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 Na. 122007年12月JOURNAL OF HARBIN INSTTTUTE OF TECHNOLOCYDec. 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2(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-mail; shwu122@ 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 C时,污水冷热源不影响污水处理厂进水水温,污水处理曝气池水温在5~7 C内,水处理能力由耐冷菌承担,再提取2~3 C污水热能对水处理无明显影响,水温均在酎冷菌活性范围内.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-qir(1. Uilization of Waste Heat and Heat Pump Technology Research Center, Harbin Institute of Technology，Harbin 150090, China ,E-mail:shwul22@ sina. com;2 School of Municipal and Environmental Engineering, Harbin Institute of Technology ,Harbin 150090,China)Abstract: It ' s 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 area.Based on two typical engineerings which were operating in practice, the article analysed the temperature distri-bution 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 8 C, the sewage ascool and heat source has no efect on the inflow temperature of wastewater treatment plant. The water tempera-ture of aeration tank is about 5 -7 C, the efficiency of active sludge biological sewage treatment is bom by cold- adapted microorganisms, utilizating2 -3 C wasterwater heat energy has no effect on wasterwater biologicaltreatment, all the water temperature is within activity temperaturescope.Key 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--.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)与二大面广,与人居同中国煤化工收稿日期: 2006 -02 -27.位的1用该项冷热源的基金项目:国家自然科学基金资助项目(50578048).关键MH. CN M H G用方法与装置及作者简介:吴荣华(1976- -),男 ,博士,博士后;孙德兴(1942- -) ,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聘教授.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2月份两千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8~10C,污水生化处理曝气池温度在变化如图4所示.5~7 C ,COD的去除效率仅为40% ~ 50%[4] ,若14进一步开发利用城市原生污水热能,势必造成水12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--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十太古干渠大的影响意义重大.十望江干集1污水排放温度分布1000200030004000 .污水由排放点经污水干渠至污水处理厂,沿途污水干梁流程长度/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12C一排放点10C果即为对生物水处理的水温影响程度.-。排放点8C针对所开发的两个试点工程[5],于2004年10月至2005年4月对污水水温变化作了跟踪测500 1000 1500 2000 2500 3000试,其中哈尔滨望江宾馆污水源热泵项目位于一污水千渠流程长度/m大型干渠末端,即污水进人松花江前100 m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 C ,而端,距污水进人松花江约3000 m.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 C ,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 C ,排放点温降4 C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 C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呈非线性关系,即污水热能提取所形成的温降与?t由此导致污水处理厂温度变化值不相等.污水处包1(理厂原水水温相对稳定是由于干渠周边土壤起到2 8.了调节作用.E 6-2周边土壤的调节特性1234567891011 12污水由排放点至污水处理厂沿途温降热能散月份失由3部分组成:①污水干渠与大气直接相通图1不同月 份污水排放点测试温度16(通过竖井)形成蒸发热能损失Q;②干渠底面无穷远土壤传热量Q2 ;③向地表面传热量Q3,由，12于地表面温度很低,达-20 C ,因此,Q3为其中的题108较大部分.整个热量损失Q = Q, +Q2 +Q3,按传‘6+望江干巢热的基中国煤化工.一太古干巢.HCNMHG式中:K为综合当量性传热系数, W/(m2. C);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,C;t。为室外大气、地表面、土壤平均，1884●哈尔滨工业大学学报第39卷当量性温度,C.损失3~4 C,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) QL长干渠作为散热对象,如图5所示,则传Q。= K。F.(4-t.).(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QQ = KAOL(tp-1n).(1)当量性传热系数, w/(m2.C); 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,C.QQ = CC(1 -n2).(2)若污水来水温度1.发生变化,例如降为l' f,式中: QQ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; QL为微干渠长度，Q'。= K'.F.(I'e-1.).m;1,1为△L段的进出水温度,C; G为污水流比较式(3)、(4)有量,kg/s; C为污水比热,kJ/(kg. C).Q'。_ K'F.. t'-1。L(排放点)(末端)L88C十--1格栅t一-沉砂池(6 C)外97C5C外4COL初沉池t➢曝气池一-二沉池|图5干渠沿途 某一微小散热段(5 C)(3C)(2C)由式(1)、(2)得图6严寒天污水处理厂沿流程温度分布KAOL(1-to) = GC(t -1).由于污水温度变化相对室外温度变化很小，可近似认为K'。= K.,当1; =8 C,1. = -20 C,ALGC(4-10).KAt' =4~8 C时,有由图4,当△L所在位置L趋近干渠末端L= 1,Q'.= Q.t- tw时,(t -12)/△L即曲线斜率趋于0,此时(1,-1)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1→lo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Lm处,污水温度与降,例如若t' ;=6 C ,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 C.通过上述理论分析不难发现,尽管污水热能因此,若在末端污水处理厂附近利用污水热能，则污水利用温降直接形成或导致污水处理水在前端提取4C,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 C.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 C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 C,则对污水处理无明显一系列困难或问题,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[7.8),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 ,尤其污水进人处理厂后,经过格栅、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、曝气中国煤化工水处理情况的影池设置在室外,曝气过程为室外-20 C冷空气经响YHCNMHG水温在10C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.7C左右时,COD的去除率在40%左右，水温在污水处理过程中,初沉池与曝气池污水热能4 C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 C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8C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 C附近，8(当污水进人末端污水处理厂时，土壤综合温度与污水温度接近.临50403)污水处理过程中,热能进一步损失,损失30↓'温降1~3 C,主要为蒸发散热及暴气显、潜热交10。换损失.0105 204)在0~10C内,耐低温菌具有较强的活污水温度/C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--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3C左右后,水温均在耐低温菌强活性范围常水处理条件利用的是中温菌,在15~35 C有较之内,污水冷热源并不明显影响生物水处理.好的活性,当水温低于10C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]昊荣华,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 C内有较好的活性19.10 ,只是由于自[2]STJEMSTROM. Feeding large heating pumps form sew-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 Eficiency o耐低温菌尽可能代谢污染物.Heat Pump Systems[C]. 1991.因此,尽管曝气池水温在7 C左右时污水处[3]昊荣华.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 C左右时30%左右,降[D].哈尔滨:哈尔滨工业大学,2005.低了5%,但水温均在耐冷菌0~10C活性范围[4]孟雪征.冷适应微生物处理寒冷地区低温生活污水研究[ 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 C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4C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,2005.当然,曝气池水温在10C以下的时间并不[7]WHYTE L G, HWARI J. Biodegradation of vardole -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-trophie rhodococcus sp[J]. Appl Environ Microbiol,的是耐低温菌,其他时间是中温菌.若污水冷热源1998 ,6(7) :2578 - 2584.开发利用,整个冬季污水水温向下平移2~3 C,[8]WHYTE L G, SLANMAN s J. Plhysiological adaptations则曝气池水温在10C以下的时间要增长,靠耐低involved 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rhodococeus 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ol, 1999 ,65(7) :2961 - 2968.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- -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 C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 C后dapted microorganisms and their potential role in biotechwlogy[J].J Bivtechnol, 1994 ,33(1):1-14.所出现的问题将在原有问题的范围之内.污水冷热源并未从本质上影响污水生化处理问题,影响中国煤化工编辑刘彤)也不明显.MYHCNMHG5结论1)城市污水冷热源是污水热能与土壤源的