編者按：污水處理是一種復雜的物理-化學(xué)-生物綜合系統，其內部存在各種物質(zhì)變量間相互作用；污水流速、濃度、成分動(dòng)態(tài)變化、氣候溫度、濕度等變化都會(huì )影響處理過(guò)程水溫。而污水溫度則直接影響污染物生物處理效果，既影響污水處理運行能耗，又與所含潛能回收有關(guān)。通過(guò)確定污水處理過(guò)程水溫變化邊界及其影響因素，構建了污水處理過(guò)程中水溫變化熱量衡算模型，并以實(shí)際污水處理廠(chǎng)實(shí)測水溫數據校驗和修正了溫度模型。研究有助于了解污水處理過(guò)程水溫變化趨勢，并對出水余溫熱能回收具有指導作用，有望助力污水處理廠(chǎng)節能減排、甚至實(shí)現碳中和。

文章亮點(diǎn)

·厘清污水處理過(guò)程水溫變化影響因素：生化反應、機械傳熱、環(huán)境熱傳導與蒸發(fā)熱損。

·辨明污水溫度整體變化量較小(冬季T≤-1.5 ℃；夏季≥+1.0℃)，受環(huán)境熱傳導和微生物代謝影響較大。

·極端氣候地區需要準確確定傳熱系數，以避免污水處理效率低下問(wèn)題。

模型構建

1 模型邊界

建立熱量衡算模型評估污水處理廠(chǎng)處理水溫度變化趨勢時(shí)，定義Q為模型熱量變化參數。根據影響污水溫度變化因素確定模型邊界，分別定義為：生化反應放熱N1、機械傳熱N2、環(huán)境熱傳導N3、水蒸發(fā)熱損失N4。各單元考慮熱量變化組成如下：

1）生化反應放熱N1，包括污水有機物氧化、脫氮過(guò)程中物質(zhì)分解轉化釋放熱量，例如：有機物(COD)降解熱量釋放(Q1)、硝化反應過(guò)程熱量釋放(Q2)和反硝化反應過(guò)程熱量釋放(Q3)。

2）機械傳熱N2，考慮各類(lèi)泵(提升泵、回流泵等)傳熱(Q4)和曝氣(以鼓風(fēng)曝氣為例)傳熱(Q5)。

3）環(huán)境熱傳導N3，包括環(huán)境換熱(Q6)和熱輻射(Q7)，其中環(huán)境內換熱方式涉及導熱和對流換熱。

4）水蒸發(fā)熱損失N4(Q8)。

2 模型參數

通過(guò)影響因素剖析和模型邊界確定，建立各部分熱量衡算公式，詳見(jiàn)表1。各單元具體參數見(jiàn)后文。

2.1 生化反應過(guò)程(N1)

污水中有機污染物降解存在微生物代謝熱量釋放情況，本模型中主要考慮COD降解和脫氮過(guò)程熱量變化，忽略了生物除磷過(guò)程代謝熱。從聚磷細菌(PAOs)過(guò)程機理上看，PAOs屬于能量消耗型代謝，除磷過(guò)程中有效總能量減少。此外，厭氧時(shí)PAOs 細胞高能磷酸鍵(鍵能5 kcal·mol-1)斷裂釋放也會(huì )釋放能量，但其產(chǎn)生的能量即使不用于細胞吸收VFAs(細胞內合成PHA)而全部釋放所產(chǎn)生的熱量也只能使溫度升高0.00004 ℃。因此，模型中暫不考慮除磷過(guò)程熱量代謝，以簡(jiǎn)化計算。

2.2 機械傳熱(N2)

機械傳熱單元主要考慮水泵和鼓風(fēng)機兩部分。有研究發(fā)現，曝氣過(guò)程僅能傳輸60%的熱量，其余40%的熱量在風(fēng)機出口和管路中已散熱損失掉所以，鼓風(fēng)機以使用廣泛的多級離心式為例，被加熱的空氣經(jīng)過(guò)輸風(fēng)管路最后通過(guò)曝氣器進(jìn)入好氧池底部。期間，因輸風(fēng)管內散熱而存在一定量熱損失。機械傳熱的主要參數見(jiàn)表3。

2.3 環(huán)境熱傳導(N3)

遵循熱量自發(fā)由高溫傳遞到低溫物體規律，污水在池體內停留勢必會(huì )與池壁發(fā)生熱交換。同時(shí)，污水暴露于空氣中，隨著(zhù)季節以及白晝，混合液和空氣之間的溫差也會(huì )造成溫度的變化。此外還存在池體表面對外發(fā)射可見(jiàn)和不可見(jiàn)射線(xiàn)(電磁波)來(lái)傳遞能量。集體參數詳見(jiàn)表4。

2.4 蒸發(fā)熱損(N4)

污水表面蒸發(fā)是表面水分子熱運動(dòng)的結果。液面蒸發(fā)時(shí)，質(zhì)流方向總是從液面指向氣體，但熱流方向則可以從液面到氣體，也可以從氣體到液面，視污水溫度和環(huán)境溫度而定。根據不同環(huán)境溫度和濕度條件下水汽化熱值，可計算蒸發(fā)所帶走的熱量損失。

案例校驗

為判斷構建模型的準確性，本研究獲取北京某污水處理廠(chǎng)2019年實(shí)測數據，收集實(shí)際進(jìn)出水溫、環(huán)境溫度、進(jìn)出水水質(zhì)、水量等數據代入模型，輸出污水處理溫度變化，并與實(shí)際值進(jìn)行比較來(lái)驗證模型準確性，同時(shí)分析模型誤差并加以修正。

根據熱量衡算結果，生化反應N1總產(chǎn)熱1 753.4 kW，折算水溫變化約0.4 ℃。其中，脫氮過(guò)程熱量釋放比例較高，達約74%(硝化與反硝化分別占比31.7%和42.3%)，而COD降解代謝熱量相對較少，僅為26%。機械傳熱N2中水泵傳熱約為 121.2 kW，折算升溫約0.03 ℃。曝氣對溫度變化的影響介于0.018~0.022 ℃，影響并不顯著(zhù)。環(huán)境熱傳導N3因選擇不同的傳熱系數對水溫變化影響而不同，因此，實(shí)際熱量衡算過(guò)程需嚴格校對環(huán)境傳熱系數K3(對該參數采用敏感性分析方法)分析結果知水溫變化幅度冬季時(shí)(2月和12月)最大，水溫降幅達1.5 ℃，而夏季(7月)升溫也可達1.0 ℃。反觀(guān)輻射傳熱和蒸發(fā)熱損帶來(lái)的溫度變化范圍溫度變化分別<0.015 ℃和0.001 ℃，基本不會(huì )對水溫造成影響。

上述結果表明，季節性溫差和換熱系數存在很大不確定性，且水溫對二者變化較為敏感。計算時(shí)考慮不同溫差(水溫和環(huán)境溫度)和換熱系數關(guān)系來(lái)計算最終水溫變化，從而可繪制出北京地區污水熱平衡三維模型(圖2a)?？梢钥吹?，不同因素對水溫影響結果介于-1~1.5 ℃，其中，夏季升溫1.5 ℃，冬季降溫達到1 ℃。

不同環(huán)節溫度變化數據見(jiàn)圖3可以看出，污水溫度整體變化量較??；其中，受環(huán)境熱傳導影響較大，且微生物代謝也會(huì )對污水溫度產(chǎn)生一定的影響，而以水泵、鼓風(fēng)機為主的機械傳熱對污水處理溫度變化幾乎并無(wú)影響。

優(yōu)化模型

通過(guò)案例校驗，模型在冬季與實(shí)測溫度擬合效果并不理想，考慮到模型需要獲取準確的換熱系數(K3)、池壁傳熱系數(B2)，準確測量水溫與氣溫二者間溫差，并確定水處理工藝和進(jìn)出水水質(zhì)等。

模型建立采用換熱系數(K3)范圍為30(W/m2·K)~300(W/m2·K)，范圍取值跨度大，這對最終溫度變化影響較大。不同地區由于地理位置原因導致氣候差異較大，甚至同一地區亦可能因極端天氣導致地區溫度變化增大。因此，模型應用中需結合當地實(shí)時(shí)氣溫與水溫溫差以及環(huán)境內風(fēng)速大小來(lái)準確確定評價(jià)污水處理廠(chǎng)換熱系數。

池壁換熱系數(B2)由于環(huán)境溫度與水溫差值會(huì )導致池壁與污水換熱工況發(fā)生改變，例如，地上和地下式污水處理廠(chǎng)池壁傳熱系數顯然存在較大差異。另一方面，污水處理廠(chǎng)除生化池外，還存在較多其它構筑物，如，旋流沉砂池、二沉池等；這些構筑物在外界環(huán)境溫度過(guò)低或過(guò)熱情況下，池壁溫度隨之下降或升高越明顯，則污水流經(jīng)這些構筑物與池壁間的傳熱越不能忽視。因此，實(shí)際中需根據現場(chǎng)條件(如，池壁是否保溫、地上或地下式、室內或室外等)嚴格確定池壁傳熱系數。

結語(yǔ)

污水處理過(guò)程水溫變化主要與生化反應放熱、機械傳熱、環(huán)境熱傳導、以及蒸發(fā)熱損失有關(guān)。污水處理過(guò)程水溫整體變化量較小(冬季T≤-1.5 ℃；夏季≥+1.0℃)，其中，受環(huán)境熱傳導和微生物代謝影響較大，而以水泵、鼓風(fēng)機為主的機械傳熱對污水處理過(guò)程溫度變化幾乎沒(méi)有太大影響。環(huán)境熱傳導主要受溫差和換熱系數影響，在正常氣候條件下?lián)Q熱系數波動(dòng)并不大，但可能出現極端氣候的地區則需要準確確定傳熱系數。本研究因實(shí)測數據不充足，樣本數較少，應用時(shí)還需根據實(shí)際情況對主要參數進(jìn)行一定程度調整。