高浓度废水处理冷却系统的热平衡计算_杜昱

高浓度废水处理冷却系统的热平衡计算杜昱，李昕，岳峥，孙月驰(中国市政工程华北设计研究总院第三设计研究院，天津300074)摘要:在含有较高污染物浓度的废水处理过程中，生化反应释放大量的热，同时由于水泵热效应等因素导致生物池内污水温度升高。过高的温度会影响生化处理效果，因此生化系统需要设置污水冷却装置，而设置冷却系统的关键是热平衡计算。根据工程设计经验，给出了详细的热平衡计算公式以及应用案例。关键词:高浓度废水;冷却系统;热平衡计算;应用案例中图分类号:X703．1文献标识码:C文章编号:1000－4602(2013)02－0082－05HeatBalanceCalculationofHigh-concentrationWastewaterTreatmentSystemDUYu，LIXin，YUEZheng，SUNYue-chi(ThirdDesignandResearchInstitute，NorthChinaMunicipalEngineeringDesignandResearchGeneralInstitute，Tianjin300074，China)Abstract:Intheprocessofhigh-concentrationwastewatertreatment，alotofheatreleasedfrombiochemicalreactions，pumpheateffectandotherfactorsleadtothetemperatureriseofwastewaterinthebiologicaltank．Hightemperaturecanaffectthebiochemicaltreatmenteffect．Therefore，thebiochemicalsystemneedstohavethewastewatercoolingsystem，whilethekeytosetupthecoolingsystemisheatbalancecalculation．Theformulaforheatbalancecalculationanditsapplicationcaseweregivenaccord-ingtotheengineeringdesignexperience．Keywords:high-concentrationwastewater;coolingsystem;heatbalancecalculation;appli-cationcase1概述对于普通的生活污水或较低浓度的其他类型废水来说，由于污染物浓度低，水力停留时间相对较短，一般在生化处理过程当中污水的温度变化不大，对污水处理不会产生影响。但对于高浓度的废水来说则大不相同，高浓度废水生化处理过程当中，由于生化反应释放大量的热，同时由于受水泵热效应等因素的影响，生化池内废水温度较高。虽然温度提升有助于提高处理效率，但如果温度过高，也会抑制微生物的生长，使处理效率下降，甚至会导致生化处理系统瘫痪。2影响生化反应温度的几个因素［1］①高负荷生化反应器在生化降解过程中，有机物、氨氮氧化的部分化学能转化为热能，使温度有所升高。②动力设备风机、水泵运行过程中机械能转化为热能，也使温度升高。③生化处理系统混合液回流到生化池的循环，会维持相对稳定的液体温度。④高浓度有机废水在生化处理过程中水力停留时间较长，一般可达4～5d，生物池中的水温受进水温度的影响较小，使系统中维持较高的温度。⑤采用射流曝气的高浓度废水处理系统，有效水深较深，一般采用6～8m，因而水面面积较小，反应池中热量散失少，有利于生物池保持较高的温度。·28·第29卷第2期2013年1月中国给水排水CHINAWATER＆WASTEWATERVol．29No．2Jan．2013综合上述因素，在实际运行过程中，高浓度废水处理系统生物池内会保持较高的温度，而过高的温度会抑制微生物的生长，影响生物处理效果。为解决生物池内温度过高这一问题，需在生物池设置污水冷却系统［2］。当温度超过一定限值时，开启冷却系统，使生物池内水温维持在合适的范围内，确保生化处理正常运行。该方法已在许多实际工程中得到了应用，效果良好。冷却系统示意见图1。图1冷却系统示意Fig．1Schematicdiagramofcoolingsystem3热平衡计算生化处理系统热平衡按下式计算:N=N1+N2+N3+N4+N5+N6+N7(1)式中N———生化处理系统总放热量，kWN1———进水的冷却作用，kWN2———水泵的热效应，kWN3———生化放热，kWN4———热传导，kWN5———热辐射，kWN6———鼓风曝气热传导，kWN7———蒸发热损失，kW3.1进水的冷却作用进水的冷却作用公式如下:N1=Q3．6×4．2(T1－T2)(2)式中Q———进水流量，m3/hT1———进水温度，℃T2———生化系统出水温度，℃3.2水泵的热效应水泵的热效应公式如下:N2=(P1+P2+P3+P4)×0．85(3)式中P1———进水泵轴功率，kWP2———射流泵轴功率，kWP3———回流水泵轴功率，kWP4———污泥回流泵轴功率，kW注:假设约有85%的水泵轴功率转化为热能。3.3生化反应放热量生化反应放热量公式如下:N3=R1+R2+R3(4)式中R1———硝化反应放热量，kWR2———反硝化反应放热量，kWR3—COD氧化反应放热量，kWR1=aQ×Na1000×3600(5)式中a———硝化反应热效应，26660kJ/kgNH+4－NNa———进水氨氮浓度，mg/LR2=bQ×Na1000×3600×β100(6)式中b———反硝化反应热效应，35625kJ/kgNO－3β———反硝化率，%β=(NK－NT)×100NK(7)式中NK———进水总凯氏氮，mg/LNT———出水无机氮，mg/LR3=cQ×(S1－S2－S3)1000×3600(8)式中c———COD氧化反应热效应，14065kJ/kgO2S1———进水COD浓度，mg/LS2———出水COD浓度，mg/LS3———进水BOD5浓度，mg/L3.4热传导敞开式结构水池计算公式如下:N4=［(K1×F1+K2×F2+K3×F3)×(T0－T2)+(K1×F4+K2×F5)×(T0－T3)］/1000(9)式中K1———总传热系数(无保温层)F1———总的与液体接触的不保温面积，m2K2———总传热系数(有保温层)F2———总的与液体接触的保温层面积，m2K3———生物池外部环境传热系数F3———生物池截面面积，m2F4———总的与空气接触的不保温面积，m2F5———总的与空气接触的保温层面积，m2T0———环境温度，℃T3———生物池内空气温度，℃封闭式结构水池计算如下:·38·．watergasheat．com杜昱，等:高浓度废水处理冷却系统的热平衡计算第29卷第2期N4=［(K1×F1+K2×F2)×(T0－T2)+(K1×F4+K2×F5)×(T0－T3)］/1000(10)传热系数设计参数见表1。表1传热系数设计参数Tab．1Designparametersofheattransfercoefficient项目参考值备注生物池内部传热系数/(W·m－2·K－1)2300～4500生物池外部环境传热系数/(W·m－2·K－1)7～20冬天大约为20W/(m2·K);夏天大约为7W/(m2·K)生物池墙体传热系数/(W·m－1·K－1)37～52保温层传热系数/(W·m－1·K－1)0．035～0．05K1=1(1B1+σB2+1B3)(11)式中B1———生物池内部传热系数，W/(m2·K)B2———生物池墙体传热系数，W/(m·K)B3———生物池外部环境传热系数，W/(m2·K)σ———生物池墙体厚度，mK2=1(1B1+σB2+1B3+hB4)(12)式中h———保温层厚度，mB4———保温层传热系数，W/(m·K)3.5热辐射敞开式结构水池计算公式如下:N5=［K4×(F1+F3)×(T0－T2)+K5×F4×(T0－T3)×α］/1000(13)式中K4———总辐射系数(无保温层)K5———总辐射系数(有保温层)α———辐射系数，W/(m2·K4)，α=5．1～5．6W/(m2·K4)封闭式结构水池计算公式如下:N5=［K4×F1×(T0－T2)+K5×F4×(T0－T3)×α］/1000(14)式中α———辐射系数，W/(m2·K4)，α=5．1～5．6W/(m2·K4)K4=(T4－20)5×0．029+0．86+0．05×(T0+10)10(15)式中T4———液面水温，℃T4=(T2－T0)×0．68+T2(16)K5=(T3－20)5×0．029+0．86+0．05(T0+10)10(17)对于敞开式水池T3=T0。3.6鼓风曝气热传导鼓风曝气热传导公式如下:N6=(h1－h2)×q×r03600(18)式中q———鼓风风量，m3/hh1=1×T5+X(2500+1．86T5)1000(19)式中T5———风机鼓风温度，℃X———环境空气含水量(湿度)h2=0．0023×T32－0．078×T22+3．6857×T2－3．1143(20)r0=－0．0046×T0+1．2714(21)空气中含水量参考表见表2。表2空气中含水量参考表Tab．2Watercontentinair环境温度/℃空气中含水量/(g·kg－1)相对湿度为20%相对湿度为40%相对湿度为60%相对湿度为80%－100．30．611．300．61．52．33．2101．534．56．320368．612305．310．616．322409．41929383.7蒸发热损失蒸发热损失计算公式如下:N7=r×W(22)式中r———汽化热，kW·s/kgW———蒸发量，kg/sW=μ×F3(L1－L2)1000×3600(23)μ=25+19v(24)式中v———风速，m/s不同环境温度和空气含水量条件下的汽化热值见表3。·48·第29卷第2期中国给水排水．watergasheat．com表3不同条件下的汽化热值Tab．3Heatvalueatdifferentconditions环境温度/℃空气中含水量/(g·kg－1)汽化热/(kW·s·kg－1)－101．6203．82107．732014．8824533027．5224304049．5224065087．522382L1=0．0005×T33+0．0068×T23+0．1643×T3+4．1941(25)L2=0．0005×T32+0．0068×T22+0．1643×T2+4．1941(26)r=－2．37×T+2500．7(27)4冷却系统计算4.1冷却塔计算冷却塔计算公式如下:QN=N1．16×Δt(28)式中QN———冷却污水循环量，m3/hΔt———冷却塔降温幅度，一般取5℃Qa=NΔt×360×24(29)式中Qa———冷却塔日补水量，m3/d4.2换热器计算换热器计算公式如下:F=NK×B×Δtpj×1000(30)式中F———换热面积，m2，采用板式换热器K———传热系数，W/(m2·℃)，一般国产板约为3500，进口板约4000～5000B———水垢系数，水水换热B=0．7～0．8Δtpj———对数平均温度差，℃Δtpj=(Δta－Δtb)/ln(Δta/Δtb)(31)式中Δta———污水入口和清水入口处最大温度差值，℃Δtb———污水出口和清水出口处最小温度差值，℃5渗滤液处理工程计算实例5.1基本设计参数基本设计参数见表4。表4基本设计参数Tab．4Basicdesignparameters类别数值设计流量Q/(m3·h－1)40进水COD(S1)/(mg·L－1)12000进水BOD5(S3)/(mg·L－1)4500进水氨氮(Na)/(mg·L－1)2000进水总凯氏氮(Nk)/(mg·L－1)2500进水SS/(mg·L－1)2000出水COD(S2)/(mg·L－1)1000