城市原生污水物性參數測試與分析

宋嘉林 張吉禮 張志遠

大連理工大學建設工程學部

0 引言

污水源熱泵技術發展迅速，基于技術層面，現有研究已較好地解決了原生污水取水換熱工藝中的過濾除污問題[1-2]，實現了定質取水[3]，但污水取水換熱系統在實際設計和運行過程中仍存在一些亟需解決的問題，其中就包括原生污水物性參數定義不明確，導致污水換熱的基本物性參數取值缺乏科學依據的問題。由于城市污水與清水在流動與換熱特性方面的差異，在污水取水換熱工藝及污水源熱泵設備設計過程中無法直接套用清水物性參數進行設計計算。

目前，實際工程中污水物性參數的取值基本處于“經驗估值”狀態[4]。研究表明，在污水各類水質參數中，懸浮物和固態成分對污水管內換熱影響較大，從而導致污水管內污水換熱系數計算困難。近年來，針對污水管內的流動和換熱的研究頗多[5-8]，但對污水物性參數的研究較少。由于污水的污雜物濃度受建筑類型的影響較大，如工業建筑與居住建筑所產生的污水其水質有較大區別，在一個城市內，污雜物濃度分布有較大區別，因此污水的物性參數不是統一的，其值應該隨污雜物濃度的變化而變化。本文將選取沈陽市12 個不同類型污水泵站的原生污水進行采樣，并依據污水源熱泵實際工程污水溫度范圍，測試不同溫度條件下不同污雜物濃度的密度，黏度，導熱系數及比熱等污水物性參數，研究這些參數的變化規律及影響因素，并與清水物性參數進行對比分析，得到各物性參數的變化規律。

1 城市污水基本情況及采樣方法

1.1 污水采樣點的選取

沈陽是遼寧省省會，副省級城市，是國務院批復確定的中國東北地區重要的中心城市，是東北亞的地理中心。根據調研，沈陽市中心城區污水系統現有泵站69 座，其中污水泵站59 座，合流泵站10 座，日均污水排放量為290 萬噸，日均污水處理量為240 萬噸，如能優化利用，保守估算，沈陽市市內城區利用城市原生污水源起碼可實現清潔供熱4000 萬平方米，將減少燃煤、燃氣等化石能源消耗約50 萬噸，減少二氧化碳排放120 萬噸。因此，本文將以沈陽市原生污水作為研究對象，通過調研污水采樣點上游污水來源的建筑功能特征，制定污水采樣布點方案（圖1）。

圖1 污水采樣點的選取

這些污水泵站匯集的污水根據周邊建筑物的功能和使用特點分為三類，其中，A 類為工業廠房類建筑，B 類為醫院、辦公建筑及商場等混合類建筑，C 類為民用住宅類建筑，具體見表1。

表1 污水采樣點上游污水來源地的建筑功能

1.2 污水取樣方法

市政污水干渠的原生污水經過簡單的粗過濾后流入提升泵站沉降池，在沉積作用下，較大的污雜物將沉積在池底，沉降池內污水表面漂浮有顆粒直徑較小的懸浮物。取樣污水均來自于提升泵站沉降池內，在沉降池的垂直方向上，污水污雜物濃度是有差異的。為了使樣品具有代表性，污水采樣桶沉入沉降池的高度既不能過高，也不能過低，并且需要經過一定的攪拌。采樣時將底部有活板門的水桶緩慢沉降于污水渠的中央，渠中的污水以固有流速自然的從活板門流入，穩1 分鐘后，提出采樣桶，將污水倒出、封裝，完成一次取樣。

根據《水質采樣方案設計技術規定》HJ495-2009，每2 小時采樣一次，并將多次采集的污水混合在一起，均勻攪拌，從混合后的污水中提取污水物性參數測試樣品。由于物理，化學和生物的作用，污水的水質會發生變化，污水中微生物的新陳代謝及化學作用，能引起污水試樣組分和濃度的變化，為了盡可能減少這些變化，必須對采集的樣品進行保護，并盡量縮短測試樣品的運輸時間，盡快將測試樣品送至實驗室進行測試與分析。測試樣品的保存采用冷藏法。冷藏溫度控制在2-5 ℃，樣品箱體用泡沫塑料作內襯和隔板，冷藏箱內放入冰袋，低溫可抑制微生物的活性，減緩測試樣品的物理揮發以及化學反應速率。

2 污水物性參數測試原理

2.1 質量濃度

本文依據《水質懸浮物的測定重量法GB11901-89》測試污水中懸浮物的質量濃度，可下式計算：

式中：C為污水中懸浮物濃度，g/kg；A為懸浮物、濾膜及稱量瓶的重量和，g；B為濾膜與稱量瓶重量和，g；M為試樣質量，kg。

2.2 密度

密度測試方法主要包括稱重法、壓強法以及浮力法，本文污水密度測試采用浮力法對污水試樣進行密度測量，污水密度可按式（2）計算：

式中：ms表示懸掛的有機玻璃的真實質量，kg；表示有機玻璃浸入待測液體后的測得的重力與重力加速度的比值，由上部懸掛有機玻璃的天平在系統穩定后測得，kg；Vs表示有機玻璃浸入液體的體積，kg/m3。

2.3 粘度

污水粘度測試方法主要包括毛細管法、旋轉法以及振動弦法[9-11]等，本文采用振動弦法對污水試樣進行粘度測量。振動弦的振動主要通過電磁感應實現，通過測量感應信號的幅值和相位可得共振曲線，而流體的粘度就隱含在共振曲線振幅和相位的表達式中。金屬絲的復合電壓：

式中：V1是金屬絲靜止時加在其兩端的電壓；V2是金屬絲在磁場中運動產生的感應電壓。當實驗設備確定時，V是關于f，Λ，ρ，μ的函數。

式中：Λ表示弦振動的振幅；f表示弦振動的頻率；ρ表示待測液體密度；μ表示液體粘度；a，b，c為在已知液體密度ρ測得多組復合電壓V、頻率f、振幅 Λ下，將式（4）和（5）進行最小二乘法擬合待確定的常數。

2.4 導熱系數

導熱系數測試方法主要包括3ω法、探針法以及熱線法[12]等，本文利用熱線法測量污水導熱系數。假設無限大的各向同性、均勻流體中置入直徑無限小、長度無限長、內部溫度均衡的線熱源，初始狀態下二者處于熱平衡狀態，突然給線源施加恒定的熱流加熱一段時間，線熱源及其周圍流體就會產生溫升ΔT[13-14]：

式中：q表示單位長度線熱源的加熱功率；λ表示流體導熱系數；t表示加熱時間；a表示熱擴散率；r0表示圓柱體線熱源半徑；C表示液體定壓比熱。

由式（6）可推得流體的導熱系數：

2.5 定壓比熱

本試驗使用冷卻混合法，此方法遵循能量守恒原理，在已知清水比熱及溫度的前提下，可計算混合前后清水的放熱量Q，污水混合前后的吸熱量在數值上等于Q，通過測量混合前后的溫度，可得污水的比熱：

式中：Cm表示污水在t1到t2溫度范圍內的平均比熱容；Cw表示純水在t2到t3溫度范圍內的平均比熱容；E表示水當量（保溫桶所吸收的熱量折算為質量為E、溫度為t2的純水的吸熱量）；t1表示污水初溫；t2表示純水初溫；t3表示污水與純水混合后的終溫；G1表示純水質量；G2表示污水質量。本試驗統一取t1=10 ℃的污水2 kg 與t2=30 ℃的2 kg 蒸餾水進行混合。

3 城市污水物性參數測試及結果分析

3.1 污水物性參數測試方法及儀器

本文對城市原生污水的物性參數包括質量濃度、密度，粘度，導熱系數和定壓比熱，采用的測試方法和測試儀器系統如表2 所示。

表2 污水物性參數測試方法及測試儀器系統

3.2 城市污水物性參數測試結果及分析

3.2.1 污水溫度與質量濃度測試結果分析

污水溫度是決定污水物性參數的重要影響因素。在中國北方，冬天地下污水溫度可以穩定在9～13 ℃，可提取污水中的低品位熱能來為建筑供暖。夏天地下污水溫度可以穩定在21～24 ℃，污水可代替冷卻塔為空調系統進行散熱，從而降低室溫達到制冷的目的。由于污水流動與靜止時溫度不同，本文分別在污水泵開啟和關閉兩種狀態對污水水溫進行測試，每隔1 小時進行一組三次重復測試取平均值為測試值，測試過程中室外空氣平均溫度為-18 ℃。圖2 為污水溫度值從早8:00 時至晚20:00 時的變化情況。

圖2 污水溫度測試值

通過測試，污水泵在運行過程中，污水溫度較穩定，通常介于9.4～10.4 ℃之間。當污水泵關閉時，污水池內的污水在重力的作用下自然流動，受室外環境溫度影響，污水溫度較低介于5.6～7.0 ℃之間。根據現場測試得到的實際污水溫度變化范圍，將污水物性參數的測試范圍確定為5～15 ℃，其中污水溫度的變化主要介于8～12 ℃之間，故對此區間著重研究，每1 ℃測試1組物性參數。

污水的濃度由于建筑功能而不同，測試結果表明，A 類1.403 g/kg、B 類1.038 g/kg、C 類0.765 g/kg。A類建筑包括化工廠、制藥廠等企業，污水顏色呈黑褐色，污水中漂浮物較多，污雜物粒徑較大。而C 類建筑所排出的污水相對清澈，呈透明狀，可相對清晰地看到水中的絮狀懸浮物，同時污水中污雜物粒徑較小。

3.2.2 污水密度測試結果分析

如圖3 所示，三種類型的建筑中污水密度從大到小依次為A 類、B 類、C 類。污水密度值的變化曲線呈現先增大再減小的變化規律：從5 ℃到10 ℃，污水密度值單調遞增。當污水溫度升至10 ℃以上，隨著溫度的遞增，污水的密度呈現單調遞減的趨勢。污水溫度為10 ℃左右時，污水密度達到峰值。這是污水與清水類似也遵循熱脹冷縮原理且具有“反常膨脹”現象，轉折溫度在10 ℃左右。污水體積先減小后增大，污水密度值則先增大后減小，在10 ℃時體積最小，密度最大。

圖3 污水密度隨溫度變化曲線

通過試驗數據擬合得到了三類不同類型建筑所對應的污水密度的關系式，擬合公式的精度分別為99.68%、98.16%以及97.16%：

3.2.3 污水粘度測試結果分析

如圖4 所示，當溫度低于12 ℃時，三類建筑物產生的污水粘度值相差較小，隨著溫度的升高，三類建筑的污水粘度差逐漸增大，根據污水粘度隨溫度的變化趨勢，污水粘度值隨污水溫度的升高而降低。同時，當污水溫度從5 ℃提高到12 ℃，污水的粘度系數從1605×10-6Pa·s 降低到1292×10-6Pa·s，下降速率較快，而當污水溫度從12 ℃提高到30 ℃，污水粘度系數從1292×10-6Pa·s 降低到846×10-6Pa·s，下降趨勢變緩。

圖4 污水粘度隨溫度變化曲線

污水粘度從大到小依次為A 類、B 類、C 類，通過試驗數據擬合得到了不同類型建筑所對應的污水粘度的關系式，擬合精度分別為98.06%，97.82%以及98.12%：

3.2.4 污水導熱系數測試結果分析

如圖5 所示，污水的導熱系數隨著污水溫度的升高而逐漸升高，在12 ℃以下三類建筑物產生的污水導熱系數值相差較小，隨著污水溫度的繼續提高，三類建筑的污水導熱系數差變大，在同一溫度條件下，A 類建筑污水導熱系數值最大，C 類建筑污水導熱系數值最小。同時，當污水溫度從5 ℃提高到12 ℃，污水的導熱系數值從0.585 W/(m·K)提高到0.597 W/(m·K)，而當污水溫度從12 ℃提高到30 ℃，污水的導熱系數值從0.585 W/(m·K)提高到0.621 W/(m·K)。

圖5 污水導熱系數隨溫度變化曲線

基于試驗數據擬合得到三類不同類型建筑所對應的污水導熱系數的關系式，擬合精度分別為99.61%，99.65%以及99.15%：

3.2.5 污水定壓比熱測試結果分析

如圖6 所示，污水的比熱值隨著污水溫度的升高而緩慢降低且測試結果相對比較穩定。比熱值從大到小依次為C類（4146.2～4170.9J/(kg·K)）、B類（4033.5～4063.2 J/(kg·K)）、A 類（3873.7～3902.5 J/(kg·K)）。因此，污水的濃度值與其比熱值是反比例關系，污水濃度值越大，其比熱值越小，反之亦然。

圖6 污水比熱隨溫度變化曲線

通過試驗數據擬合得到三類建筑所對應的污水比熱的關系式，擬合精度分別為98.7%，98.77%以及92.2%：

3.3 污水與清水的物性參數結果對比分析

污水與清水物性相近，由于清水的物性參數相對穩定，而污水的物性參數受環境、不同功能建筑排放條件等原因影響，變化規律比較復雜。針對不同物性參數，對比分析污水與清水在不同類型建筑條件下的變化趨勢（D 類代表清水工況），測試結果見圖7。

圖7 污水與清水的物性參數對比

如圖7（a）所示，清水的粘度值小于污水的粘度值，且清水的粘度變化曲線與污水變化規律基本一致。同一溫度下，污水粘度按大小依次為A 類、B 類、C類、D 類。

如圖7（b）所示，清水的導熱系數值小于污水的導熱系數值，清水的導熱系數變化曲線與污水變化規律基本一致。且隨著溫度的升高，清水的導熱系數值不斷接近C 類建筑的導熱系數值，同一溫度下，導熱系數按大小依次為A 類、B 類、C 類、D 類。

如圖7（c）所示，受“反常膨脹”現象的影響，污水和清水的密度值均呈現先增大再減小的變化趨勢，其中污水從5 ℃到10 ℃，其密度值單調遞增。當污水溫度達到10 ℃以后，污水的密度呈現單調遞減的趨勢，在污水溫度為10 ℃左右時，污水密度值最大。而清水溫度在4 ℃時其密度最大。污水密度按大小依次為A類、B 類和D 類、C 類。

如圖7（d）所示，污水及清水的比熱值隨著溫度的升高而緩慢降低，同一溫度下，比熱值按大小依次為D類、C 類、B 類、A 類D 類。分析可得，污水比熱值與其濃度值是反比例關系，污水濃度值越大，其比熱值越小，反之亦然。

4 結論

本文以沈陽市12 個城市污水泵站作為污水物性參數測試取水點取樣，并對各類型污水及清水進行物性參數測試，得到各物性參數的變化規律。通過測試與分析，得出建筑物使用功能與污水溫度是污水物性參數的兩個關鍵影響因素。具體結論包括以下幾點：

1）不同建筑類型所產生的污水質量濃度不同，分別為A 類1.403 g/kg、B 類1.038 g/kg、C 類0.765 g/kg。

2）密度值均呈現先增大再減小變化趨勢，不同類建筑污水密度值從大到小依次為A 類、B 類和D 類、C類，A、B、C 三類建筑污水導熱系數關系式為式（9）。

3）污水粘度與導熱系數均隨污水溫度的升高而逐漸降低，同一溫度下，不同類建筑污水粘度與導熱系數從大到小均依次為A 類、B 類、C 類、D 類，A、B、C三類建筑污水粘度和導熱系數關系式分別為式（10）和式（11）。

4）比熱值隨溫度的升高而緩慢降低，同一溫度下，不同類建筑污水比熱從大到小依次為D 類、C 類、B 類、A 類，A、B、C 三類建筑污水比熱關系式為式（12）。