重庆应用污水源热泵系统的技术方案

 从污水热能利用的角度看, 应将城市生活污水划分为原生污水、一级污水、二级污水三大类[ 7] , 这种划分是合理的, 有助于污水源热泵系统的研究和交流。但依照笔者对污水源热泵系统应用场合的理解, 原生污水还应分为小区原生污水和市政排水管道中的原生污水。所以在本文中, 依照小区原生污水、市政排水管道原生污水、一级污水、二级污水对重庆能够应用的污水源热泵技术方案进行讨论。

 

  小区原生污水的污水源热泵系统

 

  小区排水系统排入城市市政排水管道(或天然水体)的基本水质要求如下 :

 

  (1) 水温不高于40 ℃;

 

  (2) 不阻塞管道, 不腐蚀管道, pH 为6 ～ 10 ;(3) 不产生易燃、易爆和有害气体;(4) 不伤害管理、养护人员;(5) 不影响污水的利用、处理和排放;

 

  (6) 对伤寒、痢疾、炭疽、结核等病原体, 必须严格消毒灭除。

 

  目前小区内的分散处理设施主要是化粪池, 由于管理不善, 清通不及时, 达不到处理效果。今后,将逐步用按二级生物处理要求设计的分散设置的地埋式小型污水处理装置(生化池)代替化粪池。当几个居住小区相邻较近时, 也可考虑几个小区规划共建一个集中的污水处理厂(站)。所以, 此处的小区原生污水指经小区污水处理装置(生化池)处理后的水。无论是小区化粪池还是生化池的出水, 污水经过一定时间的沉淀和发酵, 悬浮固体含量会大幅度降低, 可以采用下列两种方式:  图2  集中空调机组距生化池较近时的污水源热泵系统小区污水处理装置(生化池)的沉淀作用, 去除了污水中的大尺寸杂质, 换热器中的堵塞问题基本解决, 但仍存在污水对金属材料的腐蚀问题。为解决这一问题, 需研制高效防腐换热器, 其换热管的选择兼顾防腐和一次性投资费用等问题。目前大型离心式热泵机组均采用壳管式换热器, 管材有镍铜管、钛合金管等[ 9] 。北京密云县檀州污水处理厂采用未经任何处理的城市污水作为热泵原水, 污水极易对换热器产生腐蚀、结垢、堵塞等问题, 严重影响传热效率。通过试验测试, 城市原生污水动力粘度(15 ℃)较清水动力粘度(15 ℃, 1. 14 ×10- 6 m2 / s)大40 倍左右, 即4. 56 ×10- 5 m2 / s 。如此高的粘度、腐蚀性和悬浮物对换热器的材质、表面粗糙度和内部结构设计都提出了较高的要求。作为该厂项目参与方的北欧相关专家组根据实地污水采样检测, 经过长时间的研究, 确定了该污水换热器的材料, 采用各种新型材料及表面处理技术, 解决了防腐、堵塞和结垢等问题。该换热器部件采购于芬兰、瑞典、丹麦等国家, 最终由马来西亚组装成型。项目运行3 年以来,换热器未出现任何腐蚀、堵塞和结垢的现象, 基本能够满足污水源热泵系统正常运行的需要, 比较适合中国国内的污水水质[ 10] 。但如果使用经过小区生化池处理后的污水, 笔者认为采用镀铝管材和铜材也可, 对于水质腐蚀性特别强的场所, 可考虑采用抗腐蚀的不锈钢或钛板换热器。

 

  值得注意的是, 哈尔滨工业大学孙德兴教授在2006 年谈到了他对上述水质腐蚀问题的看法[ 11] :就暖通空调所用水源热泵而言, 不良水质对换热设备腐蚀与污染问题的严重性在一些专业人士中往往被夸大了。换热设备采用通常的碳钢材质即可, 完全不腐蚀是不可能的。轻度的腐蚀仅会稍微降低换热系数, 假定运行一个相当长的周期后换热器腐蚀到了即将泄漏的程度, 换一台换热器也比当初采用特种钢材经济。换热器的数量采用余量设计, 换季时采用人工清洗, 同样也是很经济的方案。

 

  剩下的另一个关键问题就是控制换热管软垢的生长和清除。哈尔滨工业大学吴荣华等人的研究表明[ 12] , 污水在换热管内的流速较小时, 软垢增长速度快, 平衡厚度大。当流速低于0. 5 m / s 时, 软垢厚度最大达5 mm 以上;当流速大于2. 5 m /s 时, 软垢最大厚度低于0. 3 mm , 对流动和换热影响微弱。

 

  当换热器在某一流速条件下运行一段时间, 待软垢达到平衡后, 若将流速突然增大一倍, 软垢则瞬时脱落, 说明若采用高流速水冲洗, 能达到清除软垢的目的。哈尔滨望江宾馆采用这种高速水冲洗法冲洗换热管软垢, 清除周期为45 d , 效果良好。

 

  市政排水管道原生污水的污水源热泵系统市政排水管道的原生污水是指各小区、社区的污水汇总在市政排水管道中, 虽然污水在各小区、社区已经过初步处理, 但仍会由于小区分散处理的欠缺、市政设施的不健全而有大尺寸的污染杂质流入, 污水中的含砂量会大量增加, 且由于“汇总”的特点, 污水中溶解性和可生化性污染物的成分会变得多而复杂。

 

  这种污水由于在空间位置上普遍存在于城市庞大的污水管(渠)网中, 应用前景很大。目前针对此种污水成分的恶劣性, 为应用污水源热泵系统, 普遍采用浸泡式换热器或利用机械方法清堵。

 

  提取热能的一个实例[ 13] 。该系统采用SWA R /L100 型热泵, 安装在宣化桥马家沟河西侧的一栋600 m2 欧式别墅建筑内, 利用污水源热泵对别墅内房间供暖。采用一根直径2 m 的污水管道取热, 换热管长度为60 m , 将冬季平均12 ℃的污水降低4 ℃以提取热量, 经压缩机作功, 将供暖水加热到55 ℃, 通过风机盘管向各房间供暖, 冬季室温最高可调到24 ℃。此系统无论运行费用还是投资, 均低于现行的各种冷热源系统。重庆地区适于采用风机盘管和低温地板供暖, 该系统可为重庆开发使用此类系统提供良好的借鉴。应用此系统的关键, 在于如何有效防止处于污水干管(渠)中换热管外杂物的缠绕和污垢的粘附及生长。为解决污物缠绕问题,可在换热管上游及外围设置拦污格栅, 定期清除。

 

  但笔者认为最有效的方式是改善市政管道的疏通管理工作, 在各支管进入干管处设置格栅和沉砂池, 定期由疏浚部门清除。对于换热管外污垢的粘附和生长, 可采用钢丝球定期刷刮。当然, 这些工作会大大增加管理量和劳动强度, 在现实中不一定可行, 为解决这一问题, 笔者提出空气载热(冷)方案。

 

  重庆是一个山城, 城区建筑多半修在山坡上, 市政排水干管在山下沿河岸或潜入地蜿蜓而行, 长度少则几公里, 长者达十几公里。主干管多为矩形管渠形式, 尺寸在(3 ～ 4)m ×(3 ～ 4)m , 管渠上部有盖封闭。污水在干管流动的过程中, 能与管内空气发生热交换, 使管内空气普遍比室外空气的温度高(冬季)或低(夏季)。将这部分空气引出, 可使普通的空气源热泵变为污水源热泵。尤其在冬季, 由于热压作用显著, 热空气会“顺管”而上到达城中用户, 不用动力或只用少量动力, 就可显著提高空气源热泵的效率。在有意使用排水管道中的“热”空气时, 可以充分利用重庆地形起伏变化的特点, 使污水在下降排放过程中, 通过跌水的形式强化水气的对流换热。

 

  跌水采用将台阶踏步延长为叶片的方式, 可显著提高换热效率, 如图4 所示。空气在排水管渠的长度,可根据换热量大小确定。至于空气是否回流, 取决于空气被抽取热(冷)量后的温度是否低于(高于)室外温度。从重庆的实际情况看, 冬季从管渠中抽取的空气可不送回管渠, 而在夏季, 可考虑空气回流。

 

  如果空气不回流, 则可进一步节省投资。采用空气载热(冷)方案, 使空气在排水管渠中顺畅流通, 还有助于污水充氧, 改善污水处理效果, 并提高市政排水系统的安全性。这个方案具有地方特色, 值得进一步研究实施。

 

  一级污水的污水源热泵系统所谓的一级污水, 是指城市生活污水汇集转输到污水处理厂后, 经过物理处理(格栅井+沉砂池)后的污水。这种污水, 基本不存在恶劣物理成分, 避免了大尺寸污染物和换热设置的堵塞问题, 缓解了污水结垢对换热器表面的污染程度, 但是在缓解污水的化学腐蚀性方面改善不明显。这种污水的热能回收利用系统, 与3. 1 所述的小区原生污水源热泵系统基本一致, 存在的需改善问题也基本一致, 在此不再赘述。唯一的特点是其回收热能的空间局限性。这是因为污水处理厂一般位置偏僻, 热能却大量集中, 从这种污水中回收的能量, 不应仅用于污水处理厂工作和生活空间的供暖制冷, 还应尽可能地考虑用于污水处理工艺, 如将其用于污泥消化加热。

 

  二级污水的污水源热泵系统

 

  经物理处理之后的一级污水再经过生物处理(活性污泥法或生物膜法等)后的污水称为二级污水。在工程应用中, 二级污水的污水源热泵系统一般在污水处理厂的排放口取水。二级污水由于微生物和复杂化学成分得到净化, 与原生污水和一级污水相比, 在结垢和腐蚀方面有了进一步的改善, 其热工特性和流变特性与清水相似, 二级污水的热泵系统基本与普通水源热泵系统一致。但二级污水存在一个回收热能的致命缺点, 即热能损失性[ 14] 。污水在各种处理过程中, 会不断损失热量, 温度会下降1 ～ 2 ℃, 这对于温度下限为0 ℃的污水热能回收影响很大, 单位质量污水可取的热量会降低10 % ～40 %, 热泵运行的效率也会显著降低。为解决这一问题, 笔者提出另一种形式的空气载热(冷)方案设想。

 

  污水的生物处理法分为活性污泥法和生物膜法两大类, 前者适合于大规模的污水处理, 后者适合于小规模的污水处理。重庆已建和在建的城市生活污水处理厂, 基本以活性污泥法为主。活性污泥法处理生活污水, 通过使用曝气池, 由空气管道向池中鼓风以实现曝气充氧, 空气与水产生质热交换。在这个过程中, 人们大多关注的是气液传质[ 15] , 很少考虑利用空气从污水中提取热量。活性污泥法曝气池的曝气深度一般为3. 5 ～ 5 m , 近年来倾向于使用直径为毫米级的中小粒径的气泡, 以提高氧的传质效率, 但同时也提高了水气的传热效率。在曝气池池顶上加盖,对吸取了污水温度的空气进行回收, 将其引入到空气源热泵的蒸发器(冷凝器), 可将普通空气源热泵转换为污水源热泵, 明显提高空气源热泵的效率。由于鼓风曝气已使空气具有压力, 从曝气池逸出的空气具有一定的剩余压力, 可自行在集气罩内聚集, 沿集气管输送流向集中空调机组的蒸发器,可不再考虑使用专门的风机输送, 同时, 由于在曝气池顶盖上加盖, 使普通的曝气过程转为压力曝气, 还可提高曝气池中氧的转移效率。可见, 这一方案, 在不耗费更多能源的前提下, 既能充分回收污水中的热能, 又能改善污水处理过程, 一举两得, 如图5 所示。但是, 在这种方案中, 空气不能回流, 或只能部分回流。

 

  另一种解决二级污水热能损失的方法是将换热管直接放在曝气池中。由于曝气池水流激烈, 换热管外壁的污垢或软垢生长可能会比较缓慢。但这一观点需要试验验证, 目前尚未见到有公开文献对此进行介绍, 也无有关的工程实例介绍。