污水處理(摘要)B降重[材料特制]

1、摘要：隨著我國經(jīng)濟的不斷發(fā)展，人民生活水平的不斷提高，城市居民所產(chǎn)生的生活污水也在呈現(xiàn)上升趨勢。所以我國這幾年大力發(fā)展籌建城市污水處理廠，預計到2016年初，我國城市的污水處理率將達到85%，比2010年末的77.5提高了7.5%；每天對應的新增污水處理能力大概為4569萬立方米。到那個時候全國每天污水處理能力將會達到20805萬立方米。污水源熱泵空調的應用發(fā)展正是由于污水廠出水量大，水資源集中，水質較好等優(yōu)越條件造就的。全力開發(fā)建設城市污水處理廠二級出水、污水源熱泵空調系統(tǒng)不僅能夠集中高效地利用污水中寶貴的冷熱資源，而且還可以給企業(yè)以及社會帶來巨大的經(jīng)濟收益和環(huán)保效益。本篇文章結合柳州市某一

2、污水處理廠建設污水源熱泵系統(tǒng)項目，全面分析了建立污水源熱泵系統(tǒng)向周邊地區(qū)供暖供冷的可行性。通過DeST建筑環(huán)境及HVAC系統(tǒng)模擬軟件平臺模擬了三種類型建筑的逐時動態(tài)負荷變化。通過實驗，結合模擬結果與污水的溫度、流量等測量數(shù)據(jù)，結合數(shù)據(jù)具體探討了污水的供熱供冷能力；還討論了這兩個重要問題：第一，如何設立蓄水池的問題。第二是輸送系統(tǒng)的能耗和輸送距離的問題。研究分析過程中，我們確定了冬季的最不利日，這天的系統(tǒng)負荷較大且污水流量較小，所以分兩種情況進行研究討論，不設蓄水池和設立蓄水池這兩種情況。結合相關數(shù)據(jù)分析后得出結論：唯有設立蓄水池，熱泵系統(tǒng)從污水中提取得到的熱量才能隨時隨刻滿足系統(tǒng)的負荷需求。設

3、立蓄水池后，可以充分利用污水資源，蓄水池設計容量就是最不利時段的連續(xù)缺水量總和。對于污水源熱泵系統(tǒng)的小溫差、大流量的特點，我們又具體討論了輸送距離對傳送能耗的影響，而且建立了相關的數(shù)學模型；通過系統(tǒng)經(jīng)濟比摩阻給出了污水源熱泵最大經(jīng)濟輸送距離的函數(shù)計算公式，為污水源熱泵系統(tǒng)實際工程方案的經(jīng)濟可行性提供了理論依據(jù)。3污水源熱泵的可行性分析初期的雨水以及來自日常生活和工業(yè)生產(chǎn)的被廢棄水通常被我們稱作受到一定污染的水源。關于城市污水熱能回收和利用的研究在國內外受到了廣泛的關注。盡管在國內外學者的辛勤研究下，己經(jīng)有了初步系統(tǒng)、科學的研究成果，但是這種研究結果還不太成熟，由于存在的種種問題，到現(xiàn)在還沒有形

4、成評價、應用體系。3.1污水源熱泵存在的問題生活污水是指城市機關、學校和居民等人民在日常生活中排放的廢水，包括普通居民的洗衣洗刷水、廚房排水、沖刷廁所糞尿水，以及各種商業(yè)活動產(chǎn)生的排水等，也就是說生活污水指的是居民在日常生活中使用過的不能被循環(huán)使用的，并被生活垃圾污染的水。雖然生活污水的成分中不存在毒性的化學物質，但是在生活污水中含有大量的可以令人致病的微生物，這些病原體可以在這種污水中大量繁殖，所以這一類污水也存在著一定程度的危害性。生活中產(chǎn)生的污水還存在著糞便、泥沙、剩菜剩飯的殘漁、頭發(fā)絲、以及各色各樣的包裝袋等固體污染物。工業(yè)生產(chǎn)活動中產(chǎn)生的廢水叫做工業(yè)廢水，工業(yè)廢水分為兩大類。第一類為

5、生產(chǎn)污水，另一類則為生產(chǎn)廢水。生產(chǎn)過程中被生產(chǎn)原材料污染的水稱為生產(chǎn)污水；生產(chǎn)廢水則是沒有直接參與生產(chǎn)過程、也沒有被生產(chǎn)材料污染僅僅是溫度有一點點上升的水。污染的雨水被叫做初期雨水，因為雨水剛落到地面上沖刷了各種污染物，所以污染程度相對較高。從這幾種污水的定義來看，不同污水的利用是不同的。由于初期雨水不連續(xù)性的特點，所以在污水熱能回收和利用方面，初期雨水就基本上不再考慮的范圍內。但是工業(yè)廢水的利用性是最好的，因為工業(yè)廢水有著溫度高、水量大的特點?？墒怯捎诠I(yè)區(qū)遠離城市居民生活區(qū)，所以就有一個很現(xiàn)實的問題遠距離的運輸增加了運行費用而且對能量的消耗很大，所以工業(yè)廢水的熱能回收和利用方面的應用只能局

6、限在工業(yè)區(qū)內，暫時還沒法達到更廣泛的應用。每時每刻都會產(chǎn)生大量的城市生活污水，隨著城市的發(fā)展以及人民生活水平的提高，污水的排放量每年都呈上升趨勢，預計到2016年城市生活污水的年處理量將會達到365億噸，到2020年將最高達到480億噸。由于城市特殊的環(huán)境溫度，城市污水具有春夏季節(jié)溫度偏高，秋冬季節(jié)溫度偏低的特點。這種溫差出現(xiàn)的原因是因為在產(chǎn)生城市污水的過程中，城市污水吸收了在城市的日常生中排放大量不易散失的熱量而造成的。舉個簡單的例子，北京市高碑店污水處理廠二級出水，它的水質完全符合并且達到國家城市污水的二級排放標準，作為城市重要的第二水源，它具有很大的熱能儲蓄潛力。另外，北京市高碑店污水處

7、理廠夏季水溫約為23，低與外界氣溫十幾度，而冬季出水水溫基本為14，要高于周圍環(huán)境溫度20左右。由于城市地理位置、人文環(huán)境、經(jīng)濟構成、氣壓以及城市上空空氣流動的差異，所以不同的城市有不同的污水處理結構，因此在城市污水的組成成分、及狀態(tài)各成分比例也是不盡相同。因此針對不同的成分的城市污水，我們在利用污水源熱泵系統(tǒng)的時候，怎樣到達污水源熱泵系統(tǒng)的能量利用標準也是不同的，堅持做到具體問題具體分析。污水水量是污水源熱泵系統(tǒng)是否能夠運行的重要的前提條件。水的總出水量，以及每個時刻污水的出水量都會影響污水源熱泵系統(tǒng)的規(guī)模大小。所以我們必須要保證首先有足夠的污水量，不僅這樣還要保證污水源熱泵在運行的每一個時

8、刻都要有足夠的污水來使整個系統(tǒng)正常的運行。污水換熱工程的重要設計參數(shù)就是污水水溫，污水源熱泵系統(tǒng)的值它將會間接影響到，進而影響到整個污水源熱泵系統(tǒng)。不盡人意的是在不同季節(jié)，甚至每一個時刻污水的水溫都不是一個恒定不變的數(shù)值。所以我們應該盡可能多地掌握有關污水源的水溫、水量、水質這些方面的資料以便更好地確定污水源熱泵運行的可行性。為了討論并解決這些問題，我們結合山東省某公司利用經(jīng)過污水處理廠處理后的再生水，通過應用污水源熱泵系統(tǒng)的項目，經(jīng)過長期的實時檢測，我們到這四種實驗指標。污水水量日變化情況，污水處理后的水質情況，污水溫度日變化情況以及日平均溫度對污水源熱泵系統(tǒng)應用的影響情況。3.2.2污水源

9、熱泵技術可行性研究（1）污水源熱泵技術污水再生水源熱泵技術是一項成熟、先進的供熱制冷技術。污水源熱泵是利用污水處理廠水質穩(wěn)定，出水量大，常年溫度一般都在在14到25攝氏度等特點，用污水作為熱源進行制冷、制熱循環(huán)的一種空調裝置。這種空調裝置具有熱量輸出穩(wěn)定、換熱效果好、機組結構緊湊、COP值高等優(yōu)點，這也是實現(xiàn)污水資源化的一種很有效的途徑。污水源熱泵相比與傳統(tǒng)燃煤鍋爐而言更加環(huán)保而且能量利用率也大幅度提高，污染物的排放比空氣源熱泵減少40以上，比電供熱減少70以上。污水源熱泵還更加節(jié)省能源，比電鍋爐加熱節(jié)省2/3以上的電能，比燃煤鍋爐節(jié)省1/2以上的燃料。由于污水源熱泵的熱源溫度全年較為穩(wěn)定，它

10、的制冷、制熱系數(shù)比傳統(tǒng)的空氣源熱泵高出40左右，它的運行費用也僅僅為普通中央空調的5060，由此看來，污水源熱泵有著廣闊的應用和市場前景。（2）污水源熱泵系統(tǒng)的優(yōu)點。1）高效節(jié)能由于冬季污水的溫度要明顯高于環(huán)境溫度，所以污水源熱泵系統(tǒng)的蒸發(fā)溫度，制熱效率明顯提高；夏季污水溫度低與環(huán)境溫度，冷凝溫度低于風冷式或者冷卻塔的冷凝溫度，因此機組的制冷效率也會得到提高。合理利用污水中的熱能，可節(jié)省一部分一次能源例如電能、石油、煤等的使用，因此城市的能源消耗將得到合理的配置，還能節(jié)約一次性能源，既滿足了需求又節(jié)約了能源可以說是兩全其美。水源熱泵系統(tǒng)相對于中央空調系統(tǒng)來說，若以處理過的污水作為熱源時，其運行

11、費用可節(jié)省40%44%；對于利用未經(jīng)過處理的原生污水作為熱源時，其運行費用可節(jié)省30%32%。2）環(huán)保效果顯著水源熱泵系統(tǒng)在變廢熱為寶的同時，利用城市污水的環(huán)保效果也不言而喻。同時制冷劑夏季直接與污水換熱裝置進行換熱，有效的避免了對城市空氣的直接加熱，進一步避免了產(chǎn)生城市典型的熱島效應。經(jīng)過污水源熱泵系統(tǒng)換熱的污水會直接返回污水干渠，不會污染環(huán)境和其他水利系統(tǒng)。污水源熱泵技術是現(xiàn)在污水被廣泛利用的最佳手段。大多數(shù)常規(guī)系統(tǒng)冬季供熱給城市居民時，通常采用煤炭、天然氣、原油等化石燃料燃燒產(chǎn)生熱量供給，但是不管采用哪種燃料供能在燃燒過程中均會產(chǎn)生二氧化碳、二氧化硫、氮氧化合物等有害氣體，眾所周知化石燃

12、料的燃燒是環(huán)境污染的第一把手。根據(jù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計，如果按照我國每年464億立方米污水排放量，若能夠充分利用污水能量，每年可減少0.33億噸標煤，同時還可以減少72噸污染物的排放。此外，污水源熱泵系統(tǒng)利用能量的過程中省去了冷卻塔，從而減少減少了霉菌和噪音污染。3）運行穩(wěn)定污水溫度隨四季溫度變化幅度不大，污水溫度波動范圍遠小于空氣的溫度波動變化。污水源熱泵受環(huán)境溫度的波動比空氣源熱泵和太陽能熱泵??；并且水的比熱能大于空氣，因此換熱效率較高。而且冬季水溫要高于環(huán)境，避免了空氣源熱泵冬季除霜的問題。污水的溫度較穩(wěn)定又使得污水源熱泵系統(tǒng)運行時更加穩(wěn)定、更加可靠。4）一機多用一般傳統(tǒng)供冷、供熱系統(tǒng)中采用冷水機組

13、和鍋爐兩套設備，設備龐大并且機房占地面積大遠不及污水源熱泵系統(tǒng)小巧。污水源熱泵系統(tǒng)可實現(xiàn)供冷、供熱兩種需求可以說是一舉兩得。冬季提取污水中的熱量供熱，夏季向污水中釋放熱量實現(xiàn)制冷的目的，這是傳統(tǒng)的供冷，供熱系統(tǒng)力不能及的。（3）與其他熱泵系統(tǒng)相比的優(yōu)點1）與空氣源熱泵相比空氣源熱泵在外界環(huán)境較低時比如說在寒冷的季節(jié)會產(chǎn)生結霜問題，十分影響效率；如果在結霜嚴重的情況下機組可能無法正常運作。因此空氣源熱泵在北方地區(qū)使用受到外界環(huán)境因素的限制。2）與土壤源熱泵相比土壤源熱泵可分別垂直埋管和水平埋管。水平埋管埋地較淺施工方面，但它的占地面積相對較大，在土地資源緊張和地皮昂貴的城市中則難以推廣實行。垂直

14、地埋管，施工難度較大且對地質的要求較高。3）與水源熱泵相比可分為地表水系統(tǒng)、地下水系統(tǒng)。地表水系統(tǒng)在河流、湖泊、海洋等水資源缺少城市的確會受到限制，而且地表水質污染比較嚴重。地下水系統(tǒng)一方面是水的回灌問題，另一方面因為回灌水的水質受到污染從而影響了地下水的水質造成了水體熱污染，這一客觀因素也限制了水源熱泵系統(tǒng)的推廣。（4）污水源熱泵的缺點1）也不是說污水源熱泵系統(tǒng)是完美無缺的。污水源熱泵系統(tǒng)的應用也有區(qū)域限制，一般使用于有大量污水排放的地方，比如說電廠、鋼廠或污水處理廠等。2）若利用的污水還有強腐蝕性、或是難以去除的固體和膠體污雜物，就會增大污水處理的費用，還有的甚至無法利用，因此使用污水源熱

15、泵系統(tǒng)對污水的水質是有一定要求的。3）排放的污水要保證流量穩(wěn)定，如果流量不能滿足也會嚴重影響污水源熱泵的吸能。4）因為污水源熱泵的初期投資較高，國內技術相對來說還不太成熟而且國內研制的污水換熱器換熱系數(shù)相對比較低，影響了污水源熱泵系統(tǒng)的性能；但是應用國外的設備，運行維護，技術指導不便，而且投資費用較高。7蓄水池的設計通過前一章的分析研究可知，在不設立蓄水池時，污水源熱泵系統(tǒng)的供熱供冷能力是由能否滿足最不利日的最不利時段來確定，而通過對本項目的具體數(shù)據(jù)分析可得到，最不利日當天的最不利時段的流量可給建筑供的最大熱量為42.43MW，要小于最不利時段建筑所需熱負荷，所以為了最大程度地滿足供熱供冷面積

16、的需求，我們需要設立蓄水池。通過設立蓄水池可以平衡污水流量，達到“平峰移谷”的效果，還能夠充分地利用污水資源。污水蓄水池容的確定需要通過對工程具體情況和污水資源的分析。7.1污水蓄水池設計條件已知污水處理廠的二級處理污水排放量大小在一天內不斷波動，它的排放量的大小取決于建筑物的需水量，晚上一般是流量的低峰期。此項目中民用建筑面積占總面積的大多數(shù)，因此我們通過建筑物逐時冷熱負荷模擬結果可以看出，系統(tǒng)的負荷高峰期是在晚上，尤其是冬天供暖季，而這個時刻恰恰又是污水排放量的低峰期，這就導致污水排放量中的熱量污水源熱泵系統(tǒng)汲取無法滿足這個時刻的系統(tǒng)熱負荷。因此，我們設立的蓄水池就派上用處了，以便在相對高

17、負荷低流量時段能夠及時補充水量，來滿足系統(tǒng)負荷高峰期的需求。蓄水池的設立區(qū)域首先要考慮污水廠地理位置是否有足夠大的面積來容納，是否會對周圍環(huán)境造成影響，還有每天的多余水量要足夠滿足最不利時刻的需水量。本項目中，冬季供暖期和夏季供冷期分別采用4和6的溫度差，即可滿足建筑所需冷熱負荷。為了讓污水源熱泵系統(tǒng)能夠時時刻刻滿足污水源熱泵系統(tǒng)的需要，就要利用蓄水池進行污水流量的調節(jié)。例如白沙污水處理廠的地理條件比較優(yōu)越，廠區(qū)面積也滿足設立污水蓄水池的各項需求。7.2污水資源與工程需水的逐時分析本項目供熱面積遠大于供冷面積，需要首先滿足冬季供暖，所以本節(jié)關于工程需水的分析只考慮冬季供暖。通過第二章對整個系統(tǒng)

18、動態(tài)負荷的實驗模擬，可以得出系統(tǒng)在最不利日的動態(tài)需水量，用來確定蓄水池規(guī)模大小。項目一期和二期工程總建筑面積為40.2萬平方米。為滿足最不利日需求，項目供熱容量為50.34MW，供暖期采用4的溫差，對應系統(tǒng)污水的需水量為3947.92t/h，利用公式（4-1）及模擬出的冬季最不利日系統(tǒng)小時動態(tài)熱負荷系數(shù)以及項目的實面積數(shù)據(jù)，可以得出最不利日當天熱泵的實時需水量，以此判斷與2015年1月9日最不利日的逐時污水流量的關系。通過兩者的關系我們就可以來探討污水蓄水池尺寸規(guī)模大小。冬季污水廠二級出水量與熱泵需水量在不同時段的關系分析如表7-1所示：表7-1冬季最不利日污水廠污水流量與當天熱泵需用量在不同

19、時段的關系時間段2015年1月9日污水流量（t/h）熱泵逐時需水量（t/h）缺口或富余（t/h）0:005025.983539.971486.011:004966.583631.151335.432:005009.183646.331362.853:004846.953739.021107.934:004953.003763.131189.875:004661.413805.24856.176:004192.044291.69-99.657:003328.296148.44-2820.158:003181.945747.78-2565.849:003765.995474.47-1708.481

20、0:004232.645089.61-856.9711:004435.504653.93-218.4312:004285.314272.9212.3913:004449.723577.70872.0214:004497.513027.361470.1515:004820.292484.052336.2416:005409.862161.573248.2917:005384.262603.182781.0818:005843.473420.732422.7419:005360.153946.311413.8420:003189.254131.34-942.0921:002686.434143.2

21、0-1456.7722:002673.784246.66-1572.8823:002728.323212.29-483.97累計103927.85（t）94758.07（t）9169.78（t） 由表7-1可知，冬季供暖期污水源熱泵日最大用水量是94758.07t，也是最不利日當天的最大用水量，因為這天是最冷天，熱泵應24小時不間斷運行，同時考慮用戶使用系數(shù)和負荷修正。這天的最大小時缺水量為2820.15t，總的缺水量為12725.23t，其他時間段富余量為21922.02t，總體富余量9196.79t。7.2設計污水蓄水池蓄水池設置是為了將系統(tǒng)負荷低峰期的污水流量儲存起來，以備不時之需。并且

22、在系統(tǒng)負荷的高峰期補充污水量，以達到充分利用污水資源，全面滿足系統(tǒng)在任意時段的冷熱負荷。冬季供暖期，夜間一般是系統(tǒng)的負荷高峰期，但夜間也是污水排放的低峰期。由表7-1中我們可以發(fā)現(xiàn)，有兩個時段連續(xù)缺水，分別是6點到11點，缺水量 8269.52t；20點到23點，缺水量 4455.71t。這兩個時段正好是熱泵污水源系統(tǒng)需水量最大時間段，即系統(tǒng)的負荷高峰期。因此這兩個時間段缺失的污水量就需要污水蓄水池進行調節(jié)補充。其他時間段沒有缺水現(xiàn)象，這些時間段的污水流量可以滿足系統(tǒng)的需求。所以選取兩個缺水時間段中缺水量較大的作為設計蓄水池的最不利條件，將這兩個時間段的缺水總量作為冬季供暖期蓄水池的理論設計容量的峰值。此項目夏季供冷區(qū)域面積較小，并且考慮到夏季因氣候炎熱的關系而導致污水排放量會呈上升趨勢，夜晚時間變短導致了污水排放低谷段縮短；而這一時間段與冬季正好相反，且處于居民使用空調較低的時間段，因此是系統(tǒng)負荷的低峰時間段，即污水源熱泵的需水量為最低；白天炎熱時間雖然段是系統(tǒng)負荷的高峰時間段，但也是污水排放的高峰時間段，一天內很少有甚至沒有污