污水處理過程水溫變化模型構(gòu)建與驗證

編者按：污水處理是一種復雜的物理-化學-生物綜合系統(tǒng)，其內(nèi)部存在各種物質(zhì)變量間相互作用；污水流速、濃度、成分動態(tài)變化、氣候溫度、濕度等變化都會影響處理過程水溫。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)。通過確定污水處理過程水溫變化邊界及其影響因素，構(gòu)建了污水處理過程中水溫變化熱量衡算模型，并以實際污水處理廠實測水溫數(shù)據(jù)校驗和修正了溫度模型。研究有助于了解污水處理過程水溫變化趨勢，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節(jié)能減排、甚至實現(xiàn)碳中和。

文章亮點

·厘清污水處理過程水溫變化影響因素：生化反應(yīng)、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(qū)需要準確確定傳熱系數(shù)，以避免污水處理效率低下問題。

模型構(gòu)建

1 模型邊界

建立熱量衡算模型評估污水處理廠處理水溫度變化趨勢時，定義Q為模型熱量變化參數(shù)。根據(jù)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(yīng)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(yīng)放熱N1，包括污水有機物氧化、脫氮過程中物質(zhì)分解轉(zhuǎn)化釋放熱量，例如：有機物(COD)降解熱量釋放(Q1)、硝化反應(yīng)過程熱量釋放(Q2)和反硝化反應(yīng)過程熱量釋放(Q3)。

2）機械傳熱N2，考慮各類泵(提升泵、回流泵等)傳熱(Q4)和曝氣(以鼓風曝氣為例)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(nèi)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(shù)

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

2.1 生化反應(yīng)過程(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降解和脫氮過程熱量變化，忽略了生物除磷過程代謝熱。從聚磷細菌(PAOs)過程機理上看，PAOs屬于能量消耗型代謝，除磷過程中有效總能量減少。此外，厭氧時PAOs 細胞高能磷酸鍵(鍵能5 kcal·mol-1)斷裂釋放也會釋放能量，但其產(chǎn)生的能量即使不用于細胞吸收VFAs(細胞內(nèi)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程熱量代謝，以簡化計算。

2.2 機械傳熱(N2)

機械傳熱單元主要考慮水泵和鼓風機兩部分。有研究發(fā)現(xiàn)，曝氣過程僅能傳輸60%的熱量，其余40%的熱量在風機出口和管路中已散熱損失掉所以，鼓風機以使用廣泛的多級離心式為例，被加熱的空氣經(jīng)過輸風管路最后通過曝氣器進入好氧池底部。期間，因輸風管內(nèi)散熱而存在一定量熱損失。機械傳熱的主要參數(shù)見表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(guī)律，污水在池體內(nèi)停留勢必會與池壁發(fā)生熱交換。同時，污水暴露于空氣中，隨著季節(jié)以及白晝，混合液和空氣之間的溫差也會造成溫度的變化。此外還存在池體表面對外發(fā)射可見和不可見射線(電磁波)來傳遞能量。集體參數(shù)詳見表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的結(jié)果。液面蒸發(fā)時，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(jù)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(gòu)建模型的準確性，本研究獲取北京某污水處理廠2019年實測數(shù)據(jù)，收集實際進出水溫、環(huán)境溫度、進出水水質(zhì)、水量等數(shù)據(jù)代入模型，輸出污水處理溫度變化，并與實際值進行比較來驗證模型準確性，同時分析模型誤差并加以修正。

根據(jù)熱量衡算結(jié)果，生化反應(yīng)N1總產(chǎn)熱1 753.4 kW，折算水溫變化約0.4 ℃。其中，脫氮過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。環(huán)境熱傳導N3因選擇不同的傳熱系數(shù)對水溫變化影響而不同，因此，實際熱量衡算過程需嚴格校對環(huán)境傳熱系數(shù)K3(對該參數(shù)采用敏感性分析方法)分析結(jié)果知水溫變化幅度冬季時(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 ℃。反觀輻射傳熱和蒸發(fā)熱損帶來的溫度變化范圍溫度變化分別<0.015 ℃和0.001 ℃，基本不會對水溫造成影響。

上述結(jié)果表明，季節(jié)性溫差和換熱系數(shù)存在很大不確定性，且水溫對二者變化較為敏感。計算時考慮不同溫差(水溫和環(huán)境溫度)和換熱系數(shù)關(guān)系來計算最終水溫變化，從而可繪制出北京地區(qū)污水熱平衡三維模型(圖2a)?？梢钥吹?，不同因素對水溫影響結(jié)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(jié)溫度變化數(shù)據(jù)見圖3可以看出，污水溫度整體變化量較小；其中，受環(huán)境熱傳導影響較大，且微生物代謝也會對污水溫度產(chǎn)生一定的影響，而以水泵、鼓風機為主的機械傳熱對污水處理溫度變化幾乎并無影響。

優(yōu)化模型

通過案例校驗，模型在冬季與實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(shù)(K3)、池壁傳熱系數(shù)(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出水水質(zhì)等。

模型建立采用換熱系數(shù)(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(qū)由于地理位置原因?qū)е職夂虿町愝^大，甚至同一地區(qū)亦可能因極端天氣導致地區(qū)溫度變化增大。因此，模型應(yīng)用中需結(jié)合當?shù)貙崟r氣溫與水溫溫差以及環(huán)境內(nèi)風速大小來準確確定評價污水處理廠換熱系數(shù)。

池壁換熱系數(shù)(B2)由于環(huán)境溫度與水溫差值會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池壁傳熱系數(shù)顯然存在較大差異。另一方面，污水處理廠除生化池外，還存在較多其它構(gòu)筑物，如，旋流沉砂池、二沉池等；這些構(gòu)筑物在外界環(huán)境溫度過低或過熱情況下，池壁溫度隨之下降或升高越明顯，則污水流經(jīng)這些構(gòu)筑物與池壁間的傳熱越不能忽視。因此，實際中需根據(jù)現(xiàn)場條件(如，池壁是否保溫、地上或地下式、室內(nèi)或室外等)嚴格確定池壁傳熱系數(shù)。

結(jié)語

污水處理過程水溫變化主要與生化反應(yīng)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、鼓風機為主的機械傳熱對污水處理過程溫度變化幾乎沒有太大影響。環(huán)境熱傳導主要受溫差和換熱系數(shù)影響，在正常氣候條件下?lián)Q熱系數(shù)波動并不大，但可能出現(xiàn)極端氣候的地區(qū)則需要準確確定傳熱系數(shù)。本研究因?qū)崪y數(shù)據(jù)不充足，樣本數(shù)較少，應(yīng)用時還需根據(jù)實際情況對主要參數(shù)進行一定程度調(diào)整。