城市原生污水物性參數(shù)測試與分析

宋嘉林 張吉禮 張志遠(yuǎn)

大連理工大學(xué)建設(shè)工程學(xué)部

0 引言

污水源熱泵技術(shù)發(fā)展迅速，基于技術(shù)層面，現(xiàn)有研究已較好地解決了原生污水取水換熱工藝中的過濾除污問題[1-2]，實現(xiàn)了定質(zhì)取水[3]，但污水取水換熱系統(tǒng)在實際設(shè)計和運行過程中仍存在一些亟需解決的問題，其中就包括原生污水物性參數(shù)定義不明確，導(dǎo)致污水換熱的基本物性參數(shù)取值缺乏科學(xué)依據(jù)的問題。由于城市污水與清水在流動與換熱特性方面的差異，在污水取水換熱工藝及污水源熱泵設(shè)備設(shè)計過程中無法直接套用清水物性參數(shù)進(jìn)行設(shè)計計算。

目前，實際工程中污水物性參數(shù)的取值基本處于“經(jīng)驗估值”狀態(tài)[4]。研究表明，在污水各類水質(zhì)參數(shù)中，懸浮物和固態(tài)成分對污水管內(nèi)換熱影響較大，從而導(dǎo)致污水管內(nèi)污水換熱系數(shù)計算困難。近年來，針對污水管內(nèi)的流動和換熱的研究頗多[5-8]，但對污水物性參數(shù)的研究較少。由于污水的污雜物濃度受建筑類型的影響較大，如工業(yè)建筑與居住建筑所產(chǎn)生的污水其水質(zhì)有較大區(qū)別，在一個城市內(nèi)，污雜物濃度分布有較大區(qū)別，因此污水的物性參數(shù)不是統(tǒng)一的，其值應(yīng)該隨污雜物濃度的變化而變化。本文將選取沈陽市12 個不同類型污水泵站的原生污水進(jìn)行采樣，并依據(jù)污水源熱泵實際工程污水溫度范圍，測試不同溫度條件下不同污雜物濃度的密度，黏度，導(dǎo)熱系數(shù)及比熱等污水物性參數(shù)，研究這些參數(shù)的變化規(guī)律及影響因素，并與清水物性參數(shù)進(jìn)行對比分析，得到各物性參數(shù)的變化規(guī)律。

1 城市污水基本情況及采樣方法

1.1 污水采樣點的選取

沈陽是遼寧省省會，副省級城市，是國務(wù)院批復(fù)確定的中國東北地區(qū)重要的中心城市，是東北亞的地理中心。根據(jù)調(diào)研，沈陽市中心城區(qū)污水系統(tǒng)現(xiàn)有泵站69 座，其中污水泵站59 座，合流泵站10 座，日均污水排放量為290 萬噸，日均污水處理量為240 萬噸，如能優(yōu)化利用，保守估算，沈陽市市內(nèi)城區(qū)利用城市原生污水源起碼可實現(xiàn)清潔供熱4000 萬平方米，將減少燃煤、燃?xì)獾然茉聪募s50 萬噸，減少二氧化碳排放120 萬噸。因此，本文將以沈陽市原生污水作為研究對象，通過調(diào)研污水采樣點上游污水來源的建筑功能特征，制定污水采樣布點方案（圖1）。

圖1 污水采樣點的選取

這些污水泵站匯集的污水根據(jù)周邊建筑物的功能和使用特點分為三類，其中，A 類為工業(yè)廠房類建筑，B 類為醫(yī)院、辦公建筑及商場等混合類建筑，C 類為民用住宅類建筑，具體見表1。

表1 污水采樣點上游污水來源地的建筑功能

1.2 污水取樣方法

市政污水干渠的原生污水經(jīng)過簡單的粗過濾后流入提升泵站沉降池，在沉積作用下，較大的污雜物將沉積在池底，沉降池內(nèi)污水表面漂浮有顆粒直徑較小的懸浮物。取樣污水均來自于提升泵站沉降池內(nèi)，在沉降池的垂直方向上，污水污雜物濃度是有差異的。為了使樣品具有代表性，污水采樣桶沉入沉降池的高度既不能過高，也不能過低，并且需要經(jīng)過一定的攪拌。采樣時將底部有活板門的水桶緩慢沉降于污水渠的中央，渠中的污水以固有流速自然的從活板門流入，穩(wěn)1 分鐘后，提出采樣桶，將污水倒出、封裝，完成一次取樣。

根據(jù)《水質(zhì)采樣方案設(shè)計技術(shù)規(guī)定》HJ495-2009，每2 小時采樣一次，并將多次采集的污水混合在一起，均勻攪拌，從混合后的污水中提取污水物性參數(shù)測試樣品。由于物理，化學(xué)和生物的作用，污水的水質(zhì)會發(fā)生變化，污水中微生物的新陳代謝及化學(xué)作用，能引起污水試樣組分和濃度的變化，為了盡可能減少這些變化，必須對采集的樣品進(jìn)行保護，并盡量縮短測試樣品的運輸時間，盡快將測試樣品送至實驗室進(jìn)行測試與分析。測試樣品的保存采用冷藏法。冷藏溫度控制在2-5 ℃，樣品箱體用泡沫塑料作內(nèi)襯和隔板，冷藏箱內(nèi)放入冰袋，低溫可抑制微生物的活性，減緩測試樣品的物理揮發(fā)以及化學(xué)反應(yīng)速率。

2 污水物性參數(shù)測試原理

2.1 質(zhì)量濃度

本文依據(jù)《水質(zhì)懸浮物的測定重量法GB11901-89》測試污水中懸浮物的質(zhì)量濃度，可下式計算：

式中：C為污水中懸浮物濃度，g/kg；A為懸浮物、濾膜及稱量瓶的重量和，g；B為濾膜與稱量瓶重量和，g；M為試樣質(zhì)量，kg。

2.2 密度

密度測試方法主要包括稱重法、壓強法以及浮力法，本文污水密度測試采用浮力法對污水試樣進(jìn)行密度測量，污水密度可按式（2）計算：

式中：ms表示懸掛的有機玻璃的真實質(zhì)量，kg；表示有機玻璃浸入待測液體后的測得的重力與重力加速度的比值，由上部懸掛有機玻璃的天平在系統(tǒng)穩(wěn)定后測得，kg；Vs表示有機玻璃浸入液體的體積，kg/m3。

2.3 粘度

污水粘度測試方法主要包括毛細(xì)管法、旋轉(zhuǎn)法以及振動弦法[9-11]等，本文采用振動弦法對污水試樣進(jìn)行粘度測量。振動弦的振動主要通過電磁感應(yīng)實現(xiàn)，通過測量感應(yīng)信號的幅值和相位可得共振曲線，而流體的粘度就隱含在共振曲線振幅和相位的表達(dá)式中。金屬絲的復(fù)合電壓：

式中：V1是金屬絲靜止時加在其兩端的電壓；V2是金屬絲在磁場中運動產(chǎn)生的感應(yīng)電壓。當(dāng)實驗設(shè)備確定時，V是關(guān)于f，Λ，ρ，μ的函數(shù)。

式中：Λ表示弦振動的振幅；f表示弦振動的頻率；ρ表示待測液體密度；μ表示液體粘度；a，b，c為在已知液體密度ρ測得多組復(fù)合電壓V、頻率f、振幅 Λ下，將式（4）和（5）進(jìn)行最小二乘法擬合待確定的常數(shù)。

2.4 導(dǎo)熱系數(shù)

導(dǎo)熱系數(shù)測試方法主要包括3ω法、探針法以及熱線法[12]等，本文利用熱線法測量污水導(dǎo)熱系數(shù)。假設(shè)無限大的各向同性、均勻流體中置入直徑無限小、長度無限長、內(nèi)部溫度均衡的線熱源，初始狀態(tài)下二者處于熱平衡狀態(tài)，突然給線源施加恒定的熱流加熱一段時間，線熱源及其周圍流體就會產(chǎn)生溫升ΔT[13-14]：

式中：q表示單位長度線熱源的加熱功率；λ表示流體導(dǎo)熱系數(shù)；t表示加熱時間；a表示熱擴散率；r0表示圓柱體線熱源半徑；C表示液體定壓比熱。

由式（6）可推得流體的導(dǎo)熱系數(shù)：

2.5 定壓比熱

本試驗使用冷卻混合法，此方法遵循能量守恒原理，在已知清水比熱及溫度的前提下，可計算混合前后清水的放熱量Q，污水混合前后的吸熱量在數(shù)值上等于Q，通過測量混合前后的溫度，可得污水的比熱：

式中：Cm表示污水在t1到t2溫度范圍內(nèi)的平均比熱容；Cw表示純水在t2到t3溫度范圍內(nèi)的平均比熱容；E表示水當(dāng)量（保溫桶所吸收的熱量折算為質(zhì)量為E、溫度為t2的純水的吸熱量）；t1表示污水初溫；t2表示純水初溫；t3表示污水與純水混合后的終溫；G1表示純水質(zhì)量；G2表示污水質(zhì)量。本試驗統(tǒng)一取t1=10 ℃的污水2 kg 與t2=30 ℃的2 kg 蒸餾水進(jìn)行混合。

3 城市污水物性參數(shù)測試及結(jié)果分析

3.1 污水物性參數(shù)測試方法及儀器

本文對城市原生污水的物性參數(shù)包括質(zhì)量濃度、密度，粘度，導(dǎo)熱系數(shù)和定壓比熱，采用的測試方法和測試儀器系統(tǒng)如表2 所示。

表2 污水物性參數(shù)測試方法及測試儀器系統(tǒng)

3.2 城市污水物性參數(shù)測試結(jié)果及分析

3.2.1 污水溫度與質(zhì)量濃度測試結(jié)果分析

污水溫度是決定污水物性參數(shù)的重要影響因素。在中國北方，冬天地下污水溫度可以穩(wěn)定在9～13 ℃，可提取污水中的低品位熱能來為建筑供暖。夏天地下污水溫度可以穩(wěn)定在21～24 ℃，污水可代替冷卻塔為空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行散熱，從而降低室溫達(dá)到制冷的目的。由于污水流動與靜止時溫度不同，本文分別在污水泵開啟和關(guān)閉兩種狀態(tài)對污水水溫進(jìn)行測試，每隔1 小時進(jìn)行一組三次重復(fù)測試取平均值為測試值，測試過程中室外空氣平均溫度為-18 ℃。圖2 為污水溫度值從早8:00 時至晚20:00 時的變化情況。

圖2 污水溫度測試值

通過測試，污水泵在運行過程中，污水溫度較穩(wěn)定，通常介于9.4～10.4 ℃之間。當(dāng)污水泵關(guān)閉時，污水池內(nèi)的污水在重力的作用下自然流動，受室外環(huán)境溫度影響，污水溫度較低介于5.6～7.0 ℃之間。根據(jù)現(xiàn)場測試得到的實際污水溫度變化范圍，將污水物性參數(shù)的測試范圍確定為5～15 ℃，其中污水溫度的變化主要介于8～12 ℃之間，故對此區(qū)間著重研究，每1 ℃測試1組物性參數(shù)。

污水的濃度由于建筑功能而不同，測試結(jié)果表明，A 類1.403 g/kg、B 類1.038 g/kg、C 類0.765 g/kg。A類建筑包括化工廠、制藥廠等企業(yè)，污水顏色呈黑褐色，污水中漂浮物較多，污雜物粒徑較大。而C 類建筑所排出的污水相對清澈，呈透明狀，可相對清晰地看到水中的絮狀懸浮物，同時污水中污雜物粒徑較小。

3.2.2 污水密度測試結(jié)果分析

如圖3 所示，三種類型的建筑中污水密度從大到小依次為A 類、B 類、C 類。污水密度值的變化曲線呈現(xiàn)先增大再減小的變化規(guī)律：從5 ℃到10 ℃，污水密度值單調(diào)遞增。當(dāng)污水溫度升至10 ℃以上，隨著溫度的遞增，污水的密度呈現(xiàn)單調(diào)遞減的趨勢。污水溫度為10 ℃左右時，污水密度達(dá)到峰值。這是污水與清水類似也遵循熱脹冷縮原理且具有“反常膨脹”現(xiàn)象，轉(zhuǎn)折溫度在10 ℃左右。污水體積先減小后增大，污水密度值則先增大后減小，在10 ℃時體積最小，密度最大。

圖3 污水密度隨溫度變化曲線

通過試驗數(shù)據(jù)擬合得到了三類不同類型建筑所對應(yīng)的污水密度的關(guān)系式，擬合公式的精度分別為99.68%、98.16%以及97.16%：

3.2.3 污水粘度測試結(jié)果分析

如圖4 所示，當(dāng)溫度低于12 ℃時，三類建筑物產(chǎn)生的污水粘度值相差較小，隨著溫度的升高，三類建筑的污水粘度差逐漸增大，根據(jù)污水粘度隨溫度的變化趨勢，污水粘度值隨污水溫度的升高而降低。同時，當(dāng)污水溫度從5 ℃提高到12 ℃，污水的粘度系數(shù)從1605×10-6Pa·s 降低到1292×10-6Pa·s，下降速率較快，而當(dāng)污水溫度從12 ℃提高到30 ℃，污水粘度系數(shù)從1292×10-6Pa·s 降低到846×10-6Pa·s，下降趨勢變緩。

圖4 污水粘度隨溫度變化曲線

污水粘度從大到小依次為A 類、B 類、C 類，通過試驗數(shù)據(jù)擬合得到了不同類型建筑所對應(yīng)的污水粘度的關(guān)系式，擬合精度分別為98.06%，97.82%以及98.12%：

3.2.4 污水導(dǎo)熱系數(shù)測試結(jié)果分析

如圖5 所示，污水的導(dǎo)熱系數(shù)隨著污水溫度的升高而逐漸升高，在12 ℃以下三類建筑物產(chǎn)生的污水導(dǎo)熱系數(shù)值相差較小，隨著污水溫度的繼續(xù)提高，三類建筑的污水導(dǎo)熱系數(shù)差變大，在同一溫度條件下，A 類建筑污水導(dǎo)熱系數(shù)值最大，C 類建筑污水導(dǎo)熱系數(shù)值最小。同時，當(dāng)污水溫度從5 ℃提高到12 ℃，污水的導(dǎo)熱系數(shù)值從0.585 W/(m·K)提高到0.597 W/(m·K)，而當(dāng)污水溫度從12 ℃提高到30 ℃，污水的導(dǎo)熱系數(shù)值從0.585 W/(m·K)提高到0.621 W/(m·K)。

圖5 污水導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度變化曲線

基于試驗數(shù)據(jù)擬合得到三類不同類型建筑所對應(yīng)的污水導(dǎo)熱系數(shù)的關(guān)系式，擬合精度分別為99.61%，99.65%以及99.15%：

3.2.5 污水定壓比熱測試結(jié)果分析

如圖6 所示，污水的比熱值隨著污水溫度的升高而緩慢降低且測試結(jié)果相對比較穩(wěn)定。比熱值從大到小依次為C類（4146.2～4170.9J/(kg·K)）、B類（4033.5～4063.2 J/(kg·K)）、A 類（3873.7～3902.5 J/(kg·K)）。因此，污水的濃度值與其比熱值是反比例關(guān)系，污水濃度值越大，其比熱值越小，反之亦然。

圖6 污水比熱隨溫度變化曲線

通過試驗數(shù)據(jù)擬合得到三類建筑所對應(yīng)的污水比熱的關(guān)系式，擬合精度分別為98.7%，98.77%以及92.2%：

3.3 污水與清水的物性參數(shù)結(jié)果對比分析

污水與清水物性相近，由于清水的物性參數(shù)相對穩(wěn)定，而污水的物性參數(shù)受環(huán)境、不同功能建筑排放條件等原因影響，變化規(guī)律比較復(fù)雜。針對不同物性參數(shù)，對比分析污水與清水在不同類型建筑條件下的變化趨勢（D 類代表清水工況），測試結(jié)果見圖7。

圖7 污水與清水的物性參數(shù)對比

如圖7（a）所示，清水的粘度值小于污水的粘度值，且清水的粘度變化曲線與污水變化規(guī)律基本一致。同一溫度下，污水粘度按大小依次為A 類、B 類、C類、D 類。

如圖7（b）所示，清水的導(dǎo)熱系數(shù)值小于污水的導(dǎo)熱系數(shù)值，清水的導(dǎo)熱系數(shù)變化曲線與污水變化規(guī)律基本一致。且隨著溫度的升高，清水的導(dǎo)熱系數(shù)值不斷接近C 類建筑的導(dǎo)熱系數(shù)值，同一溫度下，導(dǎo)熱系數(shù)按大小依次為A 類、B 類、C 類、D 類。

如圖7（c）所示，受“反常膨脹”現(xiàn)象的影響，污水和清水的密度值均呈現(xiàn)先增大再減小的變化趨勢，其中污水從5 ℃到10 ℃，其密度值單調(diào)遞增。當(dāng)污水溫度達(dá)到10 ℃以后，污水的密度呈現(xiàn)單調(diào)遞減的趨勢，在污水溫度為10 ℃左右時，污水密度值最大。而清水溫度在4 ℃時其密度最大。污水密度按大小依次為A類、B 類和D 類、C 類。

如圖7（d）所示，污水及清水的比熱值隨著溫度的升高而緩慢降低，同一溫度下，比熱值按大小依次為D類、C 類、B 類、A 類D 類。分析可得，污水比熱值與其濃度值是反比例關(guān)系，污水濃度值越大，其比熱值越小，反之亦然。

4 結(jié)論

本文以沈陽市12 個城市污水泵站作為污水物性參數(shù)測試取水點取樣，并對各類型污水及清水進(jìn)行物性參數(shù)測試，得到各物性參數(shù)的變化規(guī)律。通過測試與分析，得出建筑物使用功能與污水溫度是污水物性參數(shù)的兩個關(guān)鍵影響因素。具體結(jié)論包括以下幾點：

1）不同建筑類型所產(chǎn)生的污水質(zhì)量濃度不同，分別為A 類1.403 g/kg、B 類1.038 g/kg、C 類0.765 g/kg。

2）密度值均呈現(xiàn)先增大再減小變化趨勢，不同類建筑污水密度值從大到小依次為A 類、B 類和D 類、C類，A、B、C 三類建筑污水導(dǎo)熱系數(shù)關(guān)系式為式（9）。

3）污水粘度與導(dǎo)熱系數(shù)均隨污水溫度的升高而逐漸降低，同一溫度下，不同類建筑污水粘度與導(dǎo)熱系數(shù)從大到小均依次為A 類、B 類、C 類、D 類，A、B、C三類建筑污水粘度和導(dǎo)熱系數(shù)關(guān)系式分別為式（10）和式（11）。

4）比熱值隨溫度的升高而緩慢降低，同一溫度下，不同類建筑污水比熱從大到小依次為D 類、C 類、B 類、A 類，A、B、C 三類建筑污水比熱關(guān)系式為式（12）。