污水余熱冷水魚養殖池設計研究

摘要：工業廢水余熱養魚技術已有實際應用，但污水余熱用于冷水魚養殖尚未見報道。北方低溫地區的市政污水溫度與冷水魚生長溫度相符。設計一種污水余熱冷水魚養殖池，闡述設計的整體結構、工作原理和參數設計。通過試驗結果表明，該設計作為熱交換器，在冬季將3 m×6 m×1.2 m的養殖水體溫度從2 ℃提升到了9 ℃，適合冷水魚生長，且具有節能節水的優勢。

關鍵詞：污水；余熱；冷水魚；養殖

中圖分類號：S955.1" " 文獻標識碼：A" " 文章編號：1674-1161（2023）05-0039-03

在雙碳背景下余熱利用越來越受關注，其中不乏關于低品位工業水余熱利用于農業生產的研究，如電廠余熱養殖對蝦^[1]、羅非魚^[2]，污水余熱大棚防凍^[3]。北方低溫地區的市政污水溫度一般在8～15 ℃，少數在6～8 ℃^[4]，與冷水魚生長的適宜溫度0～20 ℃^[5]相符。通過以上分析，北方低溫地區市政污水余熱用于冷水魚養殖存在理論可能。因此，設計一種污水余熱冷水魚養殖池，利用污水溫度來調節養魚池溫度，從而創建適宜冷水魚養殖的環境。

1 污水余熱冷水魚養殖池的結構與原理

1.1 工藝流程

從污水處理廠處理后的排水渠取水，污水經過養殖池內布置的換熱器，與養殖池內水體發生熱交換后返還到排水渠。過程中只完成熱交換，污水與養殖水無接觸。工藝流程如圖1。

1.2 總體結構

養殖池主要由池體、軟管換熱器陣列和主管線組成。軟管換熱器線性陣列于池體內與主管線并聯，主管線有進、出兩根管線且分別位于池體對向邊沿的上方。軟管換熱器由軟管與支管線組成，支管線分進、出兩根管線并沿池體內壁垂直對向布置，軟管繃直橫拉于池體內兩端與進、出支管線插接并形成豎直等距線性陣列。結構示意如圖2所示。

1.3 工作原理

軟管陣列起到了多方面作用：一是作為換熱器承擔污水與養殖水體間的熱交換作用；二是恰當的管間距起到了阻隔魚群的作用；三是柔軟又有彈性的材質具有積極的防護作用。在理想狀態下該裝置能夠將目標養殖水體溫度調節至接近污水源的溫度，且在布置軟管全覆蓋情況下的換熱面積最大，但造價也巨大。從經濟性考慮，實際生產中主要應用軟管換熱器近場區域營造的溫度環境來合理布置軟管換熱器陣列。

2 污水余熱冷水魚養殖池的設計

2.1 參數設計

設計條件參照《魚池水溫調節系統的設計研究》^[6]，養殖池體的長×寬為3 m × 6 m，面積為18 m²，養殖水深1.2 m，取負荷指標350 W/ m²。換熱器分3組，間距1.5 m布置。以污水溫度13 ℃為例，換熱溫差取4 ℃，即養殖水溫調節范圍8～17 ℃，可較好地滿足冷水魚養殖需要。

換熱器計算：塑料換熱器的傳熱系數為262.26～363.76 W/m²·℃ ^[7]，設計取傳熱系數265 W/m²。軟管型號選用直徑8 mm。根據負荷指標與面積計算，得出總負荷為6.3 kW。由換熱器公式Q=KA△t，導出A=Q/K△t，計算得出換熱器面積為5.94 m²；進一步根據軟管管徑計算，得出換熱器軟管總長度236 m。根據養殖池體規格及換熱器布置情況計算，得出每組換熱器軟管數26根，相鄰軟管表面間距38 mm。

水力計算：將總負荷、水的比熱容、換熱溫差、水的密度這4個參數代入以下兩個公式：比熱容公式Q=CM△t與質量公式M=ρgh，計算得出流量為1.35 m。

2.2 材料與實施

使用鋼架與防水布來制作簡易養殖池1個，養殖池規格L×W×H為6 m×3 m×1.5 m。軟管選用直徑8 mm導流管材質的塑料，與支管使用寶塔頭插接、繃緊，并用卡箍固定來組成3組軟管換熱器，每組換熱器管數為26根，相鄰管表面間距為38 mm。支管與主管均采用PPR材質，支管型號六分緊貼養殖池壁豎直布置，主管型號一寸沿養殖池邊沿平鋪。進水主管前端安裝370 W一寸潛水泵，潛水泵懸吊于污水排水渠中層水位，泵吸入端前置過濾網，出水主管排水口置于潛水泵下游。養殖池能夠實現溫度自動控制，循環泵電源使用溫控開關來控制通斷，溫控開關的探頭放入養殖池中，并設定好4 ℃溫差。養殖池還有一定的分欄作用，若穿攔系數Kh^[8]按1.2考慮，則可對顱寬46 mm以上的魚產生阻隔效果。

3 污水余熱冷水魚養殖池的應用試驗

3.1 試驗方法與步驟

冬季盤錦市政污水廠排水溫度為13 ℃，養殖池所在維護結構內環境晝夜溫度在-5～-2 ℃之間變動。養殖池水深1.2 m，初始水溫2 ℃，水泵以常開狀態運行。以換熱器為界線將養殖池分為4個區域，測量圖3中a，b，c，d的4個點位的中間層水溫。各點位位于所在區域的中心線位置，每24 h記錄一次水溫，持續觀測6 d。觀測數據如表1所示。

3.2 數據分析與經濟性

a，b點位及c，d點位間存在0.9 ℃的最大溫差，這可能是受到了冷橋效應的影響。2～5 d溫度分布趨于平均并且持續上升，在6 d達到上限，平均水溫變化曲線如圖4所示。

將污水余熱、電鍋爐加熱、空氣源熱泵、燃煤鍋爐這4個方案進行經濟性比較，如表2所示。污水余熱方案的能效比（COP）= 制熱量/耗電量，將總負荷6.3 kW代入制熱量，水泵功率370 W代入耗電量，計算得出COP=17。燃煤鍋爐不適于使用能效比，常用熱效率來表達其經濟性指標，小型燃煤鍋爐熱效率為60%左右。從經驗數據來看小型燃煤鍋爐的運行費用與空氣源熱泵較為接近。

4 結論與討論

從試驗結果可看出，低品位的工業余熱與農業生產有較好的契合度，低至十幾攝氏度的余熱資源也可以直接加以利用。污水余熱冷水魚養殖池服務于生產，其設計參數應符合生產需要，設計溫度應依據目標魚種的適宜生長溫度而定，同時換熱器的結構布局要考慮目標魚種的體態特征。開發利用污水余熱養殖冷水魚具有較好的經濟前景，符合節能、減排、集約化生產的工廠化養殖路線。

參考文獻

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Study on Design of Cold Water Fish Breeding Pond with Waste Heat from Sewage

QI Songping1， WANG Lining2

（1.Panjin North Control Environmental Protection Co.， Ltd， Panjin Liaoning 124200，China;

2.Liaoning Saline-Alkaline Land Utilization and Research Institute， Panjin Liaoning 124010，China）

Abstract： The technology of fish breeding with waste heat from industrial sewage has been applied in practice， but it has not been reported that waste heat from sewage is used for cold water fish breeding. The municipal sewage temperature in the northern low-temperature area is consistent with the growth temperature of cold water fish. A waste water cold water fish breeding pond is designed， and the overall structure， working principle and parameter design are described. Through the test results show that as a heat exchanger ，it increases the temperature of 3 m×6 m×1.2 m aquaculture water from 2 ℃ to 9 ℃ in winter， which is suitable for the growth of cold water fish and has the advantage of energy saving and water saving.

Key words：" sewage; waste heat; cold water fish; breeding

收稿日期：2023-03-22

作者簡介：齊松平（1982—），女，工程師，從事污水處理與利用方面研究。