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通讯作者：韦朝海 教授
通讯单位：华南理工大学
https://doi.org/10.1021/acs.est.4c04155• 污废水处理过程天然存在一个响应自然温度变化的节能机制。
• 温度变化规律可被利用于废水处理实现节能减碳与提高效率。• 这种机制可以在任何具有曝气系统的水处理工艺中灵活应用。• 自然温度变化的周期性可提供低耗供氧的操作与低费用区间。图文摘要
高效率和低成本是全球几乎所有规模型污废水处理厂采用生物技术降解污染物的关键因素。活性污泥法能为微生物提供舒适的增殖环境，有效实现核心污染物的去除。即使在应用了一个世纪之后，活性污泥生物技术仍然是大多数工业废水和生活污水处理厂的最佳选择。作为与微生物活动相关的重要环境因素之一，温度变化可通过随机或确定过程同步控制微生物群落，从而导致出水水质的最终差异。曝气系统将自然温度的波动带入活性污泥系统中，从而导致废水水温的相应波动。环境温度波动将会直接干预废水处理所依赖的微生物繁殖、氧气传质和化学反应等过程。这种顺应自然节律的污废水处理机制是一个生态工程问题，目前尚未见到有关的报导。迄今为止，基于目标的污废水处理节能途径已经被大量研究，涉及原理、工艺、反应器、设备和管理等方面，在占据总能耗约60%的供氧能耗方面，如何大幅度削减能耗或者进一步提效方面面临着困境。本研究以一种新的思维模式，即利用时间温差―效率峰谷―供受关系的匹配调控，大幅度降低水处理的基态能耗。这一原理的阐明，将有助于全球未来污废水处理厂实施有针对性的节能策略，构建人类（排污）―污废水―微生物之间的联系。本研究以全规模OHO工艺的焦化废水处理厂（设计处理能力为60 m3/h）为分析案例（如图1所示），阐明水处理在应对自然温度变化时的有效性和节能机制，借助该系统提供的应对自然温度变化过程的热力学和动力学数据分析，评估案例中年度季节和昼夜更替时好氧生物曝气的潜在节能效果。响应自然温度变化的污废水处理厂节能机制突破了现有的水处理节能边界，能够有效地将水处理不同时空分布的全球气候适应性与区域能源限制的目标进行多维度的结合。 图1 焦化废水OHO工艺全流程示意图
根据韦朝海教授团队实际设计运行的好氧―水解脱氮―好氧（OHO：除碳氨氧化―水解脱氮―硝化矿化，基于元素价态的二级氧调控）焦化废水处理工程数据（图2）显示，环境温度波动会导致好氧反应器内的水温在夜间下降，从而提高溶解氧浓度，改善出水水质。同时因为低温运行的风机效率提高，从能耗角度降低运行费用。该案例的研究结果表明，利用自然昼夜温度变化可使OHO系统中的曝气装置每年减少660,980千瓦时的耗能（1.26 kWh/m3，约为30%）。不同的废水温度区间内昼夜温度变化所产生的曝气节能潜力存在差异。位于环境温度变化较大地区的污废水处理设施将从这一节能机制中获益更多。在新建或改造的污废水处理工程中可以采用流量动态控制、负荷转移和工艺单元编辑等方法实现这种响应温度变化的节能机制。结合时空尺度的温度变化规律，可以建立水量收集―好氧时段―电价峰谷等响应性功能控制机制实现处理过程中能源和运营成本的同步优化。 图2 焦化废水OHO工艺生化系统运行参数的季节和昼夜变化。（a）pH的季节变化：夏季出水的pH与进水的pH呈相反趋势；（b）曝气量和DO季节性变化：冬季的曝气效率明显较高；（c）pH昼夜变化：夜间的酸碱度明显低于白天；（d）DO的昼夜变化：O1和O2中的溶解氧与昼夜温度变化呈周期性变化。
图3总结了该焦化废水处理系统的运行水质特征，明显发现夜间运行的好氧单元可在降低曝气量的同时提高废水处理效果。这为利用昼夜温度变化节约能源提供了原理基础。其本质是根据昼夜温度变化优化曝气过程，即相同功率下低温的外环境能够提供更高质量的空气。在不影响出水水质的前提下，尽可能在夜间集中曝气和进水负荷，就能够降低能耗，节约运行成本，同时减排CO2。基于价态调控的双好氧单元流化床的OHO工艺可以更好地适应这种机制，同时确保出水水质的稳定性。智能控制系统可以被用来实现节能机制所需的HRT/OLR灵活调控。此外，环境温度的自然演变也会间接影响各种设备的效率。较低的温度可以为各种与水处理相关的设备提供更好的散热条件，保持稳定的运行状态。水泵和风机等高耗能设备受到的影响最大。风机的运行效率与温度、气压、湿度、阻力系数和空气过滤性能等因素有关。当外部环境条件发生重大变化时，风机曝气的供氧效率会产生较大波动。这种节能机制还可进一步应用于任何带有曝气装置的各种其他水处理工艺，构建基于溶解氧实时反馈的精准控制。具有一定初始温度的纸浆废水、食品加工废水和畜牧加工废水可以在设计与设备选型阶段重点考虑如何匹配这种节能机制。城市污水处理需要关注微生物脱氮除磷的温度要求，这种机制带来的潜力将会更加明显。 图3 OHO废水处理系统的COD、TN和TP去除率。（a）一年内COD出水浓度的变化（平均去除率：96.9%），（b）COD浓度在昼夜间的波动，（c）一年内 NH4+-N 出水浓度的变化（平均去除率：98.3%），（d）NH4+-N浓度在昼夜间的波动，（e）一年内TN出水浓度的变化（平均去除率：92.4%），（f）TN浓度在昼夜间的波动。
自然温度演变分为季节性变化和昼夜间波动两种情况。曝气过程会促使水处理系统内的废水温度出现与环境温度类似的响应波动。水处理反应器中的每种微生物或菌株都有自己的最佳温度范围。季节性温度变化与微生物的长期适应性相关，这种适应过程有利于在单元反应器内逐渐形成具有优势菌株的微生物群落生存，从而提高水处理效率。相比之下，昼夜温差造成的短期温度变化更多的是为生化反应创造合理的环境适应性。短期的自然环境产生的温度变化会不断影响微生物群落的结构和性能。较高的废水温度会减少生物多样性和生物量，对温度敏感的物种容易受到干预，大部分微生物不能很好地工作。温敏性好的微生物需要承担维持整个水处理系统稳定的作用，对此，对温度进行区间管控非常重要。当温度远低于最佳温度范围时，细胞的新陈代谢会显著减缓，甚至可能凋亡。当废水温度低于10℃时会导致细胞膜内的流动性急剧下降，影响新陈代谢。因此，在运用曝气系统调控废水温度时也需要同步考虑极端天气变化或冬夜时的保温问题。图4的热力学模型显示：O1和O2反应器中相对稳定的废水温度会出现在与环境气温相关的日变化趋势和季节变化趋势中。曝气过程强化了大气与废水之间的热传递/交换。一般情况下，焦化废水经热交换系统调节至约38℃后被泵入生化处理系统。废水温度会通过曝气逐渐接近但不等于空气温度，因为这种变化存在饱和效应。O1反应器的夏季平均废水温度达到36℃，此时微生物能保持足够的生化活性。但如果由于生化反应放热或其他因素导致温度上升，生化平衡将被打破。 图4 OHO工艺两个好氧反应器响应自然温度变化的热力学模拟。（a）O1反应器的温度变化曲线；（b）O2反应器的温度变化曲线；（c）夏季曝气时典型的空气和废水温度波动；（d）冬季曝气时典型的空气和废水温度波动。
溶解氧、废水温度和最大耗氧量是构建焦化废水氧传质动力学机制的基础。其中，任何一个因素的变化都会促使其他两个因素进入新的平衡状态。温度降低会提高含氧率，但也会导致微生物呼吸率下降。好氧降解加速也会刺激最大耗氧速率的相应上升，因放热而提高水温，以维持生物系统的相对稳定（如图5所示）。因此，我们可以得出结论：提高最大摄氧量对于确保在相对较低的温度下有效处理废水至关重要。降低温度在一定程度上提高了焦化废水的处理效率。但降温必须控制在一定范围内，否则温度过低会导致反硝化功能障碍。最大耗氧率与反应器中的微生物浓度成正比，我们建议在焦化废水降温运行时提高微生物的浓度。对于低温环境下的污废水处理，特别是城市污水处理，高有机负荷运行是必要的，此时，生化反应的热释放带来的升温效应变得更重要。图5 溶解氧、废水温度和最大耗氧率三因素变化图（a）；溶解氧浓度等线图（b）
通过废水处理工艺的合理设计与运行模式的探索，进一步挖掘节能潜力，属于全球性的紧迫需求。本文的研究结果暴露，合理利用自然温度变化进行工艺参数控制可以成为提升污废水处理设施能源效率的简便方法。自然环境温度的变化会通过在好氧曝气的过程中直接或间接地影响反应器内的溶解氧和水相温度。夜间温度一般比白天较低，相对的低温提升了功率输出中氧气含量且提高了氧气的传质效率，温差及其过程变化值得考虑。在进行污废水处理技术工艺单元编辑时，设计方可以从当地的自然节律变化特征中找到与实际条件合理匹配的特征函数指导工程建设。除了重视温度波动，当地降雨量、风速风向、空气湿度、气压变化等也是工程设计阶段需要加以考虑的环境因素。这项工作的研究成果旨在为探索污废水处理节能的新原理、新工艺和新运行模式提供可参考的案例，需要区别对待各种工况下的不同类型的污废水。例如，基于现行的峰谷电价政策，我们可以利用集水调节池缓冲实现水流量向夜间集中，大幅降低能源消耗与运行成本。这种运行方式顺应昼夜自然变化，把提高效率与降低成本有机结合。所有具有曝气系统的污废水处理工艺都能基于能源规律灵活管理，从这种节能机制中受益，包括提效、降低费用与次生污染物的减排。我们相信，在追求污废水处理污染物彻底反应而受到能耗约束的今天，需要从不同的维度中寻优，即低耗―高效―少排的一致性，响应自然温度演变的污废水处理节能机制可能存在丰富的工程实践空间。覃智，在读博士研究生，研究方向为污废水的污染控制与节能增效，内容涉及焦化/制药废水工程工艺物质流/能量流分析、流化床反应器设计以及工艺节能，低物耗与资源回收新途径等方面。目前已在Environ Sci Technol等杂志上发表SCI论文18篇，持有授权发明专利2项。
韦朝海，博士，教授，现任职华南理工大学环境与能源学院。主要研究方向为水污染控制理论与技术。曾主持国家自然科学基金重点项目、联合项目、面上项目以及国家863项目等10余项，主持其他各类科研、工程、咨询等项目120余项。提出了OHO工艺、溶液性质、仿生吸附、过程减盐等概念，发明了卧式矩形流化床、曳力分离反应器等技术。迄今在国内外学术刊物发表学术论文590余篇，持有专利30余项，论文引用超过25800次。在生物流化床反应器与深度脱氮资源化的OHO和A-OHO工艺方面创造了集成技术，实现了多行业的工程应用。
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