寒区城市污水冷热源对污水生化处理影响

第39卷第12期哈尔滨工业大学学报VoL 39 No 122007年12月JOURNAL OF HARBIN INSTITUTE OF TECHNOLOGYDec.2007寒区城市污水冷热源对污水生化处理影响吴荣华',徐勇鹏,孙德兴,任南琪(1.哈尔滨工业大学余热利用与热泵技术研究中心,哈尔滨150090,E-mal:shwu22@sina.com;2.哈尔滨工业大学市政环境工程学院,哈尔滨150090)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。基于实际运行的两个典型项目,测试污水排放温度分布,研究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污水处理流程的温度分布情况,并从生化角度分析污水冷热源对污水生化处理的影响,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,污水冷热源不影嘲污水处理厂进水水温,污水处理曝气池水温在5~7℃内,水处理能力由耐冷菌承担,再提取2-3℃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;耐冷菌中图分类号:TU831.6文献标识码:A文章编号:0367-6234(2007)12-1882-04Effect of the sewage as a cool and heat source on wastewaterbiological treatment in cold areaWU Rong-hua, XU Yong-peng, SUN De-xing, REN Nan-q(1. Utilization of Waste Heat and Heat Pump Technology Research Center, Harbin Institute of Technology, Harbin 150090, China, E-mail:hwul22@sina.com;2.SchoolofMunicipalandEnvironmentalEngineering,HarbinInstituteofTechnology,Harbin150090,China)Abstract: Its important to exploit and utilize the sewage as cool and heat source for energy saving and environ-mental protection, but we need to think of how great the effect on wastewater biological treatment is in cold areaBased on two typical engineerings which were operating in practice, theanalysed the temperature distribution of sewage system and demonstrated the adjustable characteristic of the ground in nearby sewage trench towater temperature. Furthermore, the study discussed the effect of the sewage as cool and heat source onwastewater biological treatment. The investigation reveals that the ground has the adjustable effect on the waster-water temperature in sewage trench. If the temperature of the used wastewater is not below 8C, the sewage ascool and heat source has no effect on the inflow temperature of wastewater treatment plant. The water tempera-ture of aeration tank is about 5-7C, the efficiency of active sludge biological sewage treatment is bom by coldadapted microorganisms, utilizating 2-3C wasterwater heat energy has no effect on wasterwater biologicaltreatment, all the water temperature is within activity temperaturescopeKey words: city sewage; cool and heat source; wasterwater treatment; cold -adapted microorganisms开发利用各类低位可再生性清洁能源作为热境污染问题的有效途径之一城市污水是较理想泵冷热源为建筑物供暖空调是缓解能源消耗与环的清洁冷热源,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,与人居同收稿日期:2006-02-27位的优点2.文献[3]研究了利用该项冷热源的基金项目:国家自然科学基金资助项目(50578048)作者简介:吴荣华(1976-),男,博土,博士后;关键技术问题,开发了一系列应用方法与装置及孙德兴(1942一),男,教授博士生导师较大型试点工程,具有国内外领先技术水平,已具任南琪(1959-),男教授博士生导师长江学者特备推广应用的技术条件然而在寒区推广应用城第12期吴荣华,等:寒区城市污水冷热源对污水生化处理影响1883市原生污水受到污水生物处理工艺的限制.严寒月份两干渠全程温度分布如图3所示,太地区(以哈尔滨为例)冬季污水处理厂的原水温古商城污水源热泵系统启动运行后干渠沿途温度度最低8-10℃,污水生化处理曝气池温度在变化如图4所示5~7℃,COD的去除效率仅为40%~50%,若进一步开发利用城市原生污水热能,势必造成水420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形成一种无法调和的矛盾,因此,客观有效地分析污水冷热源对污水生化处理产生多太古干渠大的影响意义重大望江干渠1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,沿途污水干渠流程长度/m污水水温是变化的,一般呈下降趋势,污水排放温度图3典型严寒天污水干渠沿途温度分布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420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,两者对比结排放点12℃果即为对生物水处理的水温影响程度排放点10℃一排放点8℃针对所开发的两个试点工程,于2004年10月至2005年4月对污水水温变化作了跟踪测050010001500200025003000试,其中哈尔滨望江宾馆污水源热泵项目位于污水干渠流程长度/m大型干渠末端,即污水进入松花江前100m处;哈图4污水热能提取后干渠沿途温度尔滨太古商城污水源热泵项目位于一中型干渠首图3测试结果表明,污水沿途温降达4℃,而端,距污水进入松花江约3000m.按排放点温度、图4中,当排放点污水热能提取后污水温降2℃,末端温度、较典型严寒天全程温度给出测试结果.而末端相对以前温变仅0.5℃,排放点温降4℃哈尔滨望江宾馆河润街污水干渠及哈尔滨太时,末端温变仅1℃左右古商城太古五道街污水干渠排放点及末端温度如从上述所测试的温度分布不难看出,污水热图12所示,两者非常接近能提取后,污水温降与引起污水生化处理的温降8642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2周边土壤的调节特性789101112污水由排放点至污水处理厂沿途温降热能散图1不同月份污水排放点测试温度失由3部分组成:①污水干渠与大气直接相通(通过竖井形成蒸发热能损失Q1;②2干渠底面无穷远土壤传热量Q2;③向地表面传热量Q3,由于地表面温度很低,达-20℃,因此,Q3为其中的较大部分.整个热量损失Q=Q1+Q2+Q3,按传罴千墨热的基本导热形式描述为°2Q=KF(L- to式中:K为综合当量性传热系数,W/(m2·℃)2345678910112月份F为污水干渠散热面积,为整个干渠壁面,m2;t为图2不同月份污水干渠末端测试温度污水温度,℃;t。为室外大气、地表面、土壤平均哈尔滨工业大学学报第39卷当量性温度,℃损失3~4℃,分为直接蒸发热损失与曝气热交换以污水干渠沿途某L处(该点与排放点距损失两部分,写成一般的热量传递形式为离)ML长干渠作为散热对象,如图5所示,则传Q。=KF2(t1-l)(3)热量可表示为式中:Q为污水传热传质热损失,W;K为污水△Q=KA△L(t1-l0)(1)当量性传热系数,W/(m2·℃);F,为污水散热污水热能散失可表示为面面积,m2;t,为室外温度,℃△Q=GC(t1-l2)若污水来水温度t发生变化,例如降为t,式中:△Q为传热量或污水热能损失,W;A为污则有水干渠单位长度壁面,m2/m;△L为微干渠长度Q。=K'F(tt-l)(4)m;t,h2为△L段的进出水温度,℃;G为污水流比较式(3)、(4)有量,kg/s;C为污水比热,kJ/(kg·℃)Q K F It-twL(排放点)Q。K.F8℃5℃室外曝气池上[二图5干渠沿途某一微小散热段(5℃)(3℃)由式(1)、(2)得图6严寒天污水处理厂沿流程温度分布KAAL(t-to)=GC(L,-1,)由于污水温度变化相对室外温度变化很小,则有可近似认为K=K,当t1=88℃时,有tE由图4,当ΔL所在位置L趋近干渠末端L。Lr-tw,Q’,=Q时,(t1-t2)/△L即曲线斜率趋于0,此时(t-t0)即污水来水温度的变化并不引起热量散失值也必然趋于0,即t1→的变化,因此,污水处理流程中污水温度对应下由此推断在污水干渠末端L处,污水温度与降,例如若t'r=6℃,则后续温度相应同等下降,土壤的当量温度接近或者说土壤当量温度接近如图6所示末端污水温度为7~8℃因此,若在末端污水处理厂附近利用污水热通过上述理论分析不难发现,尽管污水热能能,则污水利用温降直接形成或导致污水处理水在前端提取4℃,但末端污水处理厂的进水温度温同等温降并没有明显降低,仅1℃.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8℃处提取4污水冷热源对水处理的影响热能,则直接影响污水温降.在寒区,污水冷热源将使得污水水温降低,而故此,只要污水冷热源开发利用后,污水被温污水水温降低或过低可能使得污水处理过程出现降,其温度不低于7-8℃,则对污水处理无明显系列困难或问题,包括:物理与生物吸附能力下影响,这是周边土壤起了调节作用,此时开发利用降,生物活性降低,沉淀不易,污泥膨胀等3,导的是污水要散失于大气、土壤及地表面的热量致污水处理量与出水水质很难保证与达标,不得3污水处理厂温度特点不采取增大污泥回流量、增长污水停留时间等措施,这些措施可能又会进一步降低污水水温,尤其污水进入处理厂后,经过格棚沉砂池、初沉是污水停留时间的增长会导致污水水温随时间线池、曝气池、二沉池后排放笔者调查了哈尔滨文性下降昌污水处理厂冬季的运行情况,其中初沉池、曝气文献[4]研究了污水水温对水处理情况的影池设置在室外曝气过程为室外-20℃冷空气经响,如图7所示研究表明,污水水温在10℃以下鼓风机进人曝气池这两个池体污水热能损失巨时,COD的去除率随污水温变相对稳定.水温在大,按污水流程,其温度分布如图6所示7℃左右时,COD的去除率在40%左右,水温在污水处理过程中,初沉池与噪气池污水热能4℃左右时,COD的去除率在35%左右就此结第12期吴荣华,等:寒区城市污水冷热源对污水生化处理影响果而言,污水冷热源的开发利用提取污水3~4℃耦合源,污水热能被提取后,当被利用水温不低于热能,影响COD的去除率5个百分点左右,并未8℃时,污水冷热源不影响污水处理厂的进水从本质上改变污水处理效果水温2)土壤源的综合当量温度在7~8℃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000003)污水处理过程中,热能进一步损失,损失温降1-3℃,主要为蒸发散热及暴气显、潜热交换损失4)在0~10℃内,耐低温菌具有较强的活污水温度/℃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,污水温度进一步图7污水水温对COD去除率的影响然而国内外大量的理论与试验研究表明,正降低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常水处理条件利用的是中温菌,在15~35℃有较好的活性,当水温低于10℃时,中温菌活性降低参考文献:或死亡,但污水生物处理依然有一定的去除效果,[1吴荣华孙德兴城市污水冷热源应用技术发展状况其主要的功劳在于自然形成的耐低温菌,耐低温研究[J].暖通空调,2005,36(6):32-37菌在0-10℃内有较好的活性0,只是由于自[2 STUEMSTROM. Feeding large heating pumps form set然形成,在量与质上并未形成优势群体.通常可通age water treatment plants[ A]. Proceedings of the Inter-过增大污泥回流量、增长污水停留时间等措施让national Conference on Applications and Efficiency of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3]吴荣华城市原生污水源热泵系统研究与工程应用理效率在40%左右,在4℃左右时30%左右,降[D]哈尔滨哈尔滨工业大学,20054]孟雪征冷适应微生物处理寒冷地区低温生活污水研低了5%,但水温均在耐冷菌0~10℃活性范围究[D]哈尔滨:哈尔滨工业大学,2001.之内从微生物角度看并没有明显加重这种低温[5]吴荣华,孙德兴哈尔滨望江宾馆利用城市污水中的水处理问题.若污水处理厂水温在7℃附近还能能源[J].中国给水排水,2003,19(12):92-93正常运行,则在水温4℃也应能正常运行,靠的均[6]孙德兴导热与对流的数理解析[M].北京:中国建是耐低温菌筑工业出版社,200当然,曝气池水温在10℃以下的时间并不[7] WHYTE L G, HWARI J. Biodegradation of varidole长,例如哈尔滨地区可能在30~60d,此期间利用chain-length alkanes at low temperatures by a psychro-的是耐低温菌,其他时间是中温菌.若污水冷热源trophic rhodococcus sp [J]. Appl Environ Microbiol1998,6(7):2578-2584开发利用,整个冬季污水水温向下平移2~3℃则曝气池水温在10℃以下的时间要增长,靠耐低8 WHYTE L G, SLANMAN S J. Physiological adaptatinnvolved in alkane assimilation at a low temperature by温菌的时间要提前,例如哈尔滨地区在1月份出us sp. strain Q15[ J]. Appl Environ Microbi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[9] MORITA R Y. Psychrophilic bacteria[J].Bacterial不难判断,尽管寒区污水生化处理一直存在Rew,1975,39(1):146-167低温问题,污水热能的提取降低水温3℃左右,表[10 MARGESIN R, SCHINNER F. Properties of cold-a面上看似乎影响严重,而事实上水温降低3℃后dapted microorganisms and their potential role in bio-所出现的问题将在原有问题的范围之内污水冷techrwlogy[ J]. J Bivtechnol, 1994,33(1):1-14热源并未从本质上影响污水生化处理问题,影响(编辑刘彤)也不明显5结论城市污水冷热源是污水热能与土壤源的