污水處理過程水溫變化模型構建與驗證
編者按：污水處理是一種復雜的物理-化學-生物綜合系統，其內部存在各種物質變量間相互作用；污水流速、濃度、成分動態變化、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。通過確定污水處理過程水溫變化邊界及其影響因素，構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據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能減排、甚至實現碳中和。
文章亮點
·厘清污水處理過程水溫變化影響因素：生化反應、機械傳熱、環境熱傳導與蒸發熱損。
·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處理水溫度變化趨勢時，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、環境熱傳導N3、水蒸發熱損失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、脫氮過程中物質分解轉化釋放熱量，例如：有機物(COD)降解熱量釋放(Q1)、硝化反應過程熱量釋放(Q2)和反硝化反應過程熱量釋放(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）環境熱傳導N3，包括環境換熱(Q6)和熱輻射(Q7)，其中環境內換熱方式涉及導熱和對流換熱。
4）水蒸發熱損失N4(Q8)。
2 模型參數
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。各單元具體參數見后文。
2.1 生化反應過程(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。有研究發現，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，因輸風管內散熱而存在一定量熱損失。機械傳熱的主要參數見表3。
2.3 環境熱傳導(N3)
遵循熱量自發由高溫傳遞到低溫物體規律，污水在池體內停留勢必會與池壁發生熱交換。同時，污水暴露于空氣中，隨著季節以及白晝，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射可見和不可見射線(電磁波)來傳遞能量。集體參數詳見表4。
2.4 蒸發熱損(N4)
污水表面蒸發是表面水分子熱運動的結果。液面蒸發時，質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，視污水溫度和環境溫度而定。根據不同環境溫度和濕度條件下水汽化熱值，可計算蒸發所帶走的熱量損失。
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2019年實測數據，收集實際進出水溫、環境溫度、進出水水質、水量等數據代入模型，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。
根據熱量衡算結果，生化反應N1總產熱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，實際熱量衡算過程需嚴格校對環境傳熱系數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(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。計算時考慮不同溫差(水溫和環境溫度)和換熱系數關系來計算最終水溫變化，從而可繪制出北京地區污水熱平衡三維模型(圖2a)。可以看到，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 ℃。
不同環節溫度變化數據見圖3可以看出，污水溫度整體變化量較小；其中，受環境熱傳導影響較大，且微生物代謝也會對污水溫度產生一定的影響，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(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出水水質等。
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時氣溫與水溫溫差以及環境內風速大小來準確確定評價污水處理廠換熱系數。
池壁換熱系數(B2)由于環境溫度與水溫差值會導致池壁與污水換熱工況發生改變，例如，地上和地下式污水處理廠池壁傳熱系數顯然存在較大差異。另一方面，污水處理廠除生化池外，還存在較多其它構筑物，如，旋流沉砂池、二沉池等；這些構筑物在外界環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，則污水流經這些構筑物與池壁間的傳熱越不能忽視。因此，實際中需根據現場條件(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
污水處理過程水溫變化主要與生化反應放熱、機械傳熱、環境熱傳導、以及蒸發熱損失有關。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。環境熱傳導主要受溫差和換熱系數影響，在正常氣候條件下換熱系數波動并不大，但可能出現極端氣候的地區則需要準確確定傳熱系數。本研究因實測數據不充足，樣本數較少，應用時還需根據實際情況對主要參數進行一定程度調整。
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