王巧霞

（中國市政工程西北設(shè)計(jì)研究院有限公司，甘肅 蘭州730000）

寒冷地區(qū)污水企業(yè)存在的問題主要有以下兩個(gè)方面：一是污水廠處于城市下游地區(qū)，無集中供暖和天然氣，廠區(qū)供暖很難解決；二是北方地區(qū)冬季11月~次年4月因環(huán)境溫度和排放的中水溫度原因，進(jìn)入污水廠中原水溫度為4~12℃，當(dāng)生化反應(yīng)池池水溫度低于7.0℃時(shí)，不能滿足生物菌的活性，生物菌進(jìn)入休眠無繁殖狀態(tài)，污水生化反應(yīng)停止，污水中氨、氮、磷等指標(biāo)嚴(yán)重不達(dá)標(biāo)，故需在污水溫度低于7.0℃時(shí)，將生化反應(yīng)池中的水溫提高到12℃以上，使污水處理能夠正常運(yùn)行。

故在生化反應(yīng)池中的水溫低于7.0℃時(shí)加熱池水是非常必要的，如果不增加這一環(huán)節(jié)，會(huì)直接影響污水處理的達(dá)標(biāo)排放。反之，對(duì)促進(jìn)城鎮(zhèn)環(huán)境的改善、對(duì)保障區(qū)域內(nèi)江河水的水質(zhì)都具有重要促進(jìn)作用。

1 低溫污水源熱泵系統(tǒng)運(yùn)行的工作原理

1.1 機(jī)組加熱模式

低溫污水源熱泵是按照“逆卡諾循環(huán)”原理工作的，簡(jiǎn)單來說，首先冰盤管蒸發(fā)器作為熱交換器從進(jìn)入其中的中水中吸熱或相變?nèi)?，中水加熱低沸點(diǎn)工質(zhì)（冷媒）并使其蒸發(fā)，變?yōu)榈蜏氐蛪旱臍怏w，冷媒蒸汽經(jīng)氣液分離器后，氣液分開，然后低溫低壓的氣體經(jīng)由壓縮機(jī)壓縮升溫后變?yōu)楦邷馗邏旱臍怏w進(jìn)入油分離器，再進(jìn)入殼管式換熱器（冷凝器），將熱量釋放加熱污水后冷凝液化，最后節(jié)流（電子膨脹閥）降壓降溫回到冰盤管蒸發(fā)器進(jìn)入下一個(gè)循環(huán)。

1.2 中水循環(huán)模式

集裝箱式冰盤管蒸發(fā)器與進(jìn)入其中的中水（6℃）進(jìn)行換熱加熱冷媒，降溫后的中水（0℃相變放熱）直接排出。

1.3 冬季水溫提升模式

（1）生化反應(yīng)池加熱

6℃左右污水經(jīng)過一級(jí)污水泵、二級(jí)旋流除砂器、含100目不銹鋼過濾網(wǎng)除污器、含100目不銹鋼過濾網(wǎng)過濾器處理后，與殼管式換熱器進(jìn)行換熱，換熱后污水溫度達(dá)到12~18℃生物菌的活性溫度。經(jīng)過加熱后的污水進(jìn)入?yún)捬醭睾秃醚醭亍?/p>

（2）采暖

采暖回水經(jīng)除污器后，與殼管式換熱器進(jìn)行換熱，換熱后水溫達(dá)到供暖溫度供給熱用戶（見圖1）。

2 低溫污水源熱泵系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 工藝流程

（1）原水加熱系統(tǒng)

4～12℃原水——原水提升泵——一級(jí)旋流除砂器——二級(jí)旋流除砂器——除污器——過濾器——集裝箱式螺桿式污水源熱泵撬裝機(jī)組——加熱后原水（25~30℃）——配水井（與≥4℃的原水混合）——水溫≥12～18℃進(jìn)入生化反應(yīng)池。

圖1 水溫提升系統(tǒng)流程圖

（2）中水取熱系統(tǒng)

≤4～12℃中水——中水提升泵——集裝箱撬裝式翅片管蒸發(fā)器機(jī)組——中水換熱后-0.5～4℃后排放。

2.2 厭氧池需要單位熱量計(jì)算

其中，Q-熱量，kW；m-質(zhì)量，kg；C-比熱容，4.2KJ/KG，℃；考慮極端天氣、熱損耗的因素，加大20%熱量。

2.3 采暖熱負(fù)荷計(jì)算

其中，Q-熱負(fù)荷（W）；S-采暖面積（m2）；q-單位采暖面積熱指標(biāo)（W/m2）（辦公樓供暖熱負(fù)荷指標(biāo)要求≤65W/m2，其他生產(chǎn)性廠房供暖熱負(fù)荷指標(biāo)要求≤130W/m2）。

2.4 換熱工況

換熱工況是指系統(tǒng)中各節(jié)點(diǎn)（地面非潔凈水的進(jìn)、出口，中介水的進(jìn)、出口，蒸發(fā)器，冷凝器等）的溫度和各環(huán)路（地面非潔凈水環(huán)路，中介水環(huán)路）的流量。這些參數(shù)首先須保證系統(tǒng)能夠達(dá)到使用效果。在此前提下，它們將直接決定機(jī)組、各換熱器、水泵等設(shè)備的投資和系統(tǒng)的運(yùn)行費(fèi)用。

蒸發(fā)溫度高些，冷凝溫度低些，機(jī)組可獲得較高的能源效率。但它們又分別受到現(xiàn)有與需求條件的限制。冷凝溫度受末端使用條件的限制。通常末端只能是風(fēng)機(jī)盤管或地面采暖。蒸發(fā)溫度受污水源水水溫和水量的限制。污水水源水降溫后最低溫度應(yīng)為1℃以上，以避免凍壞管路。

在考慮使用效果、運(yùn)行效率的同時(shí)，須避免選用過大的換熱面積，兼顧換熱設(shè)備的初投資。在考慮使用大水量運(yùn)行以提高換熱效果的同時(shí)，也須顧及水泵的耗功。

3 工程實(shí)例（以昌都市污水處理廠二期改擴(kuò)建工程為例）

昌都市污水處理廠二期改擴(kuò)建工程需采暖的建筑物建筑面積總共為6342m2，冬季污水日處理量為15000m3，中水最低排放溫度6℃。冬季厭氧池水溫要求控制在12~18℃，才能保持生物菌的生化反應(yīng)。現(xiàn)根據(jù)建設(shè)單位要求，擬采用提取中水的熱量——污水源熱泵技術(shù)為厭氧池加熱提供熱源，進(jìn)行熱源系統(tǒng)設(shè)計(jì)、選型。

3.1 熱源設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目利用污水源熱泵為生物反應(yīng)池加熱和廠區(qū)采暖，污水日處理量按15000m3/日設(shè)計(jì)。污水入口冬季最低入口水溫4℃，生物反應(yīng)池中生物菌進(jìn)入休眠無繁殖狀態(tài)，污水生化反應(yīng)停止，污水不達(dá)標(biāo)。冬季通過提取污水中的低位熱能，將生物反應(yīng)池中的水溫提升至≥12℃，使生物菌保持活性進(jìn)行污水生化反應(yīng)。

采暖供回水溫度為55/45℃。

3.2 設(shè)計(jì)基礎(chǔ)參數(shù)

室外主要?dú)庀髤?shù)（冬季）：

大氣壓力67990Pa；

室外供暖計(jì)算干球溫度-5.9℃；

通風(fēng)室外干球溫度-2.3℃；

室外平均風(fēng)速：0.9m/s；

最大凍土深度：81cm；

采暖天數(shù)：148天。

3.3 生化反應(yīng)池升溫設(shè)計(jì)

3.3.1 生化反應(yīng)池池水加熱

昌都市污水處理廠污水收集管網(wǎng)進(jìn)水在11月至次年4月，特別是12月至次年2月平均水溫只有4℃，生化反應(yīng)池池水溫度低于7.0℃時(shí)，生物菌進(jìn)入休眠無繁殖狀態(tài)，污水生化反應(yīng)停止，污水不達(dá)標(biāo)，故需在冬季提高生化反應(yīng)池的水溫≥12℃，使之污水處理正常運(yùn)行。

本項(xiàng)目擬采用污水源熱泵為升溫?zé)嵩矗訜嵘磻?yīng)池進(jìn)水口處的部分池水至30℃，再與其余池水混合后達(dá)到12~18℃后，進(jìn)入生化反應(yīng)池進(jìn)行生化反應(yīng)。

3.3.2 設(shè)計(jì)計(jì)算

（1）每天污水進(jìn)水加熱24小時(shí)。冬季污水日處理量為15000m3。

生化反應(yīng)池需要單位熱量：

考慮到污水廠區(qū)發(fā)展，污水量的增加，預(yù)留20%的余量，需要的熱量為：

（2）起始時(shí)段或停電后用污水相變熱，可提取的熱量

第一階段：污水從4℃降到0℃，每小時(shí)可以提取的熱量為

第二階段：污水從0℃降到-0.5℃，污水變?yōu)楸旌衔飼r(shí)進(jìn)行相變放熱，凝固潛熱為79.6kcal/kg，則每小時(shí)可以提取的熱量為Q2=15000×1000×79.6/0.86/1000/24=57849kW，即污水相變熱可以提供的總熱量為57849kW+2917kW=60766kW。

（3）水溫恒定后，污水可以提取的總熱量

提取總熱量

（4）污水廠采暖熱負(fù)荷

經(jīng)過計(jì)算，本污水廠采暖熱負(fù)荷為654kW。

以上核算污水余熱利用的熱量可以滿足生化反應(yīng)池的熱量和采暖熱量。

3.4 生化反應(yīng)池升溫設(shè)計(jì)

（1）主機(jī)選型

根據(jù)已有參數(shù)，蒸發(fā)溫度2℃，冷凝溫度60℃，選用螺桿式污水源熱泵撬裝機(jī)組2臺(tái)，單臺(tái)機(jī)組制熱量1333.5kW×3，制冷能效比4.905，制熱能效比5.906；中水采用撬裝式翅片管蒸發(fā)器提取熱量，取熱后最低排放溫度為0℃，污水入口加熱器采用鎳白銅換熱器，端板為316L不銹鋼換熱器，將水溫度提升到12℃。

機(jī)組工作模式說明：采用10kV電機(jī)螺桿式污水源熱泵撬裝機(jī)組2臺(tái)，制熱量8000kW，滿足污水溫度提升到≥12℃需求。

（2）集裝箱撬裝式翅片管蒸發(fā)器選型

根據(jù)6642kW的蒸發(fā)量，選取3臺(tái)2220kW的翅片管蒸發(fā)器。

4 結(jié)束語

使用污水源熱泵的優(yōu)勢(shì)主要有以下兩點(diǎn)：

（1）污水廠中的污水經(jīng)過污水廠處理后，直接排出，造成污水中的大量熱量流失，熱量未能被有效利用。通過集裝箱式撬裝機(jī)組和冰盤管蒸發(fā)器提取污水中的熱量加熱生化反應(yīng)池（12℃以上的環(huán)境中才能滿足厭氧菌和好氧菌活性）和滿足廠區(qū)的采暖，熱量被有效利用，有著顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

（2）低溫污水源熱泵供熱時(shí)省去了燃煤、燃?xì)?、燃油等鍋爐房系統(tǒng)，沒有燃燒過程，避免了排煙污染；供冷時(shí)省去了冷卻水塔，避免了冷卻塔的噪音及霉菌污染。不產(chǎn)生任何廢渣、廢水、廢氣和煙塵，環(huán)境效益顯著。