崔　迎, 白麗霞, 顧　玲

(天津渤海職業(yè)技術(shù)學(xué)院環(huán)境工程系，天津　300402)

· 治理技術(shù) ·

膜生物反應(yīng)器與污水源熱泵技術(shù)在建設(shè)綠色校園中的應(yīng)用研究

崔迎, 白麗霞, 顧玲

(天津渤海職業(yè)技術(shù)學(xué)院環(huán)境工程系，天津300402)

為實現(xiàn)綠色校園建設(shè)，以膜生物反應(yīng)器(MBR)技術(shù)和污水源熱泵技術(shù)聯(lián)用方法構(gòu)建了校園污水綜合處理與利用系統(tǒng)，考察了該系統(tǒng)對污水處理及水資源回收和熱能回收的實際運行效果，并通過生產(chǎn)運行結(jié)果對該系統(tǒng)的技術(shù)經(jīng)濟性進行分析。MBR工藝可有效處理校園污水并實現(xiàn)回用，回收水資源用于校園綠化、景觀湖補水等用途；污水源熱泵技術(shù)可回收污水冷熱能用于部分校內(nèi)建筑的采暖與供冷。膜生物反應(yīng)器與污水源熱泵都具有較顯著的經(jīng)濟效益和環(huán)境效益，適合于綠色校園建設(shè)。

膜生物反應(yīng)器; 污水源熱泵; 綠色校園

堅持生態(tài)文明建設(shè)和科學(xué)發(fā)展觀，建設(shè)環(huán)境友好型、資源節(jié)約型的可持續(xù)發(fā)展社會，是中華民族健康發(fā)展的基石。高校是人口高度集中、資源消耗的大戶，推進綠色校園建設(shè)，營造可持續(xù)發(fā)展的校園文化和環(huán)境已成為高校建設(shè)的重要內(nèi)容。資源、能源的高效利用與循環(huán)利用是校園生態(tài)環(huán)境建設(shè)的重要組成部分[1,2]。高校是城市用水和排水的大戶，建設(shè)中水回用系統(tǒng)，以校園優(yōu)質(zhì)雜排水為原水經(jīng)再生處理后，可用于校園綠化、灌溉等。膜生物反應(yīng)器(MBR)工藝在污水處理及再生利用中具有先進、高效、集成化等特點，是一項具備廣泛應(yīng)用前景的污水處理技術(shù)。同時，污水溫度相對較高，將其賦存的熱能回收利用是污水資源化利用的另一有效途徑。污水源熱泵是以污水作為熱源進行制冷、制熱循環(huán)的一種空調(diào)裝置，具有熱量輸出穩(wěn)定，COP值高，換熱效果好等優(yōu)點，近年來在高校浴室污水余熱的回收利用中有較多應(yīng)用[3]。將MBR工藝與污水源熱泵技術(shù)結(jié)合，既可以實現(xiàn)污水的達(dá)標(biāo)排放和再生利用，又可以充分實現(xiàn)清潔能源的高效利用。本研究針對采用MBR工藝和污水源熱泵技術(shù)的校園污水綜合利用系統(tǒng)，全面分析其運行效果與產(chǎn)生的經(jīng)濟、環(huán)境和社會效益，探討它們在推進綠色校園建設(shè)中的作用。

1　校園污水綜合利用系統(tǒng)構(gòu)成

校園污水綜合利用系統(tǒng)包括污水處理與熱能回收兩個生產(chǎn)車間，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1　校園污水綜合利用系統(tǒng)Fig.1　The comprehensive utilization system of the campus wastewater

污水處理及回用車間進水為來自于學(xué)生宿舍的生活污水和食堂、洗浴廢水，采用A2O-MBR工藝，設(shè)計出水水質(zhì)達(dá)到《城市污水再生利用景觀環(huán)境用水水質(zhì)》(GB/T 18921-2002)，出水可用于校園綠化、灌溉及景觀補水等。污水熱能回收車間采用污水源熱泵技術(shù)回收處理出水中的熱能，用于車間和學(xué)院部分實訓(xùn)室的供暖和制冷。

2　污水處理及回用效果及效益分析

2.1污水處理工藝

污水處理及回用車間日處理水量為100m3/d，主體工藝為A2O-MBR，工藝流程見圖2所示。

圖2　污水處理單元流程Fig.2　Schematic process diagram of the campus wastewater treatment plant

MBR系統(tǒng)采用的是天津膜天膜公司出廠的FP系列PVDF簾式內(nèi)置式膜組件，單片膜面積為12m2，共有32片膜。A2O-MBR系統(tǒng)的運行參數(shù)如下：平均產(chǎn)水量為4.5 m3/h；膜運行方式為抽吸產(chǎn)水8 min，停止2min；膜池混合液污泥濃度為4.0～9.0 g/L；好氧池回流比為300%，膜池回流比為300%～500%，缺氧池回流比為100%。

2.2處理效果

污水處理及回用車間于2012年初投入使用，在運行工況達(dá)到穩(wěn)定期間取樣分析系統(tǒng)的處理效率，結(jié)果如圖3所示。系統(tǒng)對COD的平均去除率達(dá)到92.7%，NH3-N平均去除率達(dá)到98.5%，TN的平均去除率達(dá)到73.6%。圖3中TN濃度超過15mg/L的情況主要發(fā)生在冬季低水溫期間。由于進水碳源限制，生物除磷過程受進水碳源的組成及含量的影響，在優(yōu)先保證脫氮效果的情況下，試驗期間MBR系統(tǒng)對TP的去除率波動較大。為保證TP的達(dá)標(biāo)去除，在MBR系統(tǒng)后續(xù)設(shè)置了輔助化學(xué)除磷單元進一步去除TP。

圖3　A2O-MBR系統(tǒng)去除效果Fig.3　The pollutants removal efficiency of A2O-MBR system

經(jīng)過近兩年的運行，車間處理效果穩(wěn)定，在常溫狀態(tài)下各項污染物指標(biāo)均達(dá)到《城市污水再生利用 景觀環(huán)境用水水質(zhì)》(GB/T 18921-2002)的限值要求；低溫時，TN的去除效率有所下降，出現(xiàn)超標(biāo)的情況，如表1所示。

表1　污水處理及回用車間的進出水水質(zhì)

注：*經(jīng)過后續(xù)化學(xué)除磷處理

2.3污水處理車間效益分析

2.3.1投資及運行費用

污水處理車間的總投資如表2所示。

表2　污水處理車間總投資

污水處理車間項目總投資74萬元，按照折舊年限15年計算，每年計提折舊費為4.93萬元；根據(jù)近兩年的運行數(shù)據(jù)，污水處理車間的運行費用包括動力費1.05萬元/年、藥劑費0.10萬元/年、人工費0.30萬元/年，以及維修費0.30萬元/年，年運行成本共6.68萬元/年。

2.3.2效益分析

校園污水經(jīng)污水處理及回用車間處理后可用于學(xué)院景觀湖補水、綠化、道路清洗等。按照天津市自來水價4.90元/m3計算污水回用可節(jié)約的自來水費用：

(1)學(xué)院綠化面積約為10000m2，按綠化用水量2 L/m2.d計算，每年使用自來水的費用為2L/m2.d×10000m2×4.90元/m3=3.60萬元/年；

(2)學(xué)院道路面積約為5000m2，按沖洗道路用水量2 L/m2.d計算，每年用水費用為2 L/m2.d×5000m2×4.90元/m3=1.80萬元/年；

(3)學(xué)院人工湖面積約5000m2，蒸發(fā)滲漏補水量按10 mm/d考慮，則每年補水的費用為5000×0.01×4.90元/m3=8.90萬元/年。

若使用新鮮自來水上述3項用水途徑每年共需水費14.3 萬元，根據(jù)污水車間運行成本計算，采用再生水替代自來水后，每年可節(jié)約水費約7.42萬元。另一方面，車間處理出水除用于綠化灌溉外，剩余部分就近排入城鎮(zhèn)河道，解決了原來污水直接排入水體帶來的污染問題，較好地維護了區(qū)域生態(tài)環(huán)境。

3　污水熱能回收經(jīng)濟性分析

3.1熱泵系統(tǒng)分析

本系統(tǒng)采用A2O-MBR處理出水作為能源，經(jīng)膜過濾后的出水水質(zhì)優(yōu)良穩(wěn)定，尤其是懸浮物質(zhì)基本完全去除，因此采用直接熱泵系統(tǒng)。經(jīng)實際測量，校園污水A2O-MBR處理系統(tǒng)的出水水溫范圍為12 ℃～25 ℃(寒暑假期間水量少，系統(tǒng)閑置，避開高、低水溫期)，熱泵系統(tǒng)設(shè)計利用溫差(Δt)為6℃，因此污水源熱泵機組冬季進出水最低溫度為12℃/6℃，夏季進出水最高溫度為25℃/31℃，均在正常排放和中水利用的溫度許可范圍內(nèi)[4，5]。

A2O-MBR系統(tǒng)平均產(chǎn)水量為4.5m3/h。采用日平均小時流量進行污水可利用冷熱量(q)的計算：

式中，Q為熱泵系統(tǒng)進水流量，m3/h；

Δt為系統(tǒng)溫差，6℃；

ε為系統(tǒng)制熱及制冷效率。

熱泵系統(tǒng)制熱效率為3.7，制冷效率為4.5。因此，可以計算得出該系統(tǒng)可利用熱、冷分別為43.03kW和40.38kW。熱泵系統(tǒng)主要供給車間和學(xué)院部分實訓(xùn)室的供暖和制冷，總計供熱面積為870m2，制冷面積為650m2(車間內(nèi)生產(chǎn)區(qū)域不制冷)，供熱供冷設(shè)計符合分別為45W/m2和60 W/m2，因此熱泵系統(tǒng)可滿足負(fù)荷要求。

在實際運行過程，由于熱泵系統(tǒng)采用MBR的膜處理出水，水質(zhì)清潔，基本無污堵情況，管道內(nèi)腐蝕結(jié)垢情況尚不明顯。運行主要問題在于校園污水的水量小，波動性較大，導(dǎo)致熱泵系統(tǒng)產(chǎn)能不穩(wěn)定。為此，對校園食堂、浴室、宿舍等用水量較大建筑的排水管線進行檢查和改造，確保污水收集量，并對污水處理系統(tǒng)前端的集水池進行了擴大改造，對進水量進行削峰蓄水。經(jīng)過改造后，熱泵系統(tǒng)可利用污水流量基本保持穩(wěn)定，時變化系數(shù)明顯降低，熱泵產(chǎn)能穩(wěn)定性得到保證。

3.2熱能回收車間效益分析

3.2.1投資及運行費用

污水熱能回收車間的投資主要包括污水源熱泵機組、新風(fēng)機組及風(fēng)機盤管等設(shè)備投資，總投資及明細(xì)如表3所示。

表3　污水熱能回收車間投資費用

(1)空調(diào)季運行電費：從2013年6月10日至2013年9月10日期間計量用電量，共90天，總計用電量9600kWh。按照天津市0.49元/kWh的電費標(biāo)準(zhǔn)，整個制冷季的電費為0.47萬元?？紤]到設(shè)備維護、少量人工費等則整個夏季的運行費用約為0.92萬元。

(2)采暖季運行電費：從2013年11月15日至2014年3月15日期間計量用電量，共120天，總計用電量33470kWh，整個采暖季的電費為1.64萬元。綜合考慮整個采暖季的運行費用約為2.24萬元?？照{(diào)及采暖季運行費用合計為3.16萬元。

3.2.2效益分析

我院冬季采用集中供暖，按熱泵系統(tǒng)供暖面積870m2，集中采暖費36元/m2計算，則每年集中采暖費用為3.13萬元/年；夏季采用分體式空調(diào)制冷，按照年運行90天，每天運行12h，空調(diào)面積650 m2，冷負(fù)荷60W/m2計，則采用分體空調(diào)的年費用約為2.06萬元/年。因此，常規(guī)采暖與空調(diào)年運行費用總支出約為5.19萬元。對比污水源熱泵的運行費用，每年可以節(jié)約2.03萬元。

可見“采用”污水源熱泵不僅可獲得較好的經(jīng)濟效益，還可大大節(jié)約能源，同時不會產(chǎn)生燃煤過程中的粉塵、煙塵、二氧化硫、氮氧化合物等大氣污染物的排放，在當(dāng)前霧霾天氣普遍肆虐的背景下具有顯著的環(huán)境效益。

4　結(jié)　語

4.1采用A/A/O-MBR工藝(輔助化學(xué)除磷)處理校園生活污水，除在低溫時TN略有超標(biāo)外，出水效果良好，出水可用于校園的綠化、灌溉等，經(jīng)濟效益和環(huán)保效益明顯。

4.2采用直接利用形式的污水源熱泵系統(tǒng)，以MBR系統(tǒng)出水為熱源，可回收污水中的冷熱能，用于校園供暖制冷。

4.3將A/A/O-MBR系統(tǒng)與污水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)相結(jié)合，具有系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、節(jié)能環(huán)保、技術(shù)經(jīng)濟可行性強的特點，是打造“綠色校園”的可行方案之一。

[1]石鐵矛, 李碩.走進綠色校園—以沈陽建筑大學(xué)校園建設(shè)為例[J]. 工程力學(xué), 2012,(12):9-14.

[2]姜其華, 李清秀.提倡節(jié)能環(huán)保 建設(shè)綠色校園[J]. 科技信息, 2012,(35):797-798.

[3]李崢嶸,等.污水源熱泵熱水系統(tǒng)在高校集中浴室的應(yīng)用分析[J]. 建筑熱能通風(fēng)空調(diào), 2013,32(5):47-49.

[4]周文忠, 李建興, 涂光備.污水源熱泵系統(tǒng)和污水冷熱能利用前景分析[J].暖通空調(diào), 2004, 34(8): 25-29.

[5]鄧波,等.污水源熱泵與中水回用結(jié)合系統(tǒng)在住宅小區(qū)的應(yīng)用[J].暖通空調(diào), 2007,37(3):105-109.

Study on the Application of Membrane Biological Reactor (MBR) and Sewage Source Heat Pump in Green Campus Construction

CUI Ying, BAI Li-xia, GU Ling

(DepartmentofEnvironmentalEngineering,TianjingBohaiVocationalTechnicalCollege,Tianjin300402,China)

In order to construct green campus, membrane biological reactor (MBR) and sewage source heat pump technology were applied in campus wastewater comprehensive treatment and utilization system. The efficiency of wastewater treatment, water resource utilization and heat recovery were evaluated. In addition, the technological economy was analyzed based on operation result. The study showed that MBR process was effective to treat campus wastewater. The effluent quality from MBR system could meet the standard of reclaimed water and could be used for landscaping and replenishment. The sewage heat pump system reclaimed heat energy from the MBR effluent. The heat energy could be utilized in heating and cooling for campus buildings. The MBR and sewage source heat pump system had significant economic and environmental benefits for constructing green campus.

Membrane biological reactor; sewage source heat pump; green campus

2014-08-18

天津市教委科研計劃項目(20120523)。

崔迎(1979-)，女，天津人，2004年畢業(yè)于南京理工大學(xué)環(huán)境工程專業(yè)，碩士，副教授，主要研究方向為環(huán)境工程。

X703.1

A

1001-3644(2015)02-0069-04