污水处理过程水温变化模型构建与验证
编者按：污水处理是一种复杂的物理-化学-生物综合系统，其内部存在各种物质变量间相互作用；污水流速、浓度、成分动态变化、气候温度、湿度等变化都会影响处理过程水温。而污水温度则直接影响污染物生物处理效果，既影响污水处理运行能耗，又与所含潜能回收有关。通过确定污水处理过程水温变化边界及其影响因素，构建了污水处理过程中水温变化热量衡算模型，并以实际污水处理厂实测水温数据校验和修正了温度模型。研究有助于了解污水处理过程水温变化趋势，并对出水余温热能回收具有指导作用，有望助力污水处理厂节能减排、甚至实现碳中和。本文网络首发于《环境科学学报》(2022年7月11日)。
文章亮点
·厘清污水处理过程水温变化影响因素：生化反应、机械传热、环境热传导与蒸发热损。
·辨明污水温度整体变化量较小(冬季T≤-1.5 ℃；夏季≥+1.0 ℃)，受环境热传导和微生物代谢影响较大。
·极端气候地区需要准确确定传热系数，以避免污水处理效率低下问题。
模型构建
1 模型边界
建立热量衡算模型评估污水处理厂处理水温度变化趋势时，定义Q为模型热量变化参数。根据影响污水温度变化因素确定模型边界，分别定义为：生化反应放热N1、机械传热N2、环境热传导N3、水蒸发热损失N4。各单元考虑热量变化组成如下：
1） 生化反应放热N1，包括污水有机物氧化、脱氮过程中物质分解转化释放热量，例如：有机物(COD)降解热量释放(Q1)、硝化反应过程热量释放(Q2)和反硝化反应过程热量释放(Q3)。
2） 机械传热N2，考虑各类泵(提升泵、回流泵等)传热(Q4)和曝气(以鼓风曝气为例)传热(Q5)。
3） 环境热传导N3，包括环境换热(Q6)和热辐射(Q7)，其中环境内换热方式涉及导热和对流换热。
4） 水蒸发热损失N4 (Q8)。
图1 热量衡算模型构建框架
Fig. 1 Framework of heat balance model
2 模型参数
通过影响因素剖析和模型边界确定，建立各部分热量衡算公式，详见表1。各单元具体参数见后文。
表1 不同过程热量衡算公式
Table 1 Different process heat balance formulas
注1)：根据保温与否修正。其中，T0表示实测环境空气温度；T1表示计算边界污水进水温度；T2表示池体内混合液温度；T3表示风机鼓风温度；t1表示修正后鼓风温度(计算见公式11)；t2表示受环境修正后水温(计算见公式(12))。
2.1 生化反应过程(N1)
污水中有机污染物降解存在微生物代谢热量释放情况，本模型中主要考虑COD降解和脱氮过程热量变化，忽略了生物除磷过程代谢热。从聚磷细菌(PAOs)过程机理上看，PAOs属于能量消耗型代谢，除磷过程中有效总能量减少。此外，厌氧时PAOs 细胞高能磷酸键(键能5 kcal·mol-1)断裂释放也会释放能量，但其产生的能量即使不用于细胞吸收VFAs(细胞内合成PHA)而全部释放所产生的热量也只能使温度升高0.00004 ℃。因此，模型中暂不考虑除磷过程热量代谢，以简化计算。
表2 生化过程模型参数定义
Table 2 Biochemical process model parameter definitions
2.2 机械传热(N2)
机械传热单元主要考虑水泵和鼓风机两部分。有研究发现，曝气过程仅能传输60%的热量，其余40%的热量在风机出口和管路中已散热损失掉所以，鼓风机以使用广泛的多级离心式为例，被加热的空气经过输风管路最后通过曝气器进入好氧池底部。期间，因输风管内散热而存在一定量热损失。机械传热的主要参数见表3。
表3 机械传热衡算过程参数定义
Table 3 Mechanical heat transfer balance process parameter definition
2.3 环境热传导(N3)
遵循热量自发由高温传递到低温物体规律，污水在池体内停留势必会与池壁发生热交换。同时，污水暴露于空气中，随着季节以及白昼，混合液和空气之间的温差也会造成温度的变化。此外还存在池体表面对外发射可见和不可见射线(电磁波)来传递能量。集体参数详见表4。
表4 环境热传导过程参数定义
Table 4 Definition of ambient heat transfer process parameters
2.4 蒸发热损(N4)
污水表面蒸发是表面水分子热运动的结果。液面蒸发时，质流方向总是从液面指向气体，但热流方向则可以从液面到气体，也可以从气体到液面，视污水温度和环境温度而定。根据不同环境温度和湿度条件下水汽化热值，可计算蒸发所带走的热量损失。
案例校验
为判断构建模型的准确性，本研究获取北京某污水处理厂2019年实测数据，收集实际进出水温、环境温度、进出水水质、水量等数据代入模型，输出污水处理温度变化，并与实际值进行比较来验证模型准确性，同时分析模型误差并加以修正。
根据热量衡算结果，生化反应N1总产热1 753.4 kW，折算水温变化约0.4 ℃。其中，脱氮过程热量释放比例较高，达约74%(硝化与反硝化分别占比31.7%和42.3%)，而COD降解代谢热量相对较少，仅为26%。机械传热N2中水泵传热约为 121.2 kW，折算升温约0.03 ℃。曝气对温度变化的影响介于0.018~0.022 ℃，影响并不显著。环境热传导N3因选择不同的传热系数对水温变化影响而不同，因此，实际热量衡算过程需严格校对环境传热系数K3(对该参数采用敏感性分析方法)分析结果知水温变化幅度冬季时(2月和12月)最大，水温降幅达1.5 ℃，而夏季(7月)升温也可达1.0 ℃。反观辐射传热和蒸发热损带来的温度变化范围温度变化分别<0.015 ℃和0.001 ℃，基本不会对水温造成影响。
图2(a) 水温变化与温差、传热系数关系
Fig. 2(a) Relationship among water temperature change, temperature difference and heat transfer coefficient
图2(b) 模型结果与实测数据
Fig. 2(b) Model-calculated results and measured data
上述结果表明，季节性温差和换热系数存在很大不确定性，且水温对二者变化较为敏感。计算时考虑不同温差(水温和环境温度)和换热系数关系来计算最终水温变化，从而可绘制出北京地区污水热平衡三维模型(图2a)。可以看到，不同因素对水温影响结果介于-1~1.5 ℃，其中，夏季升温1.5 ℃，冬季降温达到1 ℃。
图3 不同因素导致的水温变化量(采用7月数据计算，换热系数30 W/m2·K)
Fig. 3 Changed temperature caused by different factors
不同环节温度变化数据见图3可以看出，污水温度整体变化量较小；其中，受环境热传导影响较大，且微生物代谢也会对污水温度产生一定的影响，而以水泵、鼓风机为主的机械传热对污水处理温度变化几乎并无影响。
优化模型
通过案例校验，模型在冬季与实测温度拟合效果并不理想，考虑到模型需要获取准确的换热系数(K3)、池壁传热系数(B2)，准确测量水温与气温二者间温差，并确定水处理工艺和进出水水质等。
模型建立采用换热系数(K3)范围为30(W/m2·K)~300(W/m2·K)，范围取值跨度大，这对最终温度变化影响较大。不同地区由于地理位置原因导致气候差异较大，甚至同一地区亦可能因极端天气导致地区温度变化增大。因此，模型应用中需结合当地实时气温与水温温差以及环境内风速大小来准确确定评价污水处理厂换热系数。
池壁换热系数(B2)由于环境温度与水温差值会导致池壁与污水换热工况发生改变，例如，地上和地下式污水处理厂池壁传热系数显然存在较大差异。另一方面，污水处理厂除生化池外，还存在较多其它构筑物，如，旋流沉砂池、二沉池等；这些构筑物在外界环境温度过低或过热情况下，池壁温度随之下降或升高越明显，则污水流经这些构筑物与池壁间的传热越不能忽视。因此，实际中需根据现场条件(如，池壁是否保温、地上或地下式、室内或室外等)严格确定池壁传热系数。
结语
污水处理过程水温变化主要与生化反应放热、机械传热、环境热传导、以及蒸发热损失有关。污水处理过程水温整体变化量较小(冬季T≤-1.5 ℃；夏季≥+1.0 ℃)，其中，受环境热传导和微生物代谢影响较大，而以水泵、鼓风机为主的机械传热对污水处理过程温度变化几乎没有太大影响。环境热传导主要受温差和换热系数影响，在正常气候条件下换热系数波动并不大，但可能出现极端气候的地区则需要准确确定传热系数。本研究因实测数据不充足，样本数较少，应用时还需根据实际情况对主要参数进行一定程度调整。
