水温在10以下的时间并不长，例如哈尔滨地区可能在3060天之间，此期间利用的是耐低温菌，其它时间是中温菌。若污水冷热源开发利用，则整个冬季污水水温向下平移23，那末曝气池水温在10以下的时间则要增长，靠耐低温菌的时间则要提前，例如哈尔滨地区在1月份出现低温问题，污水冷热源开发利用则使得该问题可能在12月份出现。我们不难判断，尽管寒区污水生化处理一直存在低温问题，污水热能的提取降低水温3左右，表面上看似乎影响严重，而事实上水温降低3后所出现的问题将在原有问题的范围之内。污水冷热源并未从本质上影响污水生化处理问题，影响也不明显。、结论（）城市污水冷热源是污水热能与土壤源的耦合源，污水热能被提取后，当被利用水温不低于8时，污水冷热源不影响污水处理厂的进水水温；（）土壤源的综合当量温度在78附近，当污水进入末端污水处理厂时，土壤综合温度与污水温度接近；（）污水处理过程中，热能进一步损失，损失温降13，主要为蒸发散热及暴气显、潜热交换损失；（）在010范围内，耐低温菌具有较强的活性，不同温度下COD去除率接近，因此在寒区冬季本身存在低温水处理问题时，污水温度进一步降低3左右后，水温均在耐低温菌强活性范围之内，污水冷热源并不明显影响生物水处理。参考文献 吴荣华，孙德兴城市污水冷热源应用技术发展状况研究暖通空调，2005，36（6）3237 Stijemstrom. Feeding Large Heating Pumps form Sewage Water Treatment Plants . Proceedings of the International Conference on Applications and Efficiency of Heat Pump Systems, 1991,Oct 1:3:183192. 吴荣华城市原生污水源热泵系统研究与工程应用哈尔滨工业大学博士学位论文，2005，6 孟雪征冷适应微生物处理寒冷地区低温生活污水研究哈尔滨工业大学博士学位论文，2001，7 吴荣华，孙德兴.哈尔滨望江宾馆利用城市污水中的能源. 中国给水排水，2003，19（12）:9293. 编著：孙德兴. 导热与对流的数理解析. 北京: 中国建筑工业出版社,2005. L.G. Whyte, J. Hwari. Biodegradation of Varidole-Chain-Length Alkanes at low temperatures by a Psychrotrophic Rhodococcus sp. Appl. Environ. Microbiol.1998,6(7):25782584 L. G. Whyte, s. J. Slanman. Physiological Adaptations Involved in Alkane Assimilation at a low Temperature by Rhodococcus sp. Strain Q15. A