低溫污水源熱泵在污水廠采暖及生化池提溫中的應用

王巧霞

（中國市政工程西北設計研究院有限公司，甘肅 蘭州730000）

寒冷地區污水企業存在的問題主要有以下兩個方面：一是污水廠處于城市下游地區，無集中供暖和天然氣，廠區供暖很難解決；二是北方地區冬季11月~次年4月因環境溫度和排放的中水溫度原因，進入污水廠中原水溫度為4~12℃，當生化反應池池水溫度低于7.0℃時，不能滿足生物菌的活性，生物菌進入休眠無繁殖狀態，污水生化反應停止，污水中氨、氮、磷等指標嚴重不達標，故需在污水溫度低于7.0℃時，將生化反應池中的水溫提高到12℃以上，使污水處理能夠正常運行。

故在生化反應池中的水溫低于7.0℃時加熱池水是非常必要的，如果不增加這一環節，會直接影響污水處理的達標排放。反之，對促進城鎮環境的改善、對保障區域內江河水的水質都具有重要促進作用。

1 低溫污水源熱泵系統運行的工作原理

1.1 機組加熱模式

低溫污水源熱泵是按照“逆卡諾循環”原理工作的，簡單來說，首先冰盤管蒸發器作為熱交換器從進入其中的中水中吸熱或相變取熱，中水加熱低沸點工質（冷媒）并使其蒸發，變為低溫低壓的氣體，冷媒蒸汽經氣液分離器后，氣液分開，然后低溫低壓的氣體經由壓縮機壓縮升溫后變為高溫高壓的氣體進入油分離器，再進入殼管式換熱器（冷凝器），將熱量釋放加熱污水后冷凝液化，最后節流（電子膨脹閥）降壓降溫回到冰盤管蒸發器進入下一個循環。

1.2 中水循環模式

集裝箱式冰盤管蒸發器與進入其中的中水（6℃）進行換熱加熱冷媒，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）生化反應池加熱

6℃左右污水經過一級污水泵、二級旋流除砂器、含100目不銹鋼過濾網除污器、含100目不銹鋼過濾網過濾器處理后，與殼管式換熱器進行換熱，換熱后污水溫度達到12~18℃生物菌的活性溫度。經過加熱后的污水進入厭氧池和好氧池。

（2）采暖

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

2 低溫污水源熱泵系統設計

2.1 工藝流程

（1）原水加熱系統

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

圖1 水溫提升系統流程圖

（2）中水取熱系統

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

2.2 厭氧池需要單位熱量計算

其中，Q-熱量，kW；m-質量，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 采暖熱負荷計算

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

2.4 換熱工況

換熱工況是指系統中各節點（地面非潔凈水的進、出口，中介水的進、出口，蒸發器，冷凝器等）的溫度和各環路（地面非潔凈水環路，中介水環路）的流量。這些參數首先須保證系統能夠達到使用效果。在此前提下，它們將直接決定機組、各換熱器、水泵等設備的投資和系統的運行費用。

蒸發溫度高些，冷凝溫度低些，機組可獲得較高的能源效率。但它們又分別受到現有與需求條件的限制。冷凝溫度受末端使用條件的限制。通常末端只能是風機盤管或地面采暖。蒸發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為1℃以上，以避免凍壞管路。

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

3 工程實例（以昌都市污水處理廠二期改擴建工程為例）

昌都市污水處理廠二期改擴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。現根據建設單位要求，擬采用提取中水的熱量——污水源熱泵技術為厭氧池加熱提供熱源，進行熱源系統設計、選型。

3.1 熱源設計

本項目利用污水源熱泵為生物反應池加熱和廠區采暖，污水日處理量按15000m3/日設計。污水入口冬季最低入口水溫4℃，生物反應池中生物菌進入休眠無繁殖狀態，污水生化反應停止，污水不達標。冬季通過提取污水中的低位熱能，將生物反應池中的水溫提升至≥12℃，使生物菌保持活性進行污水生化反應。

采暖供回水溫度為55/45℃。

3.2 設計基礎參數

室外主要氣象參數（冬季）：

大氣壓力67990Pa；

室外供暖計算干球溫度-5.9℃；

通風室外干球溫度-2.3℃；

室外平均風速：0.9m/s；

最大凍土深度：81cm；

采暖天數：148天。

3.3 生化反應池升溫設計

3.3.1 生化反應池池水加熱

昌都市污水處理廠污水收集管網進水在11月至次年4月，特別是12月至次年2月平均水溫只有4℃，生化反應池池水溫度低于7.0℃時，生物菌進入休眠無繁殖狀態，污水生化反應停止，污水不達標，故需在冬季提高生化反應池的水溫≥12℃，使之污水處理正常運行。

本項目擬采用污水源熱泵為升溫熱源，加熱生化反應池進水口處的部分池水至30℃，再與其余池水混合后達到12~18℃后，進入生化反應池進行生化反應。

3.3.2 設計計算

（1）每天污水進水加熱24小時。冬季污水日處理量為15000m3。

生化反應池需要單位熱量：

考慮到污水廠區發展，污水量的增加，預留20%的余量，需要的熱量為：

（2）起始時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℃，每小時可以提取的熱量為

第二階段：污水從0℃降到-0.5℃，污水變為冰水混合物時進行相變放熱，凝固潛熱為79.6kcal/kg，則每小時可以提取的熱量為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）污水廠采暖熱負荷

經過計算，本污水廠采暖熱負荷為654kW。

以上核算污水余熱利用的熱量可以滿足生化反應池的熱量和采暖熱量。

3.4 生化反應池升溫設計

（1）主機選型

根據已有參數，蒸發溫度2℃，冷凝溫度60℃，選用螺桿式污水源熱泵撬裝機組2臺，單臺機組制熱量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℃。

機組工作模式說明：采用10kV電機螺桿式污水源熱泵撬裝機組2臺，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器選型

根據6642kW的蒸發量，選取3臺2220kW的翅片管蒸發器。

4 結束語

使用污水源熱泵的優勢主要有以下兩點：

（1）污水廠中的污水經過污水廠處理后，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組和冰盤管蒸發器提取污水中的熱量加熱生化反應池（12℃以上的環境中才能滿足厭氧菌和好氧菌活性）和滿足廠區的采暖，熱量被有效利用，有著顯著的經濟效益和社會效益。

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