第39卷第12期哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報VoL 39 No 122007年12月JOURNAL OF HARBIN INSTITUTE OF TECHNOLOGYDec.2007寒區(qū)城市污水冷熱源對污水生化處理影響吳榮華',徐勇鵬,孫德興,任南琪(1.哈爾濱工業(yè)大學(xué)余熱利用與熱泵技術(shù)研究中心,哈爾濱150090,E-mal:shwu22@sina.com;2.哈爾濱工業(yè)大學(xué)市政環(huán)境工程學(xué)院,哈爾濱150090)摘要:城市污水冷熱源開發(fā)利用具有重要的節(jié)能與環(huán)保意義,但在寒區(qū)是否會對污水生化處理產(chǎn)生嚴(yán)重的影響是關(guān)鍵性問題。基于實際運行的兩個典型項目,測試污水排放溫度分布,研究城市污水干渠周邊土壤對水溫的調(diào)節(jié)特性,在此基礎(chǔ)上進一步分析污水處理流程的溫度分布情況,并從生化角度分析污水冷熱源對污水生化處理的影響,研究表明:土壤對污水水溫具有調(diào)節(jié)作用,被利用污水水溫不低于8℃時,污水冷熱源不影嘲污水處理廠進水水溫,污水處理曝氣池水溫在5~7℃內(nèi),水處理能力由耐冷菌承擔(dān),再提取2-3℃污水熱能對水處理無明顯影響,水溫均在耐冷菌活性范圍內(nèi)關(guān)鍵詞:城市污水;冷熱源;污水處理;耐冷菌中圖分類號:TU831.6文獻標(biāo)識碼:A文章編號: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開發(fā)利用各類低位可再生性清潔能源作為熱境污染問題的有效途徑之一城市污水是較理想泵冷熱源為建筑物供暖空調(diào)是緩解能源消耗與環(huán)的清潔冷熱源,包括城市原生污水(未處理污水)與二級出水,具有溫度適宜,量大面廣,與人居同收稿日期:2006-02-27位的優(yōu)點2.文獻[3]研究了利用該項冷熱源的基金項目:國家自然科學(xué)基金資助項目(50578048)作者簡介:吳榮華(1976-),男,博土,博士后;關(guān)鍵技術(shù)問題,開發(fā)了一系列應(yīng)用方法與裝置及孫德興(1942一),男,教授博士生導(dǎo)師較大型試點工程,具有國內(nèi)外領(lǐng)先技術(shù)水平,已具任南琪(1959-),男教授博士生導(dǎo)師長江學(xué)者特備推廣應(yīng)用的技術(shù)條件然而在寒區(qū)推廣應(yīng)用城第12期吳榮華,等:寒區(qū)城市污水冷熱源對污水生化處理影響1883市原生污水受到污水生物處理工藝的限制.嚴(yán)寒月份兩干渠全程溫度分布如圖3所示,太地區(qū)(以哈爾濱為例)冬季污水處理廠的原水溫古商城污水源熱泵系統(tǒng)啟動運行后干渠沿途溫度度最低8-10℃,污水生化處理曝氣池溫度在變化如圖4所示5~7℃,COD的去除效率僅為40%~50%,若進一步開發(fā)利用城市原生污水熱能,勢必造成水420溫更低因此,污水熱能的提取利用與污水處理的低溫問題似乎形成一種無法調(diào)和的矛盾,因此,客觀有效地分析污水冷熱源對污水生化處理產(chǎn)生多太古干渠大的影響意義重大望江干渠1污水排放溫度分布污水由排放點經(jīng)污水干渠至污水處理廠,沿途污水干渠流程長度/m污水水溫是變化的,一般呈下降趨勢,污水排放溫度圖3典型嚴(yán)寒天污水干渠沿途溫度分布分布是指污水沿干渠全程的溫度情況及變化特點該溫度分布既是污水冷熱源系統(tǒng)設(shè)計需要掌握的關(guān)鍵參數(shù)之一,也是定量反映污水冷熱源對污水生化420處理產(chǎn)生多大影響的直接數(shù)據(jù)該溫度分布分為兩種情況,包括污水熱能提取前與提取后,兩者對比結(jié)排放點12℃果即為對生物水處理的水溫影響程度排放點10℃一排放點8℃針對所開發(fā)的兩個試點工程,于2004年10月至2005年4月對污水水溫變化作了跟蹤測050010001500200025003000試,其中哈爾濱望江賓館污水源熱泵項目位于污水干渠流程長度/m大型干渠末端,即污水進入松花江前100m處;哈圖4污水熱能提取后干渠沿途溫度爾濱太古商城污水源熱泵項目位于一中型干渠首圖3測試結(jié)果表明,污水沿途溫降達4℃,而端,距污水進入松花江約3000m.按排放點溫度、圖4中,當(dāng)排放點污水熱能提取后污水溫降2℃,末端溫度、較典型嚴(yán)寒天全程溫度給出測試結(jié)果.而末端相對以前溫變僅0.5℃,排放點溫降4℃哈爾濱望江賓館河潤街污水干渠及哈爾濱太時,末端溫變僅1℃左右古商城太古五道街污水干渠排放點及末端溫度如從上述所測試的溫度分布不難看出,污水熱圖12所示,兩者非常接近能提取后,污水溫降與引起污水生化處理的溫降8642呈非線性關(guān)系,即污水熱能提取所形成的溫降與由此導(dǎo)致污水處理廠溫度變化值不相等.污水處理廠原水水溫相對穩(wěn)定是由于干渠周邊土壤起到了調(diào)節(jié)作用2周邊土壤的調(diào)節(jié)特性789101112污水由排放點至污水處理廠沿途溫降熱能散圖1不同月份污水排放點測試溫度失由3部分組成:①污水干渠與大氣直接相通(通過豎井形成蒸發(fā)熱能損失Q1;②2干渠底面無窮遠土壤傳熱量Q2;③向地表面?zhèn)鳠崃縌3,由于地表面溫度很低,達-20℃,因此,Q3為其中的較大部分.整個熱量損失Q=Q1+Q2+Q3,按傳羆千墨熱的基本導(dǎo)熱形式描述為°2Q=KF(L- to式中:K為綜合當(dāng)量性傳熱系數(shù),W/(m2·℃)2345678910112月份F為污水干渠散熱面積,為整個干渠壁面,m2;t為圖2不同月份污水干渠末端測試溫度污水溫度,℃;t。為室外大氣、地表面、土壤平均哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報第39卷當(dāng)量性溫度,℃損失3~4℃,分為直接蒸發(fā)熱損失與曝氣熱交換以污水干渠沿途某L處(該點與排放點距損失兩部分,寫成一般的熱量傳遞形式為離)ML長干渠作為散熱對象,如圖5所示,則傳Q。=KF2(t1-l)(3)熱量可表示為式中:Q為污水傳熱傳質(zhì)熱損失,W;K為污水△Q=KA△L(t1-l0)(1)當(dāng)量性傳熱系數(shù),W/(m2·℃);F,為污水散熱污水熱能散失可表示為面面積,m2;t,為室外溫度,℃△Q=GC(t1-l2)若污水來水溫度t發(fā)生變化,例如降為t,式中:△Q為傳熱量或污水熱能損失,W;A為污則有水干渠單位長度壁面,m2/m;△L為微干渠長度Q。=K'F(tt-l)(4)m;t,h2為△L段的進出水溫度,℃;G為污水流比較式(3)、(4)有量,kg/s;C為污水比熱,kJ/(kg·℃)Q K F It-twL(排放點)Q。K.F8℃5℃室外曝氣池上[二圖5干渠沿途某一微小散熱段(5℃)(3℃)由式(1)、(2)得圖6嚴(yán)寒天污水處理廠沿流程溫度分布KAAL(t-to)=GC(L,-1,)由于污水溫度變化相對室外溫度變化很小,則有可近似認(rèn)為K=K,當(dāng)t1=88℃時,有tE由圖4,當(dāng)ΔL所在位置L趨近干渠末端L。Lr-tw,Q’,=Q時,(t1-t2)/△L即曲線斜率趨于0,此時(t-t0)即污水來水溫度的變化并不引起熱量散失值也必然趨于0,即t1→的變化,因此,污水處理流程中污水溫度對應(yīng)下由此推斷在污水干渠末端L處,污水溫度與降,例如若t'r=6℃,則后續(xù)溫度相應(yīng)同等下降,土壤的當(dāng)量溫度接近或者說土壤當(dāng)量溫度接近如圖6所示末端污水溫度為7~8℃因此,若在末端污水處理廠附近利用污水熱通過上述理論分析不難發(fā)現(xiàn),盡管污水熱能能,則污水利用溫降直接形成或?qū)е挛鬯幚硭谇岸颂崛?℃,但末端污水處理廠的進水溫度溫同等溫降并沒有明顯降低,僅1℃.當(dāng)然污水冷熱源的開發(fā)利用是沿污水干渠任意處,若在末端8℃處提取4污水冷熱源對水處理的影響熱能,則直接影響污水溫降.在寒區(qū),污水冷熱源將使得污水水溫降低,而故此,只要污水冷熱源開發(fā)利用后,污水被溫污水水溫降低或過低可能使得污水處理過程出現(xiàn)降,其溫度不低于7-8℃,則對污水處理無明顯系列困難或問題,包括:物理與生物吸附能力下影響,這是周邊土壤起了調(diào)節(jié)作用,此時開發(fā)利用降,生物活性降低,沉淀不易,污泥膨脹等3,導(dǎo)的是污水要散失于大氣、土壤及地表面的熱量致污水處理量與出水水質(zhì)很難保證與達標(biāo),不得3污水處理廠溫度特點不采取增大污泥回流量、增長污水停留時間等措施,這些措施可能又會進一步降低污水水溫,尤其污水進入處理廠后,經(jīng)過格棚沉砂池、初沉是污水停留時間的增長會導(dǎo)致污水水溫隨時間線池、曝氣池、二沉池后排放筆者調(diào)查了哈爾濱文性下降昌污水處理廠冬季的運行情況,其中初沉池、曝氣文獻[4]研究了污水水溫對水處理情況的影池設(shè)置在室外曝氣過程為室外-20℃冷空氣經(jīng)響,如圖7所示研究表明,污水水溫在10℃以下鼓風(fēng)機進人曝氣池這兩個池體污水熱能損失巨時,COD的去除率隨污水溫變相對穩(wěn)定.水溫在大,按污水流程,其溫度分布如圖6所示7℃左右時,COD的去除率在40%左右,水溫在污水處理過程中,初沉池與噪氣池污水熱能4℃左右時,COD的去除率在35%左右就此結(jié)第12期吳榮華,等:寒區(qū)城市污水冷熱源對污水生化處理影響果而言,污水冷熱源的開發(fā)利用提取污水3~4℃耦合源,污水熱能被提取后,當(dāng)被利用水溫不低于熱能,影響COD的去除率5個百分點左右,并未8℃時,污水冷熱源不影響污水處理廠的進水從本質(zhì)上改變污水處理效果水溫2)土壤源的綜合當(dāng)量溫度在7~8℃附近當(dāng)污水進入末端污水處理廠時,土壤綜合溫度與污水溫度接近000003)污水處理過程中,熱能進一步損失,損失溫降1-3℃,主要為蒸發(fā)散熱及暴氣顯、潛熱交換損失4)在0~10℃內(nèi),耐低溫菌具有較強的活污水溫度/℃性,不同溫度下COD去除率接近,因此在寒區(qū)冬季本身存在低溫水處理問題時,污水溫度進一步圖7污水水溫對COD去除率的影響然而國內(nèi)外大量的理論與試驗研究表明,正降低3℃左右后,水溫均在耐低溫菌強活性范圍之內(nèi),污水冷熱源并不明顯影響生物水處理常水處理條件利用的是中溫菌,在15~35℃有較好的活性,當(dāng)水溫低于10℃時,中溫菌活性降低參考文獻:或死亡,但污水生物處理依然有一定的去除效果,[1吳榮華孫德興城市污水冷熱源應(yīng)用技術(shù)發(fā)展?fàn)顩r其主要的功勞在于自然形成的耐低溫菌,耐低溫研究[J].暖通空調(diào),2005,36(6):32-37菌在0-10℃內(nèi)有較好的活性0,只是由于自[2 STUEMSTROM. Feeding large heating pumps form set然形成,在量與質(zhì)上并未形成優(yōu)勢群體.通?？赏╝ge water treatment plants[ A]. Proceedings of the Inter-過增大污泥回流量、增長污水停留時間等措施讓national Conference on Applications and Efficiency of耐低溫菌盡可能代謝污染物因此,盡管曝氣池水溫在7℃左右時污水處3]吳榮華城市原生污水源熱泵系統(tǒng)研究與工程應(yīng)用理效率在40%左右,在4℃左右時30%左右,降[D]哈爾濱哈爾濱工業(yè)大學(xué),20054]孟雪征冷適應(yīng)微生物處理寒冷地區(qū)低溫生活污水研低了5%,但水溫均在耐冷菌0~10℃活性范圍究[D]哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué),2001.之內(nèi)從微生物角度看并沒有明顯加重這種低溫[5]吳榮華,孫德興哈爾濱望江賓館利用城市污水中的水處理問題.若污水處理廠水溫在7℃附近還能能源[J].中國給水排水,2003,19(12):92-93正常運行,則在水溫4℃也應(yīng)能正常運行,靠的均[6]孫德興導(dǎo)熱與對流的數(shù)理解析[M].北京:中國建是耐低溫菌筑工業(yè)出版社,200當(dāng)然,曝氣池水溫在10℃以下的時間并不[7] WHYTE L G, HWARI J. Biodegradation of varidole長,例如哈爾濱地區(qū)可能在30~60d,此期間利用chain-length alkanes at low temperatures by a psychro-的是耐低溫菌,其他時間是中溫菌.若污水冷熱源trophic rhodococcus sp [J]. Appl Environ Microbiol1998,6(7):2578-2584開發(fā)利用,整個冬季污水水溫向下平移2~3℃則曝氣池水溫在10℃以下的時間要增長,靠耐低8 WHYTE L G, SLANMAN S J. Physiological adaptatinnvolved in alkane assimilation at a low temperature by溫菌的時間要提前,例如哈爾濱地區(qū)在1月份出us sp. strain Q15[ J]. Appl Environ Microbi現(xiàn)低溫問題,污水冷熱源開發(fā)利用則使得該問題可能在12月份出現(xiàn)[9] MORITA R Y. Psychrophilic bacteria[J].Bacterial不難判斷,盡管寒區(qū)污水生化處理一直存在Rew,1975,39(1):146-167低溫問題,污水熱能的提取降低水溫3℃左右,表[10 MARGESIN R, SCHINNER F. Properties of cold-a面上看似乎影響嚴(yán)重,而事實上水溫降低3℃后dapted microorganisms and their potential role in bio-所出現(xiàn)的問題將在原有問題的范圍之內(nèi)污水冷techrwlogy[ J]. J Bivtechnol, 1994,33(1):1-14熱源并未從本質(zhì)上影響污水生化處理問題,影響(編輯劉彤)也不明顯5結(jié)論城市污水冷熱源是污水熱能與土壤源的