城市原生污水基础物性参数测试

马良栋 张志远 宋嘉林 张吉礼

(大连理工大学建设工程学部, 大连 116024)

目前在国内已广泛采用污水源热泵技术.然而,在污水源热泵工程的污水取水换热工艺及其设备设计中仍存在着污水的密度、黏度及导热系数等物性参数取值难度大的问题.由于城市污水与清水在流动和换热特性方面有较大不同,因此无法在污水源热泵系统工程设计过程中直接套用清水物性参数进行计算.目前污水源热泵系统设计中污水物性参数取值主要采用清水倍数法、估算法来确定,取值随意、不统一.例如：文献[1]认为污水实际为多相非牛顿流,污水黏度取清水黏度的2～3倍;在污水换热器设计时,污水黏度甚至取清水黏度的10倍以上[2].文献[3]采用分级筛分法测定了2种典型污水渠内污水杂物的浓度数据及密度值,污水中小于4 mm污杂物的比例较大,占90%,污杂物质量浓度为1.347 kg/m3.20 ℃时污水的平均密度为999 kg/m3,与清水接近.尽管近年来,许多研究者对污水管内的流动和换热进行了研究[4-9],但对污水的基本物性等关键基础数据的研究较少,由于污水的污杂物浓度受建筑类型的影响较大,如工业建筑与居住建筑所产生的污水其水质有较大区别,在一个城市内,污杂物浓度分布有较大区别,因此污水的物性参数不是统一的,其值应该随污杂物浓度的变化而变化.本文针对某一城市不同污水泵站的污水,研究污水的污杂物浓度,并在污水源热泵运行工况的温度范围内,测试不同温度条件下不同污杂物浓度的污水物性参数(包括密度、黏度、导热系数及比热等),分析其污水物性参数的变化规律与联系,为污水源热泵污水取水和换热工艺系统设计提供基础数据,对促进污水源热泵技术产业发展具有重要意义.

1 污水采样及物性参数测试方法

1.1 污水采样

污水采样点为沈阳市全市的12个污水提升泵站,污水取水点位于水泵前的污水渠内,采样时将水桶缓慢沉降于污水渠的中央,渠中的污水以固有流速自然地进入桶内,并从桶底的活板门流出,稳定1 min后,提出水桶封装,完成污水取样.污水颜色浑浊,污杂物主要为悬浮物,12个污水取水点的污水水质特点呈现类似特征,但污杂物颜色深度及浓度有所不同.

1.2 污水污杂物质量浓度测试方法

测试方法参考《水质悬浮物的测定重量法》(GB 11901—890)[10].具体步骤为：污水经0.45 μm滤膜后,量取充分混合均匀的100 mL试样进行抽滤,并用蒸馏水洗涤3次.停止抽滤后,仔细取出载有悬浮物的滤膜于称量瓶中,在烘干箱103～105 ℃下烘干1 h后，移入干燥器中,冷却到室温,称其质量.反复烘干、冷却、称量,直至2次称量的质量差小于0.4 mg为止.

悬浮物质量浓度按照下式计算：

(1)

式中,C为污水中悬浮物浓度,mg/kg;A为悬浮物加滤膜和称量瓶质量,g;B为滤膜和称量瓶质量,g;M为试样质量,kg.

1.3 污水物性参数测试方法

尽管污水中含有污杂物,但管内流动大多为多相流,由于污杂物粒径较小,在污水中处于悬浮状态,且污杂物质量浓度也较小,测试表明污杂物质量浓度小于1.5 g/kg.管内流动阻力系数的研究也表明[7-9],两相流情况下与单相流情况下的阻力系数差别不大.蔡增基等[7]将污水流动视为均质流和非均质流,对污水管内流动沿程阻力系数进行了分析,结果表明污水的非均质特性可以不予考虑.文献[8]依据实验得到的沿程阻力系数与文献[9]依据谢才公式得到的计算结果也十分接近.综合文献研究结果及污水中污杂物的悬浮特性,本文将污水近似看作为均质流体,用以研究污水的相关物性参数.

1.3.1 密度

采用DM2100密度测试仪测试污水密度,其精确度为0.5%.该仪器的测试原理为浮力法,即根据阿基米德原理,浮力大小等于该物体排开液体的重量.浮力与排开液体体积比即为液体密度,即

(2)

1.3.2 黏度

采用VM4000黏度仪测试污水黏度,其测量精度为2%.该黏度仪采用振动弦法测试流体黏度，基本原理是根据一根长圆截面丝在无限大流体中做横向振动,将流体对振动的阻尼作用作为测量黏度.振动丝振动的速度方程[11-13]为

U=uei(ωt-φ)

(3)

式中,ω为驱动频率，u为幅值，φ为相位，其表达式为

(4)

(5)

式中,F为振动丝单位长度上所受到的驱动力,N/m;ms=ρsπr2为单位长度上振动丝的质量,kg/m,r为振动丝的半径，m，ρs为振动丝的密度,kg/m3;Δ0为振动丝的内部阻尼系数,N·s/m;ω0为假想条件下振动丝共振频率,Hz;β为由振丝占据流体位置所产生的附加质量,kg;β′为由于流体黏度产生的阻尼,N，其计算式为

(6)

(7)

(8)

式中,ω0,vac为真空下的共振频率,Hz;g为重力加速度,m/s2;ρw为振动丝的密度,kg/m3;Mw为即的质量,kg;k,k′为流体运动对振动系统的影响,

k=-1+2Im(A),k′=2Re(A)

(9)

其中

(10)

式中,K1,K0分别为1阶和0阶第二类修正的Bessel函数;Ω可以表示为

(11)

式中,η为液体的黏度.

因此,只要测定了振动弦在流体中的共振曲线,当ρ,ρs,ω,r,Δ0的值已知时,通过方程(2)～(10)就可以计算得到流体的黏度.

1.3.3 导热系数

采用TC3100导热系数测试仪测试污水导热系数,其精度为3%.该导热系数测试仪采用瞬态热线法测量流体的导热系数,具有系统误差小的优点.测试原理为：在无限大的各向同性流体中置入直径无限小、长度无限长、内部温度均衡的线热源,初始状态下二者处于热平衡状态,突然给线源施加恒定的热流,并加热一段时间,线热源及其周围的流体就会产生温升,由线热源的温升即可得到流体的导热系数[14-15].计算式为

(12)

式中,λ为流体导热系数,W/(m·K);q为单位长度线热源的加热功率,W/m;ΔT为t时刻线热源表面的温升,K;t为加热时间,s.

1.3.4 定压比热

采用BBR-I测试污水平均比热.污水定压比热的测试方法为混合法,即测试某一温度范围内的平均定压比热.通过测量混合前后污水和清水的温度,可得到污水的比热.污水的平均比热Cp,m可表示为

(13)

式中,G1为纯水的质量,kg;G2为污水的质量,kg;t1为污水初温,℃;t2为纯水初温,℃;t3为污水与纯水混合后的终温,℃;Cw为纯水在t2～t3温度范围内的平均比热,J/(kg·℃);E为水当量(保温桶所吸收的热量折算为质量为E、温度为t2的纯水的吸热量),kg.

在测试实验中,取t1=10 ℃的2 kg污水与t2=30 ℃的2 kg蒸馏水进行混合.

2 测试数据处理方法

污水物性参数在进行等精度测试时,测量值中可能含有随机误差和粗大误差,为了给出正确合理的结果,针对某一种物性参数,在某一温度下进行多次测量.具体数据处理过程如下[16]：

① 某一温度下,求某一物性参数(如ρ,η,Cp,m,λ)的n次测试结果算术平均值,即

(14)

(15)

③ 按vi>3σ的原则,检查和剔除粗差.而后从步骤①开始重新开始计算,直到所有vi≤3σ为止.

3 测试结果分析与讨论

3.1 污水污杂物质量浓度

污水污杂物质量浓度可以直接反映污水水质情况,由于污水污杂物基本为悬浮物,因此在区分污水污杂物质量浓度时没有考虑污杂物的颗粒粒径分布.测试污水的采样地点分布于沈阳市全市的12个污水提升泵站,经过整理,得到6种污杂物质量浓度,其中样本编号1～3的污水主要来自西部郊区制药厂、化工厂在内的工业建筑污水;样本编号4～6的污水主要来自市区居住建筑和商业建筑的生活污水.西部郊区工业建筑污水与市区居住建筑污水直观上有所不同,前者呈黑色,漂浮物较多,粒径较大;后者呈透明状,可以清晰看到水中的絮状悬浮物,而颗粒状悬浮物较少,如图1所示.

表1给出了污水污杂物质量浓度的测试结果.从表1可以看出,西部郊区污水悬浮物质量浓度在1.2～1.5 g/kg之间,整体明显大于市区污水悬浮物质量浓度0.77～1.05 g/kg.结果表明污水水质受周边建筑物功能的影响,工业建筑污水除生活污水外,还有部分工业废水,因此污水污杂物质量浓度偏高.

(a) 工业建筑污水

表1 污水污杂物质量浓度

3.2 物性参数测试结果

表2～表7给出了在温度为5,10,15,20,25和30 ℃时各种污杂物质量浓度的相关物性参数,包括污水的密度、黏度和导热系数,这些温度点涵盖了污水源热泵工作制冷工况下冷凝温度的温度范围.表8给出了污水平均温度为15 ℃时各类污水的定压比热Cp.

3.3 测试结果分析与讨论

3.3.1 污水密度

图2给出了不同污杂物浓度下原生污水密度随温度的变化.当污杂物浓度从0.77 g/kg增大到1.50 g/kg时,污水密度增大1%左右.并且从图中可以看出,当污杂物浓度大于1.20 g/kg时,在整个温度变化范围内,污水的密度大于清水的密度,但当污杂物浓度小于1.20 g/kg时,污水的密度小于清水的密度.污水密度随温度升高先增加后降低,其最大值出现在10 ℃附近.在5～30 ℃范围内,污水密度的变化趋势与清水不同(清水在此温度范围内其密度随温度增大而减小).

表2 5 ℃原生污水物性参数

表3 10 ℃原生污水物性参数

表4 15 ℃原生污水物性参数

表5 20 ℃原生污水物性参数

表6 25 ℃原生污水物性参数

表7 30 ℃原生污水物性参数

表8 原生污水平均定压比热

图2 不同污杂物浓度下原生污水密度随温度变化

3.3.2 污水黏度

从图3可以看出,污水黏度与悬浮物质量浓度呈正相关,当污杂物浓度从0.77 g/kg增大到1.50 g/kg时,污水黏度增大3.5%左右,在污杂物浓度为1.50 g/kg时和污水温度变化范围内(5～30 ℃),污水黏度均为清水的1.1倍左右.当污杂物浓度一定时,原生污水黏度随温度升高逐渐降低,其变化趋势与清水一致.当污水温度从5 ℃增大到30 ℃时,污水黏度降低45%.

图3 不同污杂物浓度下原生污水黏度随温度变化

3.3.3 污水导热系数

图4给出了不同污杂物浓度下,污水导热系数随温度的变化.由图可知,当污杂物浓度从0.77 g/kg增大到1.50 g/kg时,对于污水温度为30 ℃的污水,导热系数减小2.1%.当污杂物浓度一定时,污水导热系数随温度增加而增大.对于污杂物浓度为1.50 g/kg时,污水温度从5 ℃升高到30 ℃,导热系数增大7.6%.当温度小于20 ℃,与清水的导热系数相比,污水的导热系数增大较快.在测试温度范围内,原生污水导热系数随温度增大的变化率小于清水的变化率,ΔλH2O=5.5×10-2W/(m·K),而污水在污杂物质量浓度为1.50 g/kg时变化最大,在此温度范围内,Δλ=4.4×10-2W/(m·K).

图4 不同污杂物浓度下原生污水导热系数λ随温度的变化

3.3.4 定压比热

受测试条件限制,测得的污水定压比热为一定温度范围内的平均定压比热.测得的污水定压比热范围为3 846～4 105 J/(kg·K),小于10～15 ℃范围内清水的平均定压比热Cp=4 189 J/(kg·K).从总体趋势看,定压比热与污水质量浓度大致呈负相关,当污杂物浓度从0.77 g/kg增大到1.50 g/kg时,污水定压比热减小6.3%,见表8.

4 结论

1) 城市原生污水悬浮物质量浓度会受到周边建筑物功能的影响.

2) 当污杂物浓度从0.77 g/kg增大到1.50 g/kg时,污水密度增大1%左右,污水黏度增大3.5%左右,污水导热系数减小2.1%左右.在污杂物浓度为1.50 g/kg时,在测试温度范围内,污水黏度均为清水的1.1倍左右.

3) 当污水温度从5 ℃增大到30 ℃时,污水密度先增加后减小,在10 ℃附近达到最大值;污水黏度降低45%;对于污杂物浓度为1.50 g/kg的污水,导热系数增大7.6%.

4) 当污杂物浓度从0.77 g/kg增大到1.50 g/kg时,污水定压比热减小6.3%.