戰(zhàn)乃巖，徐 玥，周吾波，趙 可

(吉林建筑大學(xué)市政與環(huán)境工程學(xué)院，吉林 長春 130118)

嚴(yán)寒地區(qū)冬季大棚保溫對污水廠運(yùn)行效率的影響

戰(zhàn)乃巖，徐 玥，周吾波，趙 可

(吉林建筑大學(xué)市政與環(huán)境工程學(xué)院，吉林 長春 130118)

針對嚴(yán)寒地區(qū)氣溫低、污水廠運(yùn)行效率差的問題，利用試驗(yàn)測試和仿真模擬等技術(shù)手段分析了大棚內(nèi)空氣吸收太陽輻射熱后的溫度分布及流動(dòng)特性，對嚴(yán)寒地區(qū)冬季低溫條件下污水廠如何利用大棚保溫技術(shù)進(jìn)行了研究.結(jié)果表明：曝氣池外扣棚的主要作用是保溫，而非吸收太陽輻射熱，冬季曝氣池扣棚能夠減小曝氣池內(nèi)水溫波動(dòng)，對污水處理廠的穩(wěn)定運(yùn)行起到了一定作用；冬季曝氣池外扣棚時(shí)，出口平均水溫為12.9℃，出口水溫比進(jìn)口水溫升高2.1℃左右，這主要是由于曝氣池內(nèi)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)釋放出的熱量導(dǎo)致曝氣池內(nèi)水溫升高，而非太陽輻射熱量的影響.在嚴(yán)寒地區(qū)冬季低溫工況下，當(dāng)棚內(nèi)充入熱空氣后，棚內(nèi)空氣溫度升高22℃～29℃，曝氣池出口水溫升高2.0℃～2.5℃.利用回收余熱提升棚內(nèi)溫度是一種有效措施.

嚴(yán)寒地區(qū)；大棚保溫；污水處理；效率

我國嚴(yán)寒地區(qū)冬季氣溫低、冰凍期長，污水處理廠置于戶外致使其長期處于低溫運(yùn)行狀態(tài)，進(jìn)水負(fù)荷波動(dòng)較大，導(dǎo)致有效生物量降低和生化代謝活性減弱，出現(xiàn)污水廠運(yùn)行不穩(wěn)定、水質(zhì)惡化，尤其是氮磷和有機(jī)物含量超標(biāo)等情況.同時(shí)，受低溫影響，物化和生化作用顯著降低，而傳統(tǒng)工藝又難以有效去除污染物，使得污水廠運(yùn)行效能下降，嚴(yán)重影響受納支流或干流水體的水質(zhì)安全.因此，提高污水廠冬季運(yùn)行效率勢在必行.

國外學(xué)者在強(qiáng)化污水處理技術(shù)理論與實(shí)驗(yàn)方面做了大量的研究，尤其是北美、北歐等高寒地區(qū)發(fā)達(dá)國家在低溫季節(jié)污水防治的研究方面擁有先進(jìn)的技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)，而其最常用的方法是通過強(qiáng)化低溫季節(jié)排污點(diǎn)源的治理技術(shù)降低水體污染.其中，P.Gostelow等[1]在10℃條件下，向SBR反應(yīng)器中投加20℃下馴化的硝化菌，觀察其能否達(dá)到理想的硝化效果，分析了溫度的急劇下降對系統(tǒng)硝化效率的影響；D.Gang等[2]研究了活性污泥處理系統(tǒng)中，溫度變化對強(qiáng)化生物除磷反應(yīng)器除磷效果、磷的釋放和吸收機(jī)制的影響，并檢測了在不同溫度下分離的菌株儲(chǔ)存磷酸鹽的能力.

我國在低溫期水體污染綜合防治方面的研究主要集中在東北地區(qū)的科研院校等.目前我國提高低溫污水處理廠運(yùn)行效率的方法主要有兩種，一種是改造傳統(tǒng)污水廠的運(yùn)行工藝，增設(shè)厭氧和缺氧段，強(qiáng)化氮磷的去除；另一種是在污水廠生化池中投加適當(dāng)比例的關(guān)鍵填料，在原有好氧池內(nèi)營造適宜厭氧菌和缺氧菌生存的環(huán)境，形成復(fù)合式生物處理系統(tǒng)，強(qiáng)化氮磷的去除.如：哈爾濱工業(yè)大學(xué)的蔣安璽等[3]利用從下水道中分離出的對生活污水中有機(jī)污染物有降解能力的耐冷菌，研究了耐冷復(fù)合菌群對低溫生活污水的處理作用；尹軍等[4-5]進(jìn)行了腐殖土壤強(qiáng)化SBR工藝運(yùn)行效能的試驗(yàn)研究；吳敏等[6]對如何改善活性污泥沉降與脫水性能進(jìn)行了研究；王美蓮等[7]通過監(jiān)測活性污泥中的水分含量，對污泥的脫水作用進(jìn)行了細(xì)化分析；鄭冰玉等[8]研究了溫度與濃度對污泥水解及脫水性能的影響.

以上研究對嚴(yán)寒地區(qū)污水處理的改善取得了一定效果，但尚無利用太陽輻射、應(yīng)用大棚保溫技術(shù)強(qiáng)化冬季污水處理技術(shù)的研究.本文在上述研究基礎(chǔ)上，對我國東北嚴(yán)寒地區(qū)冬季低溫條件下污水廠水質(zhì)特點(diǎn)進(jìn)行了調(diào)研，通過實(shí)驗(yàn)監(jiān)測了曝氣池外扣棚后棚內(nèi)空氣溫度及曝氣池水溫的變化，并利用仿真技術(shù)對相同工況進(jìn)行了模擬，分析了大棚保溫及余熱回收對污水處理效率的影響；同時(shí)優(yōu)化了大棚形狀，探討了嚴(yán)寒地區(qū)冬季大棚保溫對污水處理廠運(yùn)行效率的影響.

1 基本模型與數(shù)學(xué)描述

1.1 問題描述與模型

圖1 物理模型

為使數(shù)值模擬結(jié)果盡可能符合實(shí)際，并能在一定程度上指導(dǎo)實(shí)際工程，模型建立及計(jì)算過程中需設(shè)置的參數(shù)盡量參考工程實(shí)際數(shù)據(jù).污水廠曝氣池大棚保溫模型如圖1所示：下部為水泥澆筑曝氣池，L為水池長，W為寬，H為高，池內(nèi)流通待處理污水，水面上方充有空氣，在曝氣池上部扣蓋塑料大棚.水入口溫度為ti，出口溫度為to，太陽輻射強(qiáng)度為q.

1.2 數(shù)學(xué)描述

控制方程為：

(1)

(2)

(3)

1.3 計(jì)算方法驗(yàn)證

為檢驗(yàn)算法的精確度，利用ANSYS軟件，采用具有QUICK差分格式的SIMPLE算法，對上述的幾個(gè)算例進(jìn)行計(jì)算，并進(jìn)行比較.

表1為利用ANSYS軟件計(jì)算的不同進(jìn)口水溫時(shí)所得的出口水溫與利用FORTRAN語言編程得出的結(jié)果.由表1可見，兩種方法計(jì)算結(jié)果基本一致，誤差均小于4%.

表1 兩種計(jì)算方法結(jié)果對比

2 試驗(yàn)測試介紹

2.1 工藝流程

工業(yè)污水經(jīng)簡單處理后與生活污水一同排入市政管網(wǎng)，污水經(jīng)由管網(wǎng)進(jìn)入水廠后，首先依次通過粗格柵、沉砂池和細(xì)格柵，運(yùn)用物理方法把污水中粒徑較大的懸浮物與無機(jī)顆粒除去，以減輕后續(xù)處理構(gòu)筑物的負(fù)荷；然后利用污水提升泵將經(jīng)物理方法處理后的污水送至水解酸化池，利用水解酸化池將污水中的長鏈、難降解的大分子有機(jī)物轉(zhuǎn)化為短鏈、易降解的小分子有機(jī)物；經(jīng)水解酸化處理后的污水被送到AICS工藝的核心：厭氧—缺氧—好氧處理流程，經(jīng)厭氧池的釋磷及氨化作用、缺氧池的脫氮作用及好氧池的消化與攝磷作用處理后，污水經(jīng)沉淀池進(jìn)一步沉淀，COD，BOD，TN，TP，NH3—N等指標(biāo)均可達(dá)到國家一級(jí)B標(biāo)準(zhǔn)，符合國家排放標(biāo)準(zhǔn)，排入水體.具體工藝流程如圖2所示.

→水流方向 1.集水井 2.粗格柵 3.沉砂池 4.細(xì)格柵 5.水解酸化池

2.2 測試方法及設(shè)備

圖3 測點(diǎn)布置平面圖

試驗(yàn)采用測溫范圍為-110℃～50℃，分辨率為0.1℃的酒精-玻璃溫度計(jì)，對吉林省某污水處理廠的10個(gè)測點(diǎn)進(jìn)行34 d(2013年11月13日—2013年12月17日)的逐時(shí)溫度監(jiān)測.其中，曝氣池內(nèi)測溫點(diǎn)布置如圖3所示.圖3中測點(diǎn)2為曝氣池入口/水解酸化池出口水溫測試點(diǎn)；測點(diǎn)3，4，5依次為曝氣池棚內(nèi)入口、中間和里側(cè)空氣溫度測試點(diǎn)；測點(diǎn)6為曝氣池出口空氣溫度測試點(diǎn)；測點(diǎn)7為曝氣池出口水溫測試點(diǎn)；測點(diǎn)10為室外空氣溫度測試點(diǎn).

3 結(jié)果分析

由于曝氣池內(nèi)影響其運(yùn)行效率的因素主要是棚內(nèi)空氣溫度和曝氣池內(nèi)的水溫，因此，試驗(yàn)對某天24 h及連續(xù)34 d的曝氣池進(jìn)口水溫、出口水溫及室外空氣溫度進(jìn)行了監(jiān)測.

3.1 24 h逐時(shí)溫度

試驗(yàn)對某天24 h曝氣池進(jìn)口水溫、出口水溫及室外空氣溫度進(jìn)行了監(jiān)測，棚內(nèi)平均溫度變化曲線如圖4所示.

由圖4可見，隨著室外空氣溫度的升高，棚內(nèi)空氣溫度逐漸升高.室外空氣溫度在中午12:00時(shí)達(dá)到最高，為-3℃，棚內(nèi)空氣溫度也達(dá)到最高，為6.5℃.可見，冬季扣棚對曝氣池具有一定的保溫作用.模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果變化趨勢基本相同，但由于軟件模擬選用棚膜材料的參數(shù)與試驗(yàn)選用材料存在差異，使得模擬結(jié)果中棚內(nèi)空氣平均溫度的最大值出現(xiàn)在14:00，為5.9℃，與實(shí)際試驗(yàn)結(jié)果14:00時(shí)對應(yīng)的5.6℃相差0.3℃，與試驗(yàn)結(jié)果出現(xiàn)的最大值6.5℃相差0.6℃.

曝氣池進(jìn)出口水溫變化曲線如圖5所示.由圖5可見，曝氣池進(jìn)口水溫最大值出現(xiàn)在13:00，為11.5℃；最小值出現(xiàn)在18:00，為10.1℃.曝氣池出口水溫最大值出現(xiàn)在中午11:00，為13.5℃；最小值出現(xiàn)在早晨2:00，為12.3℃.由此可見，大棚對曝氣池起到了一定的保溫作用.模擬結(jié)果基本較穩(wěn)定，在11.6℃～11.8℃之間波動(dòng)，與試驗(yàn)結(jié)果存在一定差別.但無論模擬結(jié)果還是試驗(yàn)結(jié)果，曝氣池出口水溫波動(dòng)很小，偏差率小于8%.曝氣池進(jìn)口平均水溫為10.8℃，出口平均水溫為12.9℃，出口水溫比進(jìn)口水溫升高2.1℃左右，這主要是由于曝氣池內(nèi)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)釋放出的熱量導(dǎo)致曝氣池內(nèi)水溫升高，而非太陽輻射熱量的影響.可見，曝氣池外扣棚主要起到保溫作用，并無吸收太陽輻射熱的作用.

圖4 棚內(nèi)空氣平均溫度變化曲線

圖5 曝氣池進(jìn)出口水溫變化曲線

3.2 棚內(nèi)空氣溫度監(jiān)測分析

試驗(yàn)連續(xù)監(jiān)測了34 d的棚內(nèi)空氣溫度及室外環(huán)境溫度，每天8:00和13:00的監(jiān)測結(jié)果見圖6、圖7.

由圖6可見，出口空氣溫度比棚內(nèi)空氣平均溫度升高0.2℃左右，可見，曝氣池外扣棚可起到較好的保溫作用.此外，一天中8:00時(shí)棚內(nèi)平均空氣溫度、室外平均氣溫都略低于13:00時(shí)的值(見圖7)，室外環(huán)境溫度波動(dòng)很大(5.9℃)，但棚內(nèi)空氣平均溫度波動(dòng)微小(0.1℃)，這說明冬季曝氣池外扣棚能有效減小棚內(nèi)空氣溫度波動(dòng)，可為曝氣池提供高效率的運(yùn)行環(huán)境.

圖6 8:00氣溫監(jiān)測記錄

圖7 13:00氣溫監(jiān)測記錄

3.3 水溫監(jiān)測分析

試驗(yàn)連續(xù)監(jiān)測了34 d的曝氣池進(jìn)、出口水溫及室外環(huán)境溫度，每天8:00和13:00的監(jiān)測結(jié)果見圖8、圖9.

由圖8可見，8:00時(shí)曝氣池的進(jìn)口平均水溫為12.3℃，出口平均水溫為12.5℃，升高0.2℃，室外平均氣溫為-8.3℃；由圖9可見，13:00時(shí)曝氣池的進(jìn)口平均水溫為12.4℃，出口平均水溫為12.6℃，升高0.2℃，室外平均氣溫為-2.4℃.

同一時(shí)刻曝氣池出口平均水溫比入口平均水溫升高0.2℃；同時(shí)，一天中8:00時(shí)曝氣池的進(jìn)出口平均水溫、室外平均氣溫都略低于13:00時(shí)的值，室外環(huán)境溫度波動(dòng)很大(5.9℃)，但曝氣池進(jìn)出口水溫波動(dòng)微小(0.1℃)，這說明冬季曝氣池外扣棚能夠減小曝氣池內(nèi)水溫的波動(dòng)，對污水處理廠的穩(wěn)定運(yùn)行起到了一定作用.

圖8 8:00水溫監(jiān)測記錄

圖9 13:00水溫監(jiān)測記錄

3.4 棚內(nèi)充入熱空氣對流動(dòng)和換熱的影響

為使污水處理溫度達(dá)到其有效工作溫度，本研究向棚內(nèi)充入回收的高溫空氣，通過對比未充入空氣和充入空氣兩種工況，分析了棚內(nèi)空氣平均溫度和曝氣池出口水溫，結(jié)果如圖10、圖11所示.

圖10 棚內(nèi)未充入空氣時(shí)垂直于x軸中間截面溫度分布圖

圖11 棚內(nèi)充入熱空氣后垂直于x軸中間截面溫度分布圖

通過圖10和圖11的對比可見，當(dāng)棚內(nèi)充入熱空氣后，棚內(nèi)空氣溫度升高22℃～29℃，曝氣池出口水溫升高2.0℃～2.5℃.因此在嚴(yán)寒地區(qū)冬季低溫工況下，利用回收余熱提升棚內(nèi)溫度是一種有效的措施.

4 結(jié)語

(1) 嚴(yán)寒地區(qū)冬季曝氣池外扣棚可起到保溫作用，無吸收太陽輻射熱的作用.

(2) 嚴(yán)寒地區(qū)冬季曝氣池外扣棚能減小棚內(nèi)空氣溫度波動(dòng)，可為曝氣池高效運(yùn)行提供穩(wěn)定的環(huán)境.

(3) 當(dāng)棚內(nèi)充入熱空氣后，棚內(nèi)空氣溫度升高22℃～29℃，曝氣池出口水溫升高2.0℃～2.5℃.在嚴(yán)寒地區(qū)冬季低溫工況下，利用回收余熱提升棚內(nèi)溫度是一種有效的措施.

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(責(zé)任編輯：方 林)

The influence on sewage plant operation efficiency of heat preservation effect which greenhouses in winter produce in cold regions

ZHAN Nai-yan，XU Yue，ZHOU Wu-bo，ZHAO Ke

(Municipal and Environment Engineering Department，Jilin Jianzhu University，Changchun 130118，China)

Taking the low efficiency problem of the waste water treatment plant under low temperatures in cold regions as the background，experimental testing and numerical simulation were conducted to analyze the temperature distribution and air flow characteristics inside the greenhouses.The greenhouse insulation technology was studied under low temperature conditions in cold region.The results show that the main role is insulation using greenhouse outside the aeration tank rather than absorbing solar heat，that means fluctuation of temperature could be reduced with greenhouse which took an role in stable operation.The outflow of temperature is 12.9℃，which is 2.1℃ higher than the inlet，the main reason is that the heat which released by chemical reaction raise the temperature.It is an effective measure to use waste heat recovery to improve the greenhouse temperature under low temperatures in cold regions under the temperature raises 22℃～29℃ while the outflow of temperature raises 2.0℃～2.5℃.

cold region；greenhouse insulation；sewage treatment；efficiency

1000-1832(2015)04-0150-06

10.16163/j.cnki.22-1123/n.2015.04.031

2014-11-28

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51206061);吉林省科技發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目(20130101073JC).

戰(zhàn)乃巖(1975—)，女，博士，教授，主要從事工程熱物理研究.

TK 124 [學(xué)科代碼] 470·1020

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