膜生物反应器与污水源热泵技术在建设绿色校园中的应用研究

崔　迎, 白丽霞, 顾　玲

(天津渤海职业技术学院环境工程系，天津　300402)

· 治理技术 ·

膜生物反应器与污水源热泵技术在建设绿色校园中的应用研究

崔迎, 白丽霞, 顾玲

(天津渤海职业技术学院环境工程系，天津300402)

为实现绿色校园建设，以膜生物反应器(MBR)技术和污水源热泵技术联用方法构建了校园污水综合处理与利用系统，考察了该系统对污水处理及水资源回收和热能回收的实际运行效果，并通过生产运行结果对该系统的技术经济性进行分析。MBR工艺可有效处理校园污水并实现回用，回收水资源用于校园绿化、景观湖补水等用途；污水源热泵技术可回收污水冷热能用于部分校内建筑的采暖与供冷。膜生物反应器与污水源热泵都具有较显著的经济效益和环境效益，适合于绿色校园建设。

膜生物反应器; 污水源热泵; 绿色校园

坚持生态文明建设和科学发展观，建设环境友好型、资源节约型的可持续发展社会，是中华民族健康发展的基石。高校是人口高度集中、资源消耗的大户，推进绿色校园建设，营造可持续发展的校园文化和环境已成为高校建设的重要内容。资源、能源的高效利用与循环利用是校园生态环境建设的重要组成部分[1,2]。高校是城市用水和排水的大户，建设中水回用系统，以校园优质杂排水为原水经再生处理后，可用于校园绿化、灌溉等。膜生物反应器(MBR)工艺在污水处理及再生利用中具有先进、高效、集成化等特点，是一项具备广泛应用前景的污水处理技术。同时，污水温度相对较高，将其赋存的热能回收利用是污水资源化利用的另一有效途径。污水源热泵是以污水作为热源进行制冷、制热循环的一种空调装置，具有热量输出稳定，COP值高，换热效果好等优点，近年来在高校浴室污水余热的回收利用中有较多应用[3]。将MBR工艺与污水源热泵技术结合，既可以实现污水的达标排放和再生利用，又可以充分实现清洁能源的高效利用。本研究针对采用MBR工艺和污水源热泵技术的校园污水综合利用系统，全面分析其运行效果与产生的经济、环境和社会效益，探讨它们在推进绿色校园建设中的作用。

1　校园污水综合利用系统构成

校园污水综合利用系统包括污水处理与热能回收两个生产车间，系统结构图如图1所示。

图1　校园污水综合利用系统Fig.1　The comprehensive utilization system of the campus wastewater

污水处理及回用车间进水为来自于学生宿舍的生活污水和食堂、洗浴废水，采用A2O-MBR工艺，设计出水水质达到《城市污水再生利用景观环境用水水质》(GB/T 18921-2002)，出水可用于校园绿化、灌溉及景观补水等。污水热能回收车间采用污水源热泵技术回收处理出水中的热能，用于车间和学院部分实训室的供暖和制冷。

2　污水处理及回用效果及效益分析

2.1污水处理工艺

污水处理及回用车间日处理水量为100m3/d，主体工艺为A2O-MBR，工艺流程见图2所示。

图2　污水处理单元流程Fig.2　Schematic process diagram of the campus wastewater treatment plant

MBR系统采用的是天津膜天膜公司出厂的FP系列PVDF帘式内置式膜组件，单片膜面积为12m2，共有32片膜。A2O-MBR系统的运行参数如下：平均产水量为4.5 m3/h；膜运行方式为抽吸产水8 min，停止2min；膜池混合液污泥浓度为4.0～9.0 g/L；好氧池回流比为300%，膜池回流比为300%～500%，缺氧池回流比为100%。

2.2处理效果

污水处理及回用车间于2012年初投入使用，在运行工况达到稳定期间取样分析系统的处理效率，结果如图3所示。系统对COD的平均去除率达到92.7%，NH3-N平均去除率达到98.5%，TN的平均去除率达到73.6%。图3中TN浓度超过15mg/L的情况主要发生在冬季低水温期间。由于进水碳源限制，生物除磷过程受进水碳源的组成及含量的影响，在优先保证脱氮效果的情况下，试验期间MBR系统对TP的去除率波动较大。为保证TP的达标去除，在MBR系统后续设置了辅助化学除磷单元进一步去除TP。

图3　A2O-MBR系统去除效果Fig.3　The pollutants removal efficiency of A2O-MBR system

经过近两年的运行，车间处理效果稳定，在常温状态下各项污染物指标均达到《城市污水再生利用 景观环境用水水质》(GB/T 18921-2002)的限值要求；低温时，TN的去除效率有所下降，出现超标的情况，如表1所示。

表1　污水处理及回用车间的进出水水质

注：*经过后续化学除磷处理

2.3污水处理车间效益分析

2.3.1投资及运行费用

污水处理车间的总投资如表2所示。

表2　污水处理车间总投资

污水处理车间项目总投资74万元，按照折旧年限15年计算，每年计提折旧费为4.93万元；根据近两年的运行数据，污水处理车间的运行费用包括动力费1.05万元/年、药剂费0.10万元/年、人工费0.30万元/年，以及维修费0.30万元/年，年运行成本共6.68万元/年。

2.3.2效益分析

校园污水经污水处理及回用车间处理后可用于学院景观湖补水、绿化、道路清洗等。按照天津市自来水价4.90元/m3计算污水回用可节约的自来水费用：

(1)学院绿化面积约为10000m2，按绿化用水量2 L/m2.d计算，每年使用自来水的费用为2L/m2.d×10000m2×4.90元/m3=3.60万元/年；

(2)学院道路面积约为5000m2，按冲洗道路用水量2 L/m2.d计算，每年用水费用为2 L/m2.d×5000m2×4.90元/m3=1.80万元/年；

(3)学院人工湖面积约5000m2，蒸发渗漏补水量按10 mm/d考虑，则每年补水的费用为5000×0.01×4.90元/m3=8.90万元/年。

若使用新鲜自来水上述3项用水途径每年共需水费14.3 万元，根据污水车间运行成本计算，采用再生水替代自来水后，每年可节约水费约7.42万元。另一方面，车间处理出水除用于绿化灌溉外，剩余部分就近排入城镇河道，解决了原来污水直接排入水体带来的污染问题，较好地维护了区域生态环境。

3　污水热能回收经济性分析

3.1热泵系统分析

本系统采用A2O-MBR处理出水作为能源，经膜过滤后的出水水质优良稳定，尤其是悬浮物质基本完全去除，因此采用直接热泵系统。经实际测量，校园污水A2O-MBR处理系统的出水水温范围为12 ℃～25 ℃(寒暑假期间水量少，系统闲置，避开高、低水温期)，热泵系统设计利用温差(Δt)为6℃，因此污水源热泵机组冬季进出水最低温度为12℃/6℃，夏季进出水最高温度为25℃/31℃，均在正常排放和中水利用的温度许可范围内[4，5]。

A2O-MBR系统平均产水量为4.5m3/h。采用日平均小时流量进行污水可利用冷热量(q)的计算：

式中，Q为热泵系统进水流量，m3/h；

Δt为系统温差，6℃；

ε为系统制热及制冷效率。

热泵系统制热效率为3.7，制冷效率为4.5。因此，可以计算得出该系统可利用热、冷分别为43.03kW和40.38kW。热泵系统主要供给车间和学院部分实训室的供暖和制冷，总计供热面积为870m2，制冷面积为650m2(车间内生产区域不制冷)，供热供冷设计符合分别为45W/m2和60 W/m2，因此热泵系统可满足负荷要求。

在实际运行过程，由于热泵系统采用MBR的膜处理出水，水质清洁，基本无污堵情况，管道内腐蚀结垢情况尚不明显。运行主要问题在于校园污水的水量小，波动性较大，导致热泵系统产能不稳定。为此，对校园食堂、浴室、宿舍等用水量较大建筑的排水管线进行检查和改造，确保污水收集量，并对污水处理系统前端的集水池进行了扩大改造，对进水量进行削峰蓄水。经过改造后，热泵系统可利用污水流量基本保持稳定，时变化系数明显降低，热泵产能稳定性得到保证。

3.2热能回收车间效益分析

3.2.1投资及运行费用

污水热能回收车间的投资主要包括污水源热泵机组、新风机组及风机盘管等设备投资，总投资及明细如表3所示。

表3　污水热能回收车间投资费用

(1)空调季运行电费：从2013年6月10日至2013年9月10日期间计量用电量，共90天，总计用电量9600kWh。按照天津市0.49元/kWh的电费标准，整个制冷季的电费为0.47万元。考虑到设备维护、少量人工费等则整个夏季的运行费用约为0.92万元。

(2)采暖季运行电费：从2013年11月15日至2014年3月15日期间计量用电量，共120天，总计用电量33470kWh，整个采暖季的电费为1.64万元。综合考虑整个采暖季的运行费用约为2.24万元。空调及采暖季运行费用合计为3.16万元。

3.2.2效益分析

我院冬季采用集中供暖，按热泵系统供暖面积870m2，集中采暖费36元/m2计算，则每年集中采暖费用为3.13万元/年；夏季采用分体式空调制冷，按照年运行90天，每天运行12h，空调面积650 m2，冷负荷60W/m2计，则采用分体空调的年费用约为2.06万元/年。因此，常规采暖与空调年运行费用总支出约为5.19万元。对比污水源热泵的运行费用，每年可以节约2.03万元。

可见“采用”污水源热泵不仅可获得较好的经济效益，还可大大节约能源，同时不会产生燃煤过程中的粉尘、烟尘、二氧化硫、氮氧化合物等大气污染物的排放，在当前雾霾天气普遍肆虐的背景下具有显著的环境效益。

4　结　语

4.1采用A/A/O-MBR工艺(辅助化学除磷)处理校园生活污水，除在低温时TN略有超标外，出水效果良好，出水可用于校园的绿化、灌溉等，经济效益和环保效益明显。

4.2采用直接利用形式的污水源热泵系统，以MBR系统出水为热源，可回收污水中的冷热能，用于校园供暖制冷。

4.3将A/A/O-MBR系统与污水源热泵空调系统相结合，具有系统结构简单、节能环保、技术经济可行性强的特点，是打造“绿色校园”的可行方案之一。

[1]石铁矛, 李硕.走进绿色校园—以沈阳建筑大学校园建设为例[J]. 工程力学, 2012,(12):9-14.

[2]姜其华, 李清秀.提倡节能环保 建设绿色校园[J]. 科技信息, 2012,(35):797-798.

[3]李峥嵘,等.污水源热泵热水系统在高校集中浴室的应用分析[J]. 建筑热能通风空调, 2013,32(5):47-49.

[4]周文忠, 李建兴, 涂光备.污水源热泵系统和污水冷热能利用前景分析[J].暖通空调, 2004, 34(8): 25-29.

[5]邓波,等.污水源热泵与中水回用结合系统在住宅小区的应用[J].暖通空调, 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

天津市教委科研计划项目(20120523)。

崔迎(1979-)，女，天津人，2004年毕业于南京理工大学环境工程专业，硕士，副教授，主要研究方向为环境工程。

X703.1

A

1001-3644(2015)02-0069-04