原生污水源熱泵對污水生化處理的影響

吳榮華，岳利茜

(1.中國科學(xué)院青島能源應(yīng)用技術(shù)研究所，266101山東青島，wuronghua18@126.com; 2.河北師范大學(xué)后勤服務(wù)集團，050016石家莊)

利用原生污水(未處理城市污水)源熱泵系統(tǒng)為建筑物采暖與空調(diào)具有重要的節(jié)能、環(huán)保及經(jīng)濟價值，設(shè)計較好的系統(tǒng)其節(jié)能幅度可達45%以上，是建筑節(jié)能減排的有效途徑之一［1］，另外，原生污水水量大，分布面廣，很適合因地制宜地建設(shè)熱泵系統(tǒng)，較其他熱泵系統(tǒng)具有更大優(yōu)勢［2］.但從原生污水中提取熱量，降低原水水溫，是否會影響到污水的生化處理過程，這關(guān)系到污水源熱泵的應(yīng)用前景問題.

文獻［3］主要從土壤對污水溫度的調(diào)節(jié)角度，分析了污水的溫度變化特點，由此對污水生化處理的影響程度.本文主要從污水源熱泵造成污水處理廠需增加的電耗量的角度分析其影響問題，并提出一些解決途徑.

1 污水加熱處理的誤解

對原生污水源熱泵系統(tǒng)，還有一種說法認(rèn)為“污水處理時絕大多數(shù)工藝要進行先加熱再處理，如原生污水源熱泵系統(tǒng)先提取了原水熱量，污水廠再進行加熱，這先節(jié)能，后耗能，所以原生污水熱泵有局限性，尤其是在東北寒冷地區(qū)”［2］.這種說法顯然是不成立的，簡單算一下就知道，污水廠如加熱污水升溫，其能耗是非常巨大的，例如污水量100 t/h，按升溫2℃計算，也需要232 kW的加熱功率，每噸水需2.325 kWh的熱量，即使用熱泵系統(tǒng)升溫，每噸水的耗電量也要在0.5 kWh左右，這樣污水處理廠的運行能耗至少要翻一番，后續(xù)有相關(guān)數(shù)據(jù)說明污水溫度相差2℃時，水處理電耗相差僅約0.01 kWh/t，因此污水處理廠不會采取任何加熱處理的方式.

目前，我國的污水處理大都采用生物法，在高寒地區(qū)污水溫度較低，水處理難度加大［4］，以前都采取保溫、增大污泥回流量等措施，但也沒有進行加熱的方式，現(xiàn)采取投放低溫菌和生物活性劑的方式，該方式已很成熟，高寒地區(qū)有不少應(yīng)用［5］.

除非污水溫度低于4℃，低于低溫菌的活性范圍，才有可能采取一點加熱措施，但在我國基本不存在，即使是高寒地區(qū)，其水溫最低也在5℃以上.

另外，筆者也曾試圖研究對污水進行加熱再處理的方式，對污水先進行加熱，待處理完排放時，利用已處理污水先預(yù)熱原生水進行一次熱回收，然后再利用熱泵提取已處理污水熱量來加熱預(yù)熱后的原生水，即使是這種加熱工藝，每噸水的耗電量也要在0.4 kWh以上［6］，因為從熱工的角度無論采取任何熱回收工藝，總是存在一個傳熱溫差的問題，上述按污水升溫2℃計算，實際上是考慮了進行熱回收后的一個極小值.

這種加熱再處理的工藝與采用低溫菌方式是不可比的，因此說污水處理廠需加熱再處理的說法，與理論和現(xiàn)有的實際情況都不相符.

2 原生污水的溫度情況

原生污水的水溫與季節(jié)、地區(qū)、晝夜變化及污水干渠的流量大小、位置有關(guān).夏季水溫一般在16～25℃;冬季一般在8～15℃.其中，冬季寒冷地區(qū)寒冷天時在8～12℃.幾個原生污水源熱泵實際工程的水溫情況見表1.

表1 幾個實際工程的原生污水水溫情況

文獻［4］調(diào)查的哈爾濱某污水處理廠入廠水溫僅6～7℃，與幾個實際工程的水溫情況一致，因為干渠中的污水進廠前沿途還會進一步散熱［7-8］.

3 水溫與生化處理效果的關(guān)系

通常污水生化處理采用的是中溫菌，中溫菌在15～35℃之間有較好的活性.當(dāng)污水溫度降低但不低于10℃時，可采取適當(dāng)增大污泥回流量、適當(dāng)增長污水停留時間等措施，此時需增加“少許電耗”，污水生化處理能正常進行.

當(dāng)污水溫度降低到10℃以下時，中溫菌活性嚴(yán)重降低或死亡，此時靠自然形成的低溫菌進行處理，而增大污泥回流量、增長污水停留時間等措施也是盡可能讓低溫菌代謝污染物，但水處理效果不好［9-10］.

以哈爾濱地區(qū)為例，冬季污水處理廠的原水溫度最低8～10℃，污水生化處理曝氣池溫度在5～7℃，研究表明COD的去除效率僅為40% ～50%.污水溫度影響水處理情況［4］，如圖1所示.

污水溫度在10℃以下時，COD的去除率隨污水溫變相對穩(wěn)定，水溫在7℃左右時，COD的去除率約為40%，水溫在4℃左右時，COD的去除率約為35%，此時的處理效果其主要功勞在于自然形成的低溫菌，低溫菌在4～10℃之間有較好活性.

當(dāng)污水溫度降低至10℃以下時，利用中溫菌的方式來處理時，靠自然形成的低溫菌來代謝污染物，其水處理效果不好，而投放低溫菌和強化劑的方式則效果良好，即采用低溫菌的方式，該方式在哈爾濱、牡丹江等地區(qū)的污水處理廠都有應(yīng)用［5-11］，此時溫度再降低，在低溫菌的活性范圍內(nèi)，可適當(dāng)增大污泥回流量、適當(dāng)增長污水停留時間等措施，增加“少許電耗”，污水生化處理依然能正常進行.

圖1 污水溫度對COD去除率的影響

4 水溫降低引起的能耗增加量

污水廠運行的主要成本是電耗，污水溫度降低時，增大污泥回流量、增長污水停留時間等措施，其運行電耗稍有增加.筆者調(diào)查了黑龍江省某污水處理廠不同水溫下的能耗對比情況，見表2.

表2 某污水處理廠不同水溫下的電耗增加量

由于該污水廠的污水進水溫度最低已低于10℃，該污水處理廠投放了低溫菌和強化劑.從表2可得到2個結(jié)論:

1)污水溫度的降低引起污水廠的電耗增加量極少，污水溫度降低2～4℃時，每百噸水多耗電1 kWh左右，污水溫度越低，降低相同的溫度需要增加的電耗量越多，但也是極少的;

2)可初步折合成每噸水每降低2℃，運行電耗增加0.003～0.007 5 kWh/(℃·t).

5 熱泵系統(tǒng)的取溫幅度

在具體建設(shè)某一污水源熱泵系統(tǒng)時，熱泵系統(tǒng)的裝機容量按建筑物最大供熱負(fù)荷確定，提取污水的溫降一般為4℃，視附近污水干渠的水量而定，水量大則溫降小，水量小則溫降大，但需要從污水中提取的總熱量基本保持不變［12］.

例如，按4℃溫度設(shè)計，所需水量為150 t/h，但干渠水量只有100 t/h，則需溫降6℃，但對污水處理廠而言，其水量巨大，在針對污水處理廠分析熱泵系統(tǒng)的取溫幅度時，則依然可以視為需水量為150 t/h，溫降4℃.

一個采暖季的采暖負(fù)荷除與季節(jié)有關(guān)外，還與每天的不同時段有關(guān).在采暖季的寒冷天熱泵系統(tǒng)每天按裝機容量運行的時間一般為16 h，或按65%左右的裝機容量連續(xù)運行時間為24 h.

要說明的是，實際熱泵系統(tǒng)的裝機容量都大于最大供熱負(fù)荷，另外還有20%的水泵能耗至少相當(dāng)于增大裝機容量5%，而且現(xiàn)在的供熱情況是都未保證末端24 h全部達到供熱標(biāo)準(zhǔn)，在午間或夜間都會適當(dāng)?shù)蜏鼐S持.因此，實際熱泵系統(tǒng)的運行時間比按供熱負(fù)荷來考慮的時間要短.故此，按熱泵系統(tǒng)的裝機容量所需的污水量計算，寒冷天時污水的溫降也不會超過2.5℃.

上述是按正常設(shè)計，如供熱面積較大時，即使利用全部污水量，按4℃溫降設(shè)計還不夠用，則該問題需另外考慮.

6 影響程度分析

原生污水源熱泵對污水生化水處理的影響將直接與取熱降溫幅度和用水量有關(guān)，即將污水處理廠的污水溫度到底降低多少，污水廠將需要增加多大的“少許電耗”.為此，根據(jù)5中數(shù)據(jù)作定量分析和測算.

1)如熱泵系統(tǒng)所用水量僅為污水處理廠的總水量的50%時，正常設(shè)計，污水的取熱溫降為2～2.5℃，如按50%的水量計算，則污水處理廠的污水溫降僅為1.25℃，此時對任何地區(qū)采用任何生化處理方式的污水處理廠都表現(xiàn)不出影響.

2)如污水廠污水被全部利用，污水處理廠的污水溫降為2.5℃，污水處理廠將需增加電耗0.01 kWh/t.

以寒冷地區(qū)一個日處量為10萬t的污水處理廠水量被全部利用為例.

1)如電價按0.7元/kWh計算，則污水處理廠每天增加成本為700元，每噸水增加成本為0.007元，增加噸水總成本不到1%，再按100 d來考慮熱泵系統(tǒng)引起污水溫降造成電耗增加，則年增加成本7萬元，約占年總成本的0.3%.

2)該污水廠水量可供應(yīng)建筑物60萬m2，如每萬m2年運行費按15萬元計算，則年總運行費用為900萬元，污水處理廠增加的成本占熱泵系統(tǒng)運行成本約0.8%，因此不影響熱泵系統(tǒng)的經(jīng)濟指標(biāo).

3)按每萬㎡建筑熱泵系統(tǒng)用水量70 t/h、用電量120 kW測算，污水處理廠增加的電耗約為熱泵系統(tǒng)電耗的0.6%.

4)從能源消耗的角度看，按3)中數(shù)據(jù)，相當(dāng)于降低了熱泵系統(tǒng)的制熱性能系數(shù)約0.5%，因此污水處理廠增加的這“少許電耗”根本不影響熱泵系統(tǒng)的節(jié)能指標(biāo).

7 解決途徑

在原生污水源熱泵污水用量要超過50%時，可能引起污水處理廠增加“少許電耗”，解決途徑可從兩個大的方面考慮:一是制定規(guī)劃，二是出臺政策.制定規(guī)劃包括如下幾個方面:

1)根據(jù)該地區(qū)污水的分布、水量、水溫等情況，確定供熱區(qū)域、供熱面積、污水的取水點、污水管線的走向等等.

2)根據(jù)該地污水處理廠的水處理工藝、水溫等實際情況，確定污水處理廠的最大允許溫降，確定最大供熱面積.

3)由相關(guān)部門負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)、審批和管理，合理地支持和鼓勵污水源熱泵的開發(fā)應(yīng)用，協(xié)調(diào)好污水處理廠等部門或單位.

污水處理廠增加的這點“少許電耗”完全可以忽略不計，但污水處理廠與供熱用戶是兩個毫無關(guān)聯(lián)的實體，在具體項目實施時，尤其是大面積實施使用水量較大時，如污水處理廠提出異議，筆者認(rèn)為可以從如下兩個方面來出臺政策協(xié)調(diào):

1)政府支持應(yīng)用該項目，按6中數(shù)據(jù)測算，政府部門給予污水處理廠1%的電價優(yōu)惠政策，則這種“少許電耗”問題就得以解決.

2)污水處理廠與供熱用戶協(xié)調(diào)，按6中數(shù)據(jù)計算，如年增加成本7萬元，按15年運行考慮，將增加 105萬元，折合到供熱用戶，相當(dāng)于1.75元/m2，可由供熱用戶一次性補償給污水處理廠.

上述2個解決途徑是基于污水處理廠的水量被全部利用，若不超過50%，則“少許電耗”問題還不存在.

8 結(jié)論

1)污水處理并非采用加熱處理工藝，也不可能采用這種方式，溫度過低時采用投放低溫菌的辦法，效果良好.

2)污水溫度在10℃以上時采用中溫菌處理，低于10℃時采用低溫菌處理，污水溫度的降低對水處理效果弱有一定的影響，但在生物活性范圍內(nèi)降溫時，適當(dāng)增加少許電耗，污水處理完全正常運行.

3)污水的溫降引起污水廠增加的電耗極小，約0.003～0.007 5 kWh/(℃·t)，可忽略不計.

4)正常設(shè)計的污水源熱泵系統(tǒng)，設(shè)計污水溫降4℃時，引起污水廠污水溫降不會超過2.5℃.

5)當(dāng)污水廠的水量被利用不超過50%時，對污水處理沒有影響;當(dāng)被全部利用時，污水廠需增加電耗約0.01 kWh/t，增加成本不到1%.

6)污水處理廠增加的運行成本占熱泵系統(tǒng)運行成本約0.8%，不影響該項目應(yīng)用的綜合經(jīng)濟性;污水處理廠增加的電耗約為熱泵系統(tǒng)電耗的0.6%，相當(dāng)于降低了熱泵系統(tǒng)的制熱性能系數(shù)約0.5%，不影響該項目應(yīng)用的綜合節(jié)能指標(biāo).

［1］吳榮華，孫德興.城市污水冷熱源應(yīng)用技術(shù)發(fā)展?fàn)顩r研究［J］.暖通空調(diào)，2005，36(6):32-37.

［2］吳榮華，孫德興.城市原生污水與其它冷熱源的比較研究［J］.暖通空調(diào)，2006，，36(1):43-46.

［3］吳榮華，徐勇鵬.城市污水冷熱源對污水生化處理影響研究［J］.哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報，2007，39(12):1882 -1885.

［4］孟雪征.冷適應(yīng)微生物處理寒冷地區(qū)低溫生活污水研究［D］.哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2001.

［5］趙立軍，馬放.生物強化技術(shù)在污水廠快速啟動中的工程應(yīng)用［J］.哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報，2007，39(12): 1886-1888.

［6］吳榮華，徐瑩.寒區(qū)污水處理中的熱泵升溫技術(shù)經(jīng)濟分析［J］.太陽能學(xué)報，2008，29(3):267-271.

［7］吳榮華，徐瑩.污水源熱泵渠溫受地溫作用下的溫變模型［J］.哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報，2008，40(12):1931-1934.

［8］吳榮華，徐瑩.污水源熱泵干渠取水降溫后的可恢復(fù)特性［J］.哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報，2008，40(6):901-904.

［9］孟雪征，姜安璽.用耐低溫酵母菌處理寒冷地區(qū)生活污水的研究［J］.哈爾濱建筑大學(xué)學(xué)報，2000，30(2): 58-63.

［10］姜安璽，韓曉云.投加復(fù)合耐冷菌提高低溫生活污水省理效果的實驗研究［J］.黑龍江大學(xué)自然科學(xué)學(xué)報，2005，35(1):45-48.

［11］趙立軍，馬放.低溫地區(qū)市政污水廠工藝選擇、設(shè)計與運行的探討［J］.環(huán)境工程，2005，23(1):24-27.

［12］吳榮華，劉志斌.污水及地表水源熱泵系統(tǒng)的規(guī)范化設(shè)計研究［J］.暖通空調(diào)，2006，36(12):43-46.