城镇污水厂中水热回收潜力分析

徐正香1 魏洪先2 吴慧3

摘要 随着污水厂能耗逐年增加，污水中低品位能的回收与利用逐渐为研究人员所重视。本文根据某污水厂的实际运行数据，分析了中水热能潜力特性，提出采用污水源热泵的方法进行热能回收利用，对周边居民供暖的技术方案。研究表明该技术具有较高的经济效益，应用前景广阔。

关键词 中水 热泵 污水厂 经济性

乡镇由于财政有限，人口规模不大，住宅建筑冬季没有集中供热设施，一般采用锅炉或者热泵的分布式的供暖模式。随着“双碳目标”的提出和“煤改气煤改电”政策推广，绿色低碳的采暖模式成为发展的方向。污水厂采用污泥厌氧发酵沼气热电联产系统有很大的应用前景。根据上述计算和污水厂实际运行情况，提出提高系统综合能效的方法，中水为冷热源，利用污水源热泵对厂区周边建筑冬天供热，夏天供冷，可以有效回收中水中的热资源，从而实现节省化石能源的目的。

1 研究背景

我国农村污水厂热电联产系统运行较少，但是在另一些工程中均有涉及，比如实行自主投资建设的上海黄浦区中心医院冷热电联供项目，整个系统的能源利用率可达71%。与国内相比，国外污水厂的大部分污泥进行厌氧发酵处理，美国有70%左右的污泥进行厌氧发酵处理[1]；德国对于服务人口大于3万，日处理规模在9000m³左右的污水厂的大部分污泥进行厌氧发酵处理[2]；一些东欧国家对服务人口大于10万，日处理规模在30000m³以上的污水厂污泥进行厌氧发酵处理[2]；可以看到，一些西方国家的污泥进行厌氧发酵处理的比率较高，且技术较为成熟，实际应用效果好。国外污泥进行厌氧发酵产生的沼气绝大部分都用来发电，并且利用沼气发电在一些发达国家得到重视[3]。

2 算例背景

某乡镇污水厂面积约13万㎡，处理周围24km²的生活污水和工业废水，服务人口在53万左右，实际日处理量在14.5万吨左右。处理工艺如图1所示，污泥处理工艺为一级中温厌氧发酵，发酵温度为35~38℃，污泥发酵有效停留时间 20 d。进入消化池的污泥是南北两区初沉池污泥与剩余污泥分别脱水后的混合污泥。混合污泥又叫做生污泥或新鲜污泥，在进入消化池前，与消化池中一部分循环污泥按体积比 进行混合，然后通过泥水套管换热器加热至消化温度进入消化池进行中温厌氧发酵。

图1 污水与污泥处理工艺流程图

3 污水源热泵回收中水热资源分析

由于中水属于污水经过污水处理工艺得到的最后出水，且其无毒无腐蚀；夏季日产中水在14万t左右，冬季日产在13万t左右；处理后得到的中水温度夏季比环境温度低，在20~23℃之间，冬季比环境温度高，在10~17℃之间。这些中水除了一小部分用于道路洒水，景观用水等，大部分直接排入了大海，造成了热资源的极大浪费。可以使用中水作为污水源热泵的冷热源，实现冬季从中水中吸收热量经热泵机组升温后对周边建筑供热，夏季通过热泵机组把建筑物中的热量传递给中水从而实现供冷。

根据污水是否直接进入热泵机组蒸发器（或冷凝器），污水源热泵系统可以分为直接式污水源热泵和间接式污水源热泵两种[4]，直接式污水源热泵系统，采用二级水或中水作为冷、热源，经污水循环泵直接进入热泵机组蒸发器（或冷凝器）进行换热。间接式污水源热泵系统，增加中介水循环系统，污水与中介水进行换热，另对于原生污水，还需增加防堵装置。可以看出间接式和直接式系统相比，增加了二次水（中介水）系统，使设备配置增多，初投资增大，另由于需设置中介水循环泵，造成系统的耗电增多，因此此系统宜选择直接式污水源热泵系统。

采用中水作为热源的直接式污水源热泵系统供暖工艺流程如图2所示，其中根据《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》规定：散热器供暖系统应采用热水作为热媒；散热器集中供暖系统宜按热媒温度为75/50℃或85/60℃连续供暖进行设计。目前的供暖设计中，二次网的供水温度设计是60-65℃，回水温度设计是45-50℃，温差是15℃-20℃。

图2 直接式污水源热泵系统供暖工艺流程图

供暖末端采用地面辐射供暖，供回水温差取6℃，根据其它工程实际运行情况，采用中水作为冷热源的直接式污水源热泵机组cop在5左右。下面以利用热泵机组供暖对其进行分析比较。单位面积供暖耗电量可由下式计算：

（1）

式中： 为单位面积供暖日消耗电能，cop为 污水源热泵能效比，取5； 为 供热二次管网热效率，95%；代入以上数据，计算可得：

即有：

（2）

（3）

式中： 单位面积供暖需热量； 供热管网热损失量；每平方米每天供热所需要从污水中取出的热量。代入数据，计算可得为。根据50w/m2的热指标计算，该污水厂供热面积可以达到16634 m2。目前主流的供暖方式为燃煤区域锅炉集中供暖采用燃煤锅炉供热，1kg标准煤的热值为7000kcal/kg。节煤量得每天可节约

标准煤。

4 结论

对中水进行热资源回收，有较大的潜力，通过计算可得，冬天利用直接式污水源热泵每小时使100吨的中水温度降低6℃，可以每天实现16634㎡的供暖，相当于节约标准煤3507kg，所用电费为3531元，因此可以利用污水源热泵回收中水中的热量，实现厂区周边冬天供暖，夏天供冷。

参考文献

[1]JENICEK P, BARTACEK J, KUTIL J, et al. Potentials and limits ofanaerobic digestion of sewage sludge: energy self-sufficient municipalwastewater treatment plant[J].Water Science & Technology A Journalof the International Association on Water Pollution Research,2012,66(6):1277.

[2]KRUPP M, SCHUBERT J, WIDMANN R. Feasibility study for co-digestion of sewage sludge with OFMSW on two wastewater treatmentplants in Germany[J].Waste Management,2005,25(4):393.

[3]吴艾欢,杨婷婷,吕谋.青岛海泊河污水处理厂沼气热电联产系统研究[J].水处理技术,2018,44(01):123-127.

[4]安爱明,秦继恒,曹建伟.影响污水源热泵系统能效比(cop)的因素分析[J].制冷与空调,2014,14(01):6-8.

作者: 徐正香（1967.8--），女，中共党员，研究方向:青岛市生态环境局市北分局，副高级工程师E-mail:[e-mail]