基于污水源热泵的污泥高温厌氧消化系统实验研究

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1、第l9卷5期应用基础与工程科学学报V01．19．No．52011年1O月JOURNALOFBASICSCIENCEANDENGINEERINGOctober2011文章编号：1005-0930(2011)05-0792-007中图分类号：TK09文献标识码：Adoi：10．3969／j．issn．1005-0930．2011．05．012基于污水源热泵的污泥高温厌氧消化系统实验研究田磊，史琳，吴静2，赵鹏娟2，施汉昌2(1．清华大学热科学与动力工程教育部重点实验室，北京100084；2．清华大学环境模拟与污染控制国家重点实验室，北京100084)摘要：将污水源热泵应用到污泥高温厌氧

2、消化流程，搭建了一套可同时实现污水热能资源化、污泥化学能资源化的实验系统．实验系统中，污水源热泵以污水处理厂二级出水为热源回收其中废热，所产出60℃OcC中温热能供给热需求约为50℃的污泥高温厌氧消化工艺；高温厌氧消化工艺可快速、有效去除污泥中有机污染物，并产出清洁型能源沼气，而沼气可进一步用于污水处理工艺．实验系统设计了配备板式换热器的间接式污水源热泵系统、加热与维温分立的分块化污泥供热系统，提出了与污泥高温厌氧消化反应需热特性相匹配的热泵分段变工况控制策略．结果显示污水源热泵在供热水温50℃_70℃区间内稳定工作，可为高温厌氧消化提供连续、稳定热环境；供热系统负荷分配均匀，可保

3、持高温厌氧反应器内±1oC温差；污泥水力停留时间5．5d时，挥发性悬浮固体降解率为52．2％，产气率平均为12．4m／m污泥(96％含水率)．同时进一步利用实测数据分析了二级出水水温及水质对系统运行效率及稳定性的影响．关键词：热泵；二级出水；污泥；高温厌氧消化城市污水处理厂是污水资源、污泥资源的集中地，将污水热能回用与污泥资源化利用在污水厂内就地结合是实现资源优化配置、综合利用的有效途径．对污泥进行厌氧消化是目前国际上最为常用的污泥资源化、稳定化方法，实现污泥处置的同时产出沼气，其中高温消化卫生条件好、消化时间短、消化池的容积小，但高温消化耗能多，目前所需热能大部分是利用沼气、煤或

4、天然气等燃烧供给．通过将可实现污水热能回用的污水源热泵技术应用到可实现污染物化学能转化、产出沼气的污泥高温厌氧消化流程，提出了一条适合现阶段我国污水处理厂的能源综合利用技术路线⋯，预期可实现污水处理厂的节能降耗和污泥减量．污泥高温厌氧消化要求反应温度为50℃_55℃，正是现有成熟热泵供热范围，因此收稿日期：2010-04．30；修订日期：2011-01-06基金项目：国家自然科学基金(No．50976060)；国家水体污染控制与治理科技重大专项(2008zx073l3一D02)；973计划(2010CB227305)作者简介：田磊(1986一)，男，博士研究生．11el：010-6

5、2787613，E—mail：mxsl@mail．tsinghua．edu．cnN0．5田磊等：基于污水源热泵的污泥高温厌氧消化系统实验研究793实验系统的研究重点在于适用于污泥高温消化反应的污水源热泵供热系统设计、与厌氧消化系统动态需热特性相匹配的热泵系统控制策略及运行影响因素的分析研究．1实验系统实验选址在苏州地区某污水处理厂，实验装置系统如图1所示，所用污水水源为该污水厂的二级处理出水．被抽取的二级出水进人板式换热器与不断循环的洁净水换热，再由洁净水进入热泵机组间接实现热泵从低位热源的取热；热泵产出热水首先进入保温水箱，其后在水泵作用下经供热管路流动，实现对污泥的加热和反应装

6、置保温后再回到保温水箱，构成系统的循环．电氍蠢量计誊控嚣(1锆装帕电阻．：r[箍虚传感嚣蠕动泵赫(I常规压力侍勰≥放气栩C)日球一一Z止回一◎m直娃读式计图1实验系统示意图Fig．1Experimentalsystem1．1间接式污水源热泵热泵系统设计采用间接式取热配板式换热器的组合模式．具体流程为抽取的污水经过滤器后进入板式换热器，将热量传给另一侧的换热介质洁净水，再由洁净水进入热泵机组换热，间接实现热泵从低位热源的取热，同时将污水引起的结垢问题转移到了换热器内．本设计对于热泵机组本身没有特殊要求，有利于采用成熟的热泵机组，而板式换热器传热效率高，同时拆卸清洗方便，提高了整个系统

7、的稳定性和效率．热泵机组采用满足冬季低水温工况的大温差型设计，工质为R134a，最高供水温度70％；板式换热器采用宽间距型，板片材质为不锈钢316．1．2污泥加热器系统设计中将厌氧消化热需求分为加热和保温两大部分，通过单独设置的污泥加热器将进口污泥加热至反应要求温度，对其后污泥进人的厌氧消化反应器等处置设备只添794应用基础与工程科学学报加保温设施，突破了常规设计污泥反应器即污泥加热器的思路，相应的特点包括：(1)大大减少厌氧消化反应器附属加热设施，降低了反应器的建造