嚴寒地區冬季大棚保溫對污水廠運行效率的影響

戰乃巖，徐 玥，周吾波，趙 可

(吉林建筑大學市政與環境工程學院，吉林 長春 130118)

嚴寒地區冬季大棚保溫對污水廠運行效率的影響

戰乃巖，徐 玥，周吾波，趙 可

(吉林建筑大學市政與環境工程學院，吉林 長春 130118)

針對嚴寒地區氣溫低、污水廠運行效率差的問題，利用試驗測試和仿真模擬等技術手段分析了大棚內空氣吸收太陽輻射熱后的溫度分布及流動特性，對嚴寒地區冬季低溫條件下污水廠如何利用大棚保溫技術進行了研究.結果表明：曝氣池外扣棚的主要作用是保溫，而非吸收太陽輻射熱，冬季曝氣池扣棚能夠減小曝氣池內水溫波動，對污水處理廠的穩定運行起到了一定作用；冬季曝氣池外扣棚時，出口平均水溫為12.9℃，出口水溫比進口水溫升高2.1℃左右，這主要是由于曝氣池內發生化學反應釋放出的熱量導致曝氣池內水溫升高，而非太陽輻射熱量的影響.在嚴寒地區冬季低溫工況下，當棚內充入熱空氣后，棚內空氣溫度升高22℃～29℃，曝氣池出口水溫升高2.0℃～2.5℃.利用回收余熱提升棚內溫度是一種有效措施.

嚴寒地區；大棚保溫；污水處理；效率

我國嚴寒地區冬季氣溫低、冰凍期長，污水處理廠置于戶外致使其長期處于低溫運行狀態，進水負荷波動較大，導致有效生物量降低和生化代謝活性減弱，出現污水廠運行不穩定、水質惡化，尤其是氮磷和有機物含量超標等情況.同時，受低溫影響，物化和生化作用顯著降低，而傳統工藝又難以有效去除污染物，使得污水廠運行效能下降，嚴重影響受納支流或干流水體的水質安全.因此，提高污水廠冬季運行效率勢在必行.

國外學者在強化污水處理技術理論與實驗方面做了大量的研究，尤其是北美、北歐等高寒地區發達國家在低溫季節污水防治的研究方面擁有先進的技術和經驗，而其最常用的方法是通過強化低溫季節排污點源的治理技術降低水體污染.其中，P.Gostelow等[1]在10℃條件下，向SBR反應器中投加20℃下馴化的硝化菌，觀察其能否達到理想的硝化效果，分析了溫度的急劇下降對系統硝化效率的影響；D.Gang等[2]研究了活性污泥處理系統中，溫度變化對強化生物除磷反應器除磷效果、磷的釋放和吸收機制的影響，并檢測了在不同溫度下分離的菌株儲存磷酸鹽的能力.

我國在低溫期水體污染綜合防治方面的研究主要集中在東北地區的科研院校等.目前我國提高低溫污水處理廠運行效率的方法主要有兩種，一種是改造傳統污水廠的運行工藝，增設厭氧和缺氧段，強化氮磷的去除；另一種是在污水廠生化池中投加適當比例的關鍵填料，在原有好氧池內營造適宜厭氧菌和缺氧菌生存的環境，形成復合式生物處理系統，強化氮磷的去除.如：哈爾濱工業大學的蔣安璽等[3]利用從下水道中分離出的對生活污水中有機污染物有降解能力的耐冷菌，研究了耐冷復合菌群對低溫生活污水的處理作用；尹軍等[4-5]進行了腐殖土壤強化SBR工藝運行效能的試驗研究；吳敏等[6]對如何改善活性污泥沉降與脫水性能進行了研究；王美蓮等[7]通過監測活性污泥中的水分含量，對污泥的脫水作用進行了細化分析；鄭冰玉等[8]研究了溫度與濃度對污泥水解及脫水性能的影響.

以上研究對嚴寒地區污水處理的改善取得了一定效果，但尚無利用太陽輻射、應用大棚保溫技術強化冬季污水處理技術的研究.本文在上述研究基礎上，對我國東北嚴寒地區冬季低溫條件下污水廠水質特點進行了調研，通過實驗監測了曝氣池外扣棚后棚內空氣溫度及曝氣池水溫的變化，并利用仿真技術對相同工況進行了模擬，分析了大棚保溫及余熱回收對污水處理效率的影響；同時優化了大棚形狀，探討了嚴寒地區冬季大棚保溫對污水處理廠運行效率的影響.

1 基本模型與數學描述

1.1 問題描述與模型

圖1 物理模型

為使數值模擬結果盡可能符合實際，并能在一定程度上指導實際工程，模型建立及計算過程中需設置的參數盡量參考工程實際數據.污水廠曝氣池大棚保溫模型如圖1所示：下部為水泥澆筑曝氣池，L為水池長，W為寬，H為高，池內流通待處理污水，水面上方充有空氣，在曝氣池上部扣蓋塑料大棚.水入口溫度為ti，出口溫度為to，太陽輻射強度為q.

1.2 數學描述

控制方程為：

(1)

(2)

(3)

1.3 計算方法驗證

為檢驗算法的精確度，利用ANSYS軟件，采用具有QUICK差分格式的SIMPLE算法，對上述的幾個算例進行計算，并進行比較.

表1為利用ANSYS軟件計算的不同進口水溫時所得的出口水溫與利用FORTRAN語言編程得出的結果.由表1可見，兩種方法計算結果基本一致，誤差均小于4%.

表1 兩種計算方法結果對比

2 試驗測試介紹

2.1 工藝流程

工業污水經簡單處理后與生活污水一同排入市政管網，污水經由管網進入水廠后，首先依次通過粗格柵、沉砂池和細格柵，運用物理方法把污水中粒徑較大的懸浮物與無機顆粒除去，以減輕后續處理構筑物的負荷；然后利用污水提升泵將經物理方法處理后的污水送至水解酸化池，利用水解酸化池將污水中的長鏈、難降解的大分子有機物轉化為短鏈、易降解的小分子有機物；經水解酸化處理后的污水被送到AICS工藝的核心：厭氧—缺氧—好氧處理流程，經厭氧池的釋磷及氨化作用、缺氧池的脫氮作用及好氧池的消化與攝磷作用處理后，污水經沉淀池進一步沉淀，COD，BOD，TN，TP，NH3—N等指標均可達到國家一級B標準，符合國家排放標準，排入水體.具體工藝流程如圖2所示.

→水流方向 1.集水井 2.粗格柵 3.沉砂池 4.細格柵 5.水解酸化池

2.2 測試方法及設備

圖3 測點布置平面圖

試驗采用測溫范圍為-110℃～50℃，分辨率為0.1℃的酒精-玻璃溫度計，對吉林省某污水處理廠的10個測點進行34 d(2013年11月13日—2013年12月17日)的逐時溫度監測.其中，曝氣池內測溫點布置如圖3所示.圖3中測點2為曝氣池入口/水解酸化池出口水溫測試點；測點3，4，5依次為曝氣池棚內入口、中間和里側空氣溫度測試點；測點6為曝氣池出口空氣溫度測試點；測點7為曝氣池出口水溫測試點；測點10為室外空氣溫度測試點.

3 結果分析

由于曝氣池內影響其運行效率的因素主要是棚內空氣溫度和曝氣池內的水溫，因此，試驗對某天24 h及連續34 d的曝氣池進口水溫、出口水溫及室外空氣溫度進行了監測.

3.1 24 h逐時溫度

試驗對某天24 h曝氣池進口水溫、出口水溫及室外空氣溫度進行了監測，棚內平均溫度變化曲線如圖4所示.

由圖4可見，隨著室外空氣溫度的升高，棚內空氣溫度逐漸升高.室外空氣溫度在中午12:00時達到最高，為-3℃，棚內空氣溫度也達到最高，為6.5℃.可見，冬季扣棚對曝氣池具有一定的保溫作用.模擬結果與試驗結果變化趨勢基本相同，但由于軟件模擬選用棚膜材料的參數與試驗選用材料存在差異，使得模擬結果中棚內空氣平均溫度的最大值出現在14:00，為5.9℃，與實際試驗結果14:00時對應的5.6℃相差0.3℃，與試驗結果出現的最大值6.5℃相差0.6℃.

曝氣池進出口水溫變化曲線如圖5所示.由圖5可見，曝氣池進口水溫最大值出現在13:00，為11.5℃；最小值出現在18:00，為10.1℃.曝氣池出口水溫最大值出現在中午11:00，為13.5℃；最小值出現在早晨2:00，為12.3℃.由此可見，大棚對曝氣池起到了一定的保溫作用.模擬結果基本較穩定，在11.6℃～11.8℃之間波動，與試驗結果存在一定差別.但無論模擬結果還是試驗結果，曝氣池出口水溫波動很小，偏差率小于8%.曝氣池進口平均水溫為10.8℃，出口平均水溫為12.9℃，出口水溫比進口水溫升高2.1℃左右，這主要是由于曝氣池內發生化學反應釋放出的熱量導致曝氣池內水溫升高，而非太陽輻射熱量的影響.可見，曝氣池外扣棚主要起到保溫作用，并無吸收太陽輻射熱的作用.

圖4 棚內空氣平均溫度變化曲線

圖5 曝氣池進出口水溫變化曲線

3.2 棚內空氣溫度監測分析

試驗連續監測了34 d的棚內空氣溫度及室外環境溫度，每天8:00和13:00的監測結果見圖6、圖7.

由圖6可見，出口空氣溫度比棚內空氣平均溫度升高0.2℃左右，可見，曝氣池外扣棚可起到較好的保溫作用.此外，一天中8:00時棚內平均空氣溫度、室外平均氣溫都略低于13:00時的值(見圖7)，室外環境溫度波動很大(5.9℃)，但棚內空氣平均溫度波動微小(0.1℃)，這說明冬季曝氣池外扣棚能有效減小棚內空氣溫度波動，可為曝氣池提供高效率的運行環境.

圖6 8:00氣溫監測記錄

圖7 13:00氣溫監測記錄

3.3 水溫監測分析

試驗連續監測了34 d的曝氣池進、出口水溫及室外環境溫度，每天8:00和13:00的監測結果見圖8、圖9.

由圖8可見，8:00時曝氣池的進口平均水溫為12.3℃，出口平均水溫為12.5℃，升高0.2℃，室外平均氣溫為-8.3℃；由圖9可見，13:00時曝氣池的進口平均水溫為12.4℃，出口平均水溫為12.6℃，升高0.2℃，室外平均氣溫為-2.4℃.

同一時刻曝氣池出口平均水溫比入口平均水溫升高0.2℃；同時，一天中8:00時曝氣池的進出口平均水溫、室外平均氣溫都略低于13:00時的值，室外環境溫度波動很大(5.9℃)，但曝氣池進出口水溫波動微小(0.1℃)，這說明冬季曝氣池外扣棚能夠減小曝氣池內水溫的波動，對污水處理廠的穩定運行起到了一定作用.

圖8 8:00水溫監測記錄

圖9 13:00水溫監測記錄

3.4 棚內充入熱空氣對流動和換熱的影響

為使污水處理溫度達到其有效工作溫度，本研究向棚內充入回收的高溫空氣，通過對比未充入空氣和充入空氣兩種工況，分析了棚內空氣平均溫度和曝氣池出口水溫，結果如圖10、圖11所示.

圖10 棚內未充入空氣時垂直于x軸中間截面溫度分布圖

圖11 棚內充入熱空氣后垂直于x軸中間截面溫度分布圖

通過圖10和圖11的對比可見，當棚內充入熱空氣后，棚內空氣溫度升高22℃～29℃，曝氣池出口水溫升高2.0℃～2.5℃.因此在嚴寒地區冬季低溫工況下，利用回收余熱提升棚內溫度是一種有效的措施.

4 結語

(1) 嚴寒地區冬季曝氣池外扣棚可起到保溫作用，無吸收太陽輻射熱的作用.

(2) 嚴寒地區冬季曝氣池外扣棚能減小棚內空氣溫度波動，可為曝氣池高效運行提供穩定的環境.

(3) 當棚內充入熱空氣后，棚內空氣溫度升高22℃～29℃，曝氣池出口水溫升高2.0℃～2.5℃.在嚴寒地區冬季低溫工況下，利用回收余熱提升棚內溫度是一種有效的措施.

[1] GOSTELOW P，PARSONS S A，SRUETZ R M.Odour measures for sewage treatment works[J].Water Research，2001，35(3)：579-597.

[2] GANG D，CLEVENGER T E，BANERJI S K.Relationship of chlorine decay and THMs formation to NOM size[J].Journal of Hazardous Materials，2003，96(1)：1-12.

[3] 蔣安璽，李德強，相會強，等.水解酸化-生物接觸氧化工藝在抗生素廢水處理中的應用[J].安全與環境學報，2002，2(4)：3-6.

[4] ZHAO K，YIN J，WANG L J.Perform ance improvement of SBR process by addition of humus soil[J].Journal of Harbin Institute of Technology，2009，41(4)：81-84.

[5] 尹軍，趙可.腐殖活性污泥工藝在日本和韓國的應用[J].中國給水排水，2007，23(4)：101-104.

[6] 吳敏，潘孝輝，朱睿，等.腐殖土改善活性污泥沉降與脫水性能的研究[J].中國給水排，2009，25(9)：45-48.

[7] 王美蓮，田家宇，潘志輝，等.活性污泥中的水分測定及其脫水性能[J].哈爾濱商業大學學報，2010，29(6)：285-290.

[8] 鄭冰玉，蘇高強，張亮，等.溫度與污泥程度對剩余污泥水解及脫水性能的影響[J].北京工業大學學報，2013，39(12)：1905-1910.

(責任編輯：方 林)

The influence on sewage plant operation efficiency of heat preservation effect which greenhouses in winter produce in cold regions

ZHAN Nai-yan，XU Yue，ZHOU Wu-bo，ZHAO Ke

(Municipal and Environment Engineering Department，Jilin Jianzhu University，Changchun 130118，China)

Taking the low efficiency problem of the waste water treatment plant under low temperatures in cold regions as the background，experimental testing and numerical simulation were conducted to analyze the temperature distribution and air flow characteristics inside the greenhouses.The greenhouse insulation technology was studied under low temperature conditions in cold region.The results show that the main role is insulation using greenhouse outside the aeration tank rather than absorbing solar heat，that means fluctuation of temperature could be reduced with greenhouse which took an role in stable operation.The outflow of temperature is 12.9℃，which is 2.1℃ higher than the inlet，the main reason is that the heat which released by chemical reaction raise the temperature.It is an effective measure to use waste heat recovery to improve the greenhouse temperature under low temperatures in cold regions under the temperature raises 22℃～29℃ while the outflow of temperature raises 2.0℃～2.5℃.

cold region；greenhouse insulation；sewage treatment；efficiency

1000-1832(2015)04-0150-06

10.16163/j.cnki.22-1123/n.2015.04.031

2014-11-28

國家自然科學基金資助項目(51206061);吉林省科技發展計劃項目(20130101073JC).

戰乃巖(1975—)，女，博士，教授，主要從事工程熱物理研究.

TK 124 [學科代碼] 470·1020

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