余熱回收機組在寒冷地區污水廠的應用案例

尤新軍，常功法

(1. 臨沂市生態環境局，山東臨沂 276000；2. 臨沂訊飛環保設備有限公司，山東臨沂 276000)

城市污水處理廠主要依靠微生物的新陳代謝作用完成污水凈化，水溫對凈化效果影響極大[1-4]。水溫低于12 ℃時，去除污水中氨氮的主要功能菌-硝化細菌的代謝行為幾乎停止，維持生化系統處于12 ℃以上或更高溫度，是污水穩定達標排放的必要條件。

在我國北方寒冷地區，冬季氣溫低至-20 ℃時污水廠進水溫度會低至7 ℃左右，生化池溫度則會更低，二沉池表面甚至會出現結冰現象。北方地區污水處理廠傾向于將除生化池、二沉池等大型池體外的預處理和深度處理單元設置在車間內，最大限度減少熱量散失。但是當進水溫度很低時，僅減少污水熱量散失仍無法保證生化池處于合理的溫度范圍。為防止管道設備凍壞，冬季需對車間供暖，多采用鍋爐或空氣源熱泵。電鍋爐電耗過高，燃煤鍋爐不可避免的伴生空氣污染，而空氣源熱泵在雨雪等潮濕天氣及氣溫低于-15 ℃時，存在結霜嚴重、制熱效率低的問題，使用效果不佳。

在山西北部某城市污水處理廠冬季保暖改造工程中，采用余熱回收機組技術成功將生化工段水溫維持在12 ℃以上，并可以提供余熱用于廠區辦公樓及車間的供暖，節能環保效果明顯，希望分享改造情況以供同行參考借鑒。

1 余熱回收機組技術

1.1 余熱回收機組技術原理

余熱回收機組技術通過提取污水處理廠外排尾水的余熱，并將這部分熱量釋放到原污水中，從而提升原污水的溫度，為后序生化處理創造良好的溫度條件，提高其處理效率。其基本原理是通過精確控制熱媒的壓縮和膨脹過程，利用熱媒與外排尾水、熱媒與原污水之間的溫度差實現低品位熱能到高品位熱能的高效轉化，最終實現對污水處理廠外排尾水潛能的回收利用[5]。通過使用余熱回收機組，不但可以將生化池水溫維持在高效范圍內，還可提供富裕熱量用于廠區辦公樓及車間供暖。

1.2 工藝流程

利用余熱回收機組實施污水廠冬季提溫改造工程的工藝流程如圖1所示。

圖1 利用余熱回收機組實施污水提溫工藝流程圖Fig.1 Flow Chart of Wastewater Temperature Increasing by Using Heat Recovery Machine

將預處理系統產出的低溫原污水(通常為沉砂池出水或初沉池出水)引入調節池，吸收余熱回收機組通過防堵型換熱器釋放的熱量后變為中溫原污水，經生化工段散失1～2 ℃水溫后在中間水池仍維持可中溫。再將中間水池內的中溫污水泵送至余熱回收機組和雙源熱泵機組用于回收潛熱，被回收熱量后的低溫污水進入深度處理系統。余熱回收機組回收的熱量再次釋放給調節池內的原污水，實現熱量回收利用，雙源熱泵機組回收的熱量則輸送至暖氣管道系統用于車間及辦公樓供暖。

1.3 技術難點及解決方案

1.3.1 低水溫條件下機組無法啟動

當污水處理廠進水溫度低至7 ℃時，外排尾水溫度會低至6 ℃以下。在此溫度下余熱回收機組以固定熱量回收能力工作會將外排尾水降至冰點以下，導致機組無法啟動[6]。因此，余熱回收機組需配備分檔啟動功能，在確保外排水不至于結冰的情況下，先以較低檔功能回收余熱并釋放給原污水；待中間水池溫度逐漸升高后，再逐步提高機組檔位，最終實現最高檔位工作。

1.3.2 換熱器易堵塞

普通管殼式、板片式換熱器水流道的空隙狹小，而原污水中有較多雜質，易導致換熱器堵塞，無法正常工作[6]。為此需設計專用的浸沒式換熱片，將換熱片浸入污水中，片間距在10 cm以上，方可確保避免堵塞問題。

1.3.3 專業性強，普通員工難以掌握

余熱回收機組專業性較強，普通人員往往難以完全理解其原理。為此余熱回收機組的自動控制系統需非常完善，操作界面盡量簡單易懂，僅保留少數3～5個需要人工參與控制的參數。

2 項目概況

山西省北部某污水處理廠，設計流量為6 000 m3/d，冬季最低氣溫為-25 ℃，污水廠進水最低水溫為7 ℃。原工藝為粗格柵→提升泵→細格柵→旋流沉砂池→初沉池→生化池→二沉池→消毒池→外排，執行《城鎮污水處理廠污染物排放標準》(GB 18918—2002)中的一級A標準，在冬季達標穩定性較差。根據相關部門要求，實施冬季保暖及提標改造工程，“穿衣戴帽”保證污水后處理設施的溫度，改造后總氮濃度須低于10 mg/L，其余指標須滿足《地表水環境質量標準》(GB 3838—2002)中的V類標準。保暖改造原計劃為在初沉池、生化池及二沉池池壁外設保溫層，并在周邊設置鋼骨架陽光板保溫棚。因池體間距較小且管道密度太高，沒有足夠空間建造鋼骨架基礎，后改用余熱回收機組方式為污水提溫。提標改造內容為新增絮凝沉淀池和深床反硝化濾池。保暖改造內容如下。

2.1 新建調節池

新建調節池在春夏秋季具備調節水量、均勻水質的作用，冬季還具有升溫調節的作用。有效容積為1 750 m3，理論水力停留時間為7 h，但實際進水量約為5 000 m3/d，導致實際水力停留時間約為8.3 h。配備攪拌機2臺，單臺功率為2.2 kW；調節池提升泵3臺，2用1備，額定流量為130 m3/h，揚程為12 m，單臺功率為7.5 kW，均可變頻調節。

2.2 消毒池改造為回水泵房

將原有二氧化氯消毒工藝改造為紫外消毒，在消毒器后設取水口，將消毒池改造為中間水池。用回水泵將消毒后水泵送至余熱回收機組和雙源熱泵機組進行熱量回收后，再通過管道送至排水流量計前，計量后外排。回水泵2臺，1用1備，額定流量為100 m3/h，揚程為26 m，功率為15 kW，可變頻調節。

2.3 余熱回收機組

新增余熱回收機組1臺，壓縮機功率為180 kW，可分3檔啟動，3檔負荷分別為50%、75%和滿負荷。浸沒式防堵型換熱片6組，進入調節池內。

2.4 雙源熱泵機組

雙源熱泵機組的雙熱源分別為空氣源和水源，可在兩種熱源制熱模式間切換。當室外氣溫在-15 ℃以上且天氣晴朗時，空氣源和污水源模式均可高效運行；當室外氣溫在-15 ℃以下或雨雪陰天時，空氣源制熱效率明顯偏低，可采用污水源模式。雙源熱泵機組功率為75 kW。

3 提溫調試效果及能耗分析

3.1 調試期間水溫情況

項目調試時間在冬至前后，最低氣溫為-23 ℃，污水廠進水溫度約為7.4 ℃。為加速調試周期，調試人員預先將調節池注滿水并用余熱回收機組將水溫升至23 ℃，隨后開始往調節池內連續注水，調節池提升泵連續輸水至生化池。調試期間每隔1 h記錄一次調節池和生化池末端水溫，數據如圖2所示。

圖2 調試期間調節池及生化池水溫情況Fig.2 Temperature Variation of Regulating Tank and Biological Treatment Tank during Commissioning

如圖2所示，調節池、生化池開始連續進、出水后，調節池內水溫逐漸降低并最終穩定在12 ℃左右；生化池水溫則逐漸上升并最終穩定在12 ℃左右；整個過程在48 h內基本完成。由于調節池容積較大，池內水升溫至23 ℃后有一定的蓄熱作用，對于縮短提溫調試周期有一定的積極作用。調試初始階段前6 h，由于中間水池水溫較低，可供回收熱量不足，余熱回收機組檔位處于最低檔(50%)；當提溫效果逐漸顯現，中間水池溫度逐漸升高至9.5 ℃，余熱回收機組檔位調高至75%檔；依次類推，在第14 h左右，中間水池水溫逐漸升至10.5 ℃，余熱回收機組可以滿負荷(100%檔位)運行。

3.2 污水提溫效果

在余熱回收機組投入使用前，生化池表面浮泥較多且存在大量結冰現象；余熱回收機組投入使用后，浮冰逐漸溶解消失，生化池、二沉池隱隱有霧氣升騰，活性污泥沉淀性能已有所改善，污水處理效果更加穩定。

圖3為2019年11月—2020年3月供暖季期間該廠進水流量以及水溫變化情況。進水溫度在旋流沉砂池測量，生化池水溫在生化池首端測量，日流量取自外排水在線數據。供暖季約5個月內，平均水量為4 260 m3/d，進水平均溫度為8.6 ℃，生化池平均水溫為14.0 ℃，平均增溫幅度為5.4 ℃。其中1月、2月因為氣溫原因，水溫最低可至7.1 ℃，相應時段內的水量也較低，因此,生化池水溫并未出現大幅波動。

圖3 供暖季期間水量及水溫情況Fig.3 Flow and Water Temperature during Heating Season

3.3 雙源熱泵機組供暖效果

廠區需要供暖的區域主要是辦公樓、粗細格柵間、凈水車間、脫水機房、綜合廠房，總面積約為3 500 m2。雙源熱泵機組利用中間水池回水蘊含的熱量，可保障供暖系統供水溫度為45 ℃以上，回水溫度為42 ℃以上。辦公樓內室溫在16 ℃左右，較為舒適；車間外墻缺少保溫措施，室溫僅為8 ℃左右，但足以避免管道及設備凍脹毀壞。

3.4 提溫對污水處理效果的影響

污水處理廠排水水質主要管控指標為COD、氨氮、總氮和總磷。該廠出水COD即便在無提溫措施的情況下也可穩定在10～15 mg/L，提溫措施未能進一步提高COD去除率穩定性。總氮、總磷去除效果與藥劑投量關系更大，因此，本文僅分析提溫措施對氨氮穩定性的影響。圖4為2017年和2019年供暖季期間生化系統出水氨氮濃度數據。由圖4可知，2017年在沒有使用余熱回收機組為污水提溫的情況下，氨氮濃度雖能達到排放標準但波動較大，平均值為2.1 mg/L，標準差為0.8 mg/L；2019年在使用余熱回收機組為污水提溫的情況下，氨氮濃度較穩定，平均值為1.0 mg/L，標準差為0.3 mg/L。

圖4 提溫措施對供暖季期間氨氮穩定性的影響Fig.4 Effect of Heating Measurement on Ammonia Nitrogen Stability during Heating Season

3.5 項目能耗分析

表1為2019年6月—2020年5月逐月水量及運行費用統計數據。當地每年11月—次年3月為供暖季，需開啟余熱回收機組和雙源熱泵機組。由表1可知，該廠全年污水單方成本約為2.27元，在非供暖季單方污水處理成本約為1.77元/m3，在供暖季成本約為3.17元/m3，比非供暖季增加1.4元/m3。電費方面，非供暖季平均單方電費為0.42元/m3，供暖季平均單方電費為1.53元/m3，增加1.01元/m3。在供暖季增加的電耗主要用于雙源熱泵機組和余熱回收機組，二者的各自的實際功率分別為80 kW和175 kW，按照功率加權平均，則余熱回收機組用于污水提溫導致電費增加0.69元/m3，占供暖季運行費用的21.8%，占全年平均運行費用的30.4%。王曉磊等[7]的研究表明，當水溫從19 ℃降至14 ℃時，其他條件相同情況下反硝化效率會下降15%。本案例中，在有/無提溫措施的情況下生化池水溫相差5.4 ℃，可以合理推測若升溫措施在供暖季節約了藥劑消耗量約15%，折合單方水價約節省0.17元/m3。綜合考慮電費的增加和藥劑費的節約量，余熱回收機組升溫措施僅會使運行費用增加0.52元/m3，占供暖季運行費用的16.4%。

表1 逐月水量及運行費用Tab.1 Monthly Quantity and Operating Cost

整個供暖季污水提溫幅度平均為5.4 ℃，污水量平均為4 260 m3/d，該廠電價為0.78元/(kW·h)，由電費反算電耗可得，單方污水提溫1 ℃電耗為0.16 kW·h。若采用純電加熱，按照水的比熱4.2×103J/(kg·℃)且電熱轉換效率100%計算，1 m3污水每提溫1 ℃電耗為1.16 kW·h。即采用余熱回收機組方式為污水提溫，電耗僅為電加熱方式的1/7。考慮到使用余熱回收機組后，污水處理系統尚有富裕熱量可供廠區辦公樓和車間供暖，本項目節能效果更加顯著。余熱回收機投入前后效果如圖5～圖7所示。

圖5 余熱回收機組投入使用前生化池浮冰較多Fig.5 Floated Ice on the Surface of Biological Treatment Tank before Using Heating Recovery Machine

圖6 余熱回收機組使用后浮冰消失Fig.6 Floated Ice Disappeared after Using Heating Recovery Machine

圖7 余熱回收機組投入使用后生化池及 二沉池上空霧氣升騰Fig.7 Visible Water Mist above the Surface of Biological Treatment Tank after Using Heating Recovery Machine

4 結論及建議

山西北部某城市污水處理廠采用余熱回收機組方式為原污水提溫，可將生化工段水溫維持在效率較高的范圍(12 ℃以上)，電耗僅為普通電加熱方式的1/7，并可產生富裕熱量用于廠區辦公樓及車間供暖，節能環保效果顯著。本項目中調節池兼具均衡水質水量與污水調溫的作用，具備一定的蓄熱能力，對縮短提溫調試周期有一定的積極作用。

通過余熱回收機組方式實現污水提溫，不僅可以提高寒冷地區污水處理廠冬季運行的穩定性，而且可以節約藥劑費用，但余熱回收機組功率較高，污水提溫仍然是整個水廠能耗最高的環節，采取提溫措施后冬季運行費用約增加16.4%。生化池升溫幅度與余熱回收機組電耗基本線性相關，建議探索優化水溫與藥劑消耗量的平衡點，找到保證污水處理效果足夠穩定的最低水溫條件，以最低的電耗和藥劑消耗實現相對理想的污水處理效果。