严寒地区冬季大棚保温对污水厂运行效率的影响

战乃岩，徐 玥，周吾波，赵 可

(吉林建筑大学市政与环境工程学院，吉林 长春 130118)

严寒地区冬季大棚保温对污水厂运行效率的影响

战乃岩，徐 玥，周吾波，赵 可

(吉林建筑大学市政与环境工程学院，吉林 长春 130118)

针对严寒地区气温低、污水厂运行效率差的问题，利用试验测试和仿真模拟等技术手段分析了大棚内空气吸收太阳辐射热后的温度分布及流动特性，对严寒地区冬季低温条件下污水厂如何利用大棚保温技术进行了研究.结果表明：曝气池外扣棚的主要作用是保温，而非吸收太阳辐射热，冬季曝气池扣棚能够减小曝气池内水温波动，对污水处理厂的稳定运行起到了一定作用；冬季曝气池外扣棚时，出口平均水温为12.9℃，出口水温比进口水温升高2.1℃左右，这主要是由于曝气池内发生化学反应释放出的热量导致曝气池内水温升高，而非太阳辐射热量的影响.在严寒地区冬季低温工况下，当棚内充入热空气后，棚内空气温度升高22℃～29℃，曝气池出口水温升高2.0℃～2.5℃.利用回收余热提升棚内温度是一种有效措施.

严寒地区；大棚保温；污水处理；效率

我国严寒地区冬季气温低、冰冻期长，污水处理厂置于户外致使其长期处于低温运行状态，进水负荷波动较大，导致有效生物量降低和生化代谢活性减弱，出现污水厂运行不稳定、水质恶化，尤其是氮磷和有机物含量超标等情况.同时，受低温影响，物化和生化作用显著降低，而传统工艺又难以有效去除污染物，使得污水厂运行效能下降，严重影响受纳支流或干流水体的水质安全.因此，提高污水厂冬季运行效率势在必行.

国外学者在强化污水处理技术理论与实验方面做了大量的研究，尤其是北美、北欧等高寒地区发达国家在低温季节污水防治的研究方面拥有先进的技术和经验，而其最常用的方法是通过强化低温季节排污点源的治理技术降低水体污染.其中，P.Gostelow等[1]在10℃条件下，向SBR反应器中投加20℃下驯化的硝化菌，观察其能否达到理想的硝化效果，分析了温度的急剧下降对系统硝化效率的影响；D.Gang等[2]研究了活性污泥处理系统中，温度变化对强化生物除磷反应器除磷效果、磷的释放和吸收机制的影响，并检测了在不同温度下分离的菌株储存磷酸盐的能力.

我国在低温期水体污染综合防治方面的研究主要集中在东北地区的科研院校等.目前我国提高低温污水处理厂运行效率的方法主要有两种，一种是改造传统污水厂的运行工艺，增设厌氧和缺氧段，强化氮磷的去除；另一种是在污水厂生化池中投加适当比例的关键填料，在原有好氧池内营造适宜厌氧菌和缺氧菌生存的环境，形成复合式生物处理系统，强化氮磷的去除.如：哈尔滨工业大学的蒋安玺等[3]利用从下水道中分离出的对生活污水中有机污染物有降解能力的耐冷菌，研究了耐冷复合菌群对低温生活污水的处理作用；尹军等[4-5]进行了腐殖土壤强化SBR工艺运行效能的试验研究；吴敏等[6]对如何改善活性污泥沉降与脱水性能进行了研究；王美莲等[7]通过监测活性污泥中的水分含量，对污泥的脱水作用进行了细化分析；郑冰玉等[8]研究了温度与浓度对污泥水解及脱水性能的影响.

以上研究对严寒地区污水处理的改善取得了一定效果，但尚无利用太阳辐射、应用大棚保温技术强化冬季污水处理技术的研究.本文在上述研究基础上，对我国东北严寒地区冬季低温条件下污水厂水质特点进行了调研，通过实验监测了曝气池外扣棚后棚内空气温度及曝气池水温的变化，并利用仿真技术对相同工况进行了模拟，分析了大棚保温及余热回收对污水处理效率的影响；同时优化了大棚形状，探讨了严寒地区冬季大棚保温对污水处理厂运行效率的影响.

1 基本模型与数学描述

1.1 问题描述与模型

图1 物理模型

为使数值模拟结果尽可能符合实际，并能在一定程度上指导实际工程，模型建立及计算过程中需设置的参数尽量参考工程实际数据.污水厂曝气池大棚保温模型如图1所示：下部为水泥浇筑曝气池，L为水池长，W为宽，H为高，池内流通待处理污水，水面上方充有空气，在曝气池上部扣盖塑料大棚.水入口温度为ti，出口温度为to，太阳辐射强度为q.

1.2 数学描述

控制方程为：

(1)

(2)

(3)

1.3 计算方法验证

为检验算法的精确度，利用ANSYS软件，采用具有QUICK差分格式的SIMPLE算法，对上述的几个算例进行计算，并进行比较.

表1为利用ANSYS软件计算的不同进口水温时所得的出口水温与利用FORTRAN语言编程得出的结果.由表1可见，两种方法计算结果基本一致，误差均小于4%.

表1 两种计算方法结果对比

2 试验测试介绍

2.1 工艺流程

工业污水经简单处理后与生活污水一同排入市政管网，污水经由管网进入水厂后，首先依次通过粗格栅、沉砂池和细格栅，运用物理方法把污水中粒径较大的悬浮物与无机颗粒除去，以减轻后续处理构筑物的负荷；然后利用污水提升泵将经物理方法处理后的污水送至水解酸化池，利用水解酸化池将污水中的长链、难降解的大分子有机物转化为短链、易降解的小分子有机物；经水解酸化处理后的污水被送到AICS工艺的核心：厌氧—缺氧—好氧处理流程，经厌氧池的释磷及氨化作用、缺氧池的脱氮作用及好氧池的消化与摄磷作用处理后，污水经沉淀池进一步沉淀，COD，BOD，TN，TP，NH3—N等指标均可达到国家一级B标准，符合国家排放标准，排入水体.具体工艺流程如图2所示.

→水流方向 1.集水井 2.粗格栅 3.沉砂池 4.细格栅 5.水解酸化池

2.2 测试方法及设备

图3 测点布置平面图

试验采用测温范围为-110℃～50℃，分辨率为0.1℃的酒精-玻璃温度计，对吉林省某污水处理厂的10个测点进行34 d(2013年11月13日—2013年12月17日)的逐时温度监测.其中，曝气池内测温点布置如图3所示.图3中测点2为曝气池入口/水解酸化池出口水温测试点；测点3，4，5依次为曝气池棚内入口、中间和里侧空气温度测试点；测点6为曝气池出口空气温度测试点；测点7为曝气池出口水温测试点；测点10为室外空气温度测试点.

3 结果分析

由于曝气池内影响其运行效率的因素主要是棚内空气温度和曝气池内的水温，因此，试验对某天24 h及连续34 d的曝气池进口水温、出口水温及室外空气温度进行了监测.

3.1 24 h逐时温度

试验对某天24 h曝气池进口水温、出口水温及室外空气温度进行了监测，棚内平均温度变化曲线如图4所示.

由图4可见，随着室外空气温度的升高，棚内空气温度逐渐升高.室外空气温度在中午12:00时达到最高，为-3℃，棚内空气温度也达到最高，为6.5℃.可见，冬季扣棚对曝气池具有一定的保温作用.模拟结果与试验结果变化趋势基本相同，但由于软件模拟选用棚膜材料的参数与试验选用材料存在差异，使得模拟结果中棚内空气平均温度的最大值出现在14:00，为5.9℃，与实际试验结果14:00时对应的5.6℃相差0.3℃，与试验结果出现的最大值6.5℃相差0.6℃.

曝气池进出口水温变化曲线如图5所示.由图5可见，曝气池进口水温最大值出现在13:00，为11.5℃；最小值出现在18:00，为10.1℃.曝气池出口水温最大值出现在中午11:00，为13.5℃；最小值出现在早晨2:00，为12.3℃.由此可见，大棚对曝气池起到了一定的保温作用.模拟结果基本较稳定，在11.6℃～11.8℃之间波动，与试验结果存在一定差别.但无论模拟结果还是试验结果，曝气池出口水温波动很小，偏差率小于8%.曝气池进口平均水温为10.8℃，出口平均水温为12.9℃，出口水温比进口水温升高2.1℃左右，这主要是由于曝气池内发生化学反应释放出的热量导致曝气池内水温升高，而非太阳辐射热量的影响.可见，曝气池外扣棚主要起到保温作用，并无吸收太阳辐射热的作用.

图4 棚内空气平均温度变化曲线

图5 曝气池进出口水温变化曲线

3.2 棚内空气温度监测分析

试验连续监测了34 d的棚内空气温度及室外环境温度，每天8:00和13:00的监测结果见图6、图7.

由图6可见，出口空气温度比棚内空气平均温度升高0.2℃左右，可见，曝气池外扣棚可起到较好的保温作用.此外，一天中8:00时棚内平均空气温度、室外平均气温都略低于13:00时的值(见图7)，室外环境温度波动很大(5.9℃)，但棚内空气平均温度波动微小(0.1℃)，这说明冬季曝气池外扣棚能有效减小棚内空气温度波动，可为曝气池提供高效率的运行环境.

图6 8:00气温监测记录

图7 13:00气温监测记录

3.3 水温监测分析

试验连续监测了34 d的曝气池进、出口水温及室外环境温度，每天8:00和13:00的监测结果见图8、图9.

由图8可见，8:00时曝气池的进口平均水温为12.3℃，出口平均水温为12.5℃，升高0.2℃，室外平均气温为-8.3℃；由图9可见，13:00时曝气池的进口平均水温为12.4℃，出口平均水温为12.6℃，升高0.2℃，室外平均气温为-2.4℃.

同一时刻曝气池出口平均水温比入口平均水温升高0.2℃；同时，一天中8:00时曝气池的进出口平均水温、室外平均气温都略低于13:00时的值，室外环境温度波动很大(5.9℃)，但曝气池进出口水温波动微小(0.1℃)，这说明冬季曝气池外扣棚能够减小曝气池内水温的波动，对污水处理厂的稳定运行起到了一定作用.

图8 8:00水温监测记录

图9 13:00水温监测记录

3.4 棚内充入热空气对流动和换热的影响

为使污水处理温度达到其有效工作温度，本研究向棚内充入回收的高温空气，通过对比未充入空气和充入空气两种工况，分析了棚内空气平均温度和曝气池出口水温，结果如图10、图11所示.

图10 棚内未充入空气时垂直于x轴中间截面温度分布图

图11 棚内充入热空气后垂直于x轴中间截面温度分布图

通过图10和图11的对比可见，当棚内充入热空气后，棚内空气温度升高22℃～29℃，曝气池出口水温升高2.0℃～2.5℃.因此在严寒地区冬季低温工况下，利用回收余热提升棚内温度是一种有效的措施.

4 结语

(1) 严寒地区冬季曝气池外扣棚可起到保温作用，无吸收太阳辐射热的作用.

(2) 严寒地区冬季曝气池外扣棚能减小棚内空气温度波动，可为曝气池高效运行提供稳定的环境.

(3) 当棚内充入热空气后，棚内空气温度升高22℃～29℃，曝气池出口水温升高2.0℃～2.5℃.在严寒地区冬季低温工况下，利用回收余热提升棚内温度是一种有效的措施.

[1] GOSTELOW P，PARSONS S A，SRUETZ R M.Odour measures for sewage treatment works[J].Water Research，2001，35(3)：579-597.

[2] GANG D，CLEVENGER T E，BANERJI S K.Relationship of chlorine decay and THMs formation to NOM size[J].Journal of Hazardous Materials，2003，96(1)：1-12.

[3] 蒋安玺，李德强，相会强，等.水解酸化-生物接触氧化工艺在抗生素废水处理中的应用[J].安全与环境学报，2002，2(4)：3-6.

[4] ZHAO K，YIN J，WANG L J.Perform ance improvement of SBR process by addition of humus soil[J].Journal of Harbin Institute of Technology，2009，41(4)：81-84.

[5] 尹军，赵可.腐殖活性污泥工艺在日本和韩国的应用[J].中国给水排水，2007，23(4)：101-104.

[6] 吴敏，潘孝辉，朱睿，等.腐殖土改善活性污泥沉降与脱水性能的研究[J].中国给水排，2009，25(9)：45-48.

[7] 王美莲，田家宇，潘志辉，等.活性污泥中的水分测定及其脱水性能[J].哈尔滨商业大学学报，2010，29(6)：285-290.

[8] 郑冰玉，苏高强，张亮，等.温度与污泥程度对剩余污泥水解及脱水性能的影响[J].北京工业大学学报，2013，39(12)：1905-1910.

(责任编辑：方 林)

The influence on sewage plant operation efficiency of heat preservation effect which greenhouses in winter produce in cold regions

ZHAN Nai-yan，XU Yue，ZHOU Wu-bo，ZHAO Ke

(Municipal and Environment Engineering Department，Jilin Jianzhu University，Changchun 130118，China)

Taking the low efficiency problem of the waste water treatment plant under low temperatures in cold regions as the background，experimental testing and numerical simulation were conducted to analyze the temperature distribution and air flow characteristics inside the greenhouses.The greenhouse insulation technology was studied under low temperature conditions in cold region.The results show that the main role is insulation using greenhouse outside the aeration tank rather than absorbing solar heat，that means fluctuation of temperature could be reduced with greenhouse which took an role in stable operation.The outflow of temperature is 12.9℃，which is 2.1℃ higher than the inlet，the main reason is that the heat which released by chemical reaction raise the temperature.It is an effective measure to use waste heat recovery to improve the greenhouse temperature under low temperatures in cold regions under the temperature raises 22℃～29℃ while the outflow of temperature raises 2.0℃～2.5℃.

cold region；greenhouse insulation；sewage treatment；efficiency

1000-1832(2015)04-0150-06

10.16163/j.cnki.22-1123/n.2015.04.031

2014-11-28

国家自然科学基金资助项目(51206061);吉林省科技发展计划项目(20130101073JC).

战乃岩(1975—)，女，博士，教授，主要从事工程热物理研究.

TK 124 [学科代码] 470·1020

A