低温污水源热泵在污水厂采暖及生化池提温中的应用

2021-06-07王巧霞

科技创新与应用 2021年14期

王巧霞

（中国市政工程西北设计研究院有限公司，甘肃兰州730000）

寒冷地区污水企业存在的问题主要有以下两个方面：一是污水厂处于城市下游地区，无集中供暖和天然气，厂区供暖很难解决；二是北方地区冬季11月~次年4月因环境温度和排放的中水温度原因，进入污水厂中原水温度为4~12℃，当生化反应池池水温度低于7.0℃时，不能满足生物菌的活性，生物菌进入休眠无繁殖状态，污水生化反应停止，污水中氨、氮、磷等指标严重不达标，故需在污水温度低于7.0℃时，将生化反应池中的水温提高到12℃以上，使污水处理能够正常运行。

故在生化反应池中的水温低于7.0℃时加热池水是非常必要的，如果不增加这一环节，会直接影响污水处理的达标排放。反之，对促进城镇环境的改善、对保障区域内江河水的水质都具有重要促进作用。

1 低温污水源热泵系统运行的工作原理

1.1 机组加热模式

低温污水源热泵是按照“逆卡诺循环”原理工作的，简单来说，首先冰盘管蒸发器作为热交换器从进入其中的中水中吸热或相变取热，中水加热低沸点工质（冷媒）并使其蒸发，变为低温低压的气体，冷媒蒸汽经气液分离器后，气液分开，然后低温低压的气体经由压缩机压缩升温后变为高温高压的气体进入油分离器，再进入壳管式换热器（冷凝器），将热量释放加热污水后冷凝液化，最后节流（电子膨胀阀）降压降温回到冰盘管蒸发器进入下一个循环。

1.2 中水循环模式

集装箱式冰盘管蒸发器与进入其中的中水（6℃）进行换热加热冷媒，降温后的中水（0℃相变放热）直接排出。

1.3 冬季水温提升模式

（1）生化反应池加热

6℃左右污水经过一级污水泵、二级旋流除砂器、含100目不锈钢过滤网除污器、含100目不锈钢过滤网过滤器处理后，与壳管式换热器进行换热，换热后污水温度达到12~18℃生物菌的活性温度。经过加热后的污水进入厌氧池和好氧池。

（2）采暖

采暖回水经除污器后，与壳管式换热器进行换热，换热后水温达到供暖温度供给热用户（见图1）。

2 低温污水源热泵系统设计

2.1 工艺流程

（1）原水加热系统

4～12℃原水——原水提升泵——一级旋流除砂器——二级旋流除砂器——除污器——过滤器——集装箱式螺杆式污水源热泵撬装机组——加热后原水（25~30℃）——配水井（与≥4℃的原水混合）——水温≥12～18℃进入生化反应池。

图1 水温提升系统流程图

（2）中水取热系统

≤4～12℃中水——中水提升泵——集装箱撬装式翅片管蒸发器机组——中水换热后-0.5～4℃后排放。

2.2 厌氧池需要单位热量计算

其中，Q-热量，kW；m-质量，kg；C-比热容，4.2KJ/KG，℃；考虑极端天气、热损耗的因素，加大20%热量。

2.3 采暖热负荷计算

其中，Q-热负荷（W）；S-采暖面积（m2）；q-单位采暖面积热指标（W/m2）（办公楼供暖热负荷指标要求≤65W/m2，其他生产性厂房供暖热负荷指标要求≤130W/m2）。

2.4 换热工况

换热工况是指系统中各节点（地面非洁净水的进、出口，中介水的进、出口，蒸发器，冷凝器等）的温度和各环路（地面非洁净水环路，中介水环路）的流量。这些参数首先须保证系统能够达到使用效果。在此前提下，它们将直接决定机组、各换热器、水泵等设备的投资和系统的运行费用。

蒸发温度高些，冷凝温度低些，机组可获得较高的能源效率。但它们又分别受到现有与需求条件的限制。冷凝温度受末端使用条件的限制。通常末端只能是风机盘管或地面采暖。蒸发温度受污水源水水温和水量的限制。污水水源水降温后最低温度应为1℃以上，以避免冻坏管路。

在考虑使用效果、运行效率的同时，须避免选用过大的换热面积，兼顾换热设备的初投资。在考虑使用大水量运行以提高换热效果的同时，也须顾及水泵的耗功。

3 工程实例（以昌都市污水处理厂二期改扩建工程为例）

昌都市污水处理厂二期改扩建工程需采暖的建筑物建筑面积总共为6342m2，冬季污水日处理量为15000m3，中水最低排放温度6℃。冬季厌氧池水温要求控制在12~18℃，才能保持生物菌的生化反应。现根据建设单位要求，拟采用提取中水的热量——污水源热泵技术为厌氧池加热提供热源，进行热源系统设计、选型。

3.1 热源设计

本项目利用污水源热泵为生物反应池加热和厂区采暖，污水日处理量按15000m3/日设计。污水入口冬季最低入口水温4℃，生物反应池中生物菌进入休眠无繁殖状态，污水生化反应停止，污水不达标。冬季通过提取污水中的低位热能，将生物反应池中的水温提升至≥12℃，使生物菌保持活性进行污水生化反应。

采暖供回水温度为55/45℃。

3.2 设计基础参数

室外主要气象参数（冬季）：

大气压力67990Pa；

室外供暖计算干球温度-5.9℃；

通风室外干球温度-2.3℃；

室外平均风速：0.9m/s；

最大冻土深度：81cm；

采暖天数：148天。

3.3 生化反应池升温设计

3.3.1 生化反应池池水加热

昌都市污水处理厂污水收集管网进水在11月至次年4月，特别是12月至次年2月平均水温只有4℃，生化反应池池水温度低于7.0℃时，生物菌进入休眠无繁殖状态，污水生化反应停止，污水不达标，故需在冬季提高生化反应池的水温≥12℃，使之污水处理正常运行。

本项目拟采用污水源热泵为升温热源，加热生化反应池进水口处的部分池水至30℃，再与其余池水混合后达到12~18℃后，进入生化反应池进行生化反应。

3.3.2 设计计算

（1）每天污水进水加热24小时。冬季污水日处理量为15000m3。

生化反应池需要单位热量：

考虑到污水厂区发展，污水量的增加，预留20%的余量，需要的热量为：

（2）起始时段或停电后用污水相变热，可提取的热量

第一阶段：污水从4℃降到0℃，每小时可以提取的热量为

第二阶段：污水从0℃降到-0.5℃，污水变为冰水混合物时进行相变放热，凝固潜热为79.6kcal/kg，则每小时可以提取的热量为Q2=15000×1000×79.6/0.86/1000/24=57849kW，即污水相变热可以提供的总热量为57849kW+2917kW=60766kW。

（3）水温恒定后，污水可以提取的总热量

提取总热量

（4）污水厂采暖热负荷

经过计算，本污水厂采暖热负荷为654kW。

以上核算污水余热利用的热量可以满足生化反应池的热量和采暖热量。

3.4 生化反应池升温设计

（1）主机选型

根据已有参数，蒸发温度2℃，冷凝温度60℃，选用螺杆式污水源热泵撬装机组2台，单台机组制热量1333.5kW×3，制冷能效比4.905，制热能效比5.906；中水采用撬装式翅片管蒸发器提取热量，取热后最低排放温度为0℃，污水入口加热器采用镍白铜换热器，端板为316L不锈钢换热器，将水温度提升到12℃。

机组工作模式说明：采用10kV电机螺杆式污水源热泵撬装机组2台，制热量8000kW，满足污水温度提升到≥12℃需求。

（2）集装箱撬装式翅片管蒸发器选型

根据6642kW的蒸发量，选取3台2220kW的翅片管蒸发器。