污水處理過程水溫變化模型構(gòu)建與驗(yàn)證

編者按：污水處理是一種復(fù)雜的物理-化學(xué)-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(dòng)態(tài)變化、氣候溫度、濕度等變化都會(huì)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(yùn)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(shí)際污水處理廠實(shí)測(cè)水溫?cái)?shù)據(jù)校驗(yàn)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(shì)，并對(duì)出水余溫?zé)崮芑厥站哂兄笇?dǎo)作用，有望助力污水處理廠節(jié)能減排、甚至實(shí)現(xiàn)碳中和。

文章亮點(diǎn)

·厘清污水處理過程水溫變化影響因素：生化反應(yīng)、機(jī)械傳熱、環(huán)境熱傳導(dǎo)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(dǎo)和微生物代謝影響較大。

·極端氣候地區(qū)需要準(zhǔn)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(píng)估污水處理廠處理水溫度變化趨勢(shì)時(shí)，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(jī)械傳熱N2、環(huán)境熱傳導(dǎo)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(jī)物氧化、脫氮過程中物質(zhì)分解轉(zhuǎn)化釋放熱量，例如：有機(jī)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(jī)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(fēng)曝氣為例)傳熱(Q5)。

3）環(huán)境熱傳導(dǎo)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(dǎo)熱和對(duì)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(jī)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(xì)菌(PAOs)過程機(jī)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(shí)PAOs 細(xì)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(xì)胞吸收VFAs(細(xì)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(jì)算。

2.2 機(jī)械傳熱(N2)

機(jī)械傳熱單元主要考慮水泵和鼓風(fēng)機(jī)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(fēng)機(jī)出口和管路中已散熱損失掉所以，鼓風(fēng)機(jī)以使用廣泛的多級(jí)離心式為例，被加熱的空氣經(jīng)過輸風(fēng)管路最后通過曝氣器進(jìn)入好氧池底部。期間，因輸風(fēng)管內(nèi)散熱而存在一定量熱損失。機(jī)械傳熱的主要參數(shù)見表3。

2.3 環(huán)境熱傳導(dǎo)(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(shì)必會(huì)與池壁發(fā)生熱交換。同時(shí)，污水暴露于空氣中，隨著季節(jié)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(duì)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(yùn)動(dòng)的結(jié)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(jù)不同環(huán)境溫度和濕度條件下水汽化熱值，可計(jì)算蒸發(fā)所帶走的熱量損失。

案例校驗(yàn)

為判斷構(gòu)建模型的準(zhǔn)確性，本研究獲取北京某污水處理廠2019年實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，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(shù)據(jù)代入模型，輸出污水處理溫度變化，并與實(shí)際值進(jìn)行比較來驗(yàn)證模型準(zhǔn)確性，同時(shí)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(dá)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(duì)較少，僅為26%。機(jī)械傳熱N2中水泵傳熱約為 121.2 kW，折算升溫約0.03 ℃。曝氣對(duì)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(dǎo)N3因選擇不同的傳熱系數(shù)對(duì)水溫變化影響而不同，因此，實(shí)際熱量衡算過程需嚴(yán)格校對(duì)環(huán)境傳熱系數(shù)K3(對(duì)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(shí)(2月和12月)最大，水溫降幅達(dá)1.5 ℃，而夏季(7月)升溫也可達(dá)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(huì)對(duì)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(duì)二者變化較為敏感。計(jì)算時(shí)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(jì)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)?？梢钥吹剑煌蛩貙?duì)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(dá)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(dǎo)影響較大，且微生物代謝也會(huì)對(duì)污水溫度產(chǎn)生一定的影響，而以水泵、鼓風(fēng)機(jī)為主的機(jī)械傳熱對(duì)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(yàn)，模型在冬季與實(shí)測(cè)溫度擬合效果并不理想，考慮到模型需要獲取準(zhǔn)確的換熱系數(shù)(K3)、池壁傳熱系數(shù)(B2)，準(zhǔn)確測(cè)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(shù)(K3)范圍為30(W/m2·K)~300(W/m2·K)，范圍取值跨度大，這對(duì)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(dǎo)致地區(qū)溫度變化增大。因此，模型應(yīng)用中需結(jié)合當(dāng)?shù)貙?shí)時(shí)氣溫與水溫溫差以及環(huán)境內(nèi)風(fēng)速大小來準(zhǔn)確確定評(píng)價(jià)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(huì)導(dǎo)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(shí)際中需根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)條件(如，池壁是否保溫、地上或地下式、室內(nèi)或室外等)嚴(yán)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(jī)械傳熱、環(huán)境熱傳導(dǎo)、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(dǎo)和微生物代謝影響較大，而以水泵、鼓風(fēng)機(jī)為主的機(jī)械傳熱對(duì)污水處理過程溫度變化幾乎沒有太大影響。環(huán)境熱傳導(dǎo)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(dòng)并不大，但可能出現(xiàn)極端氣候的地區(qū)則需要準(zhǔn)確確定傳熱系數(shù)。本研究因?qū)崪y(cè)數(shù)據(jù)不充足，樣本數(shù)較少，應(yīng)用時(shí)還需根據(jù)實(shí)際情況對(duì)主要參數(shù)進(jìn)行一定程度調(diào)整。