曝气原理与设备讲义.ppt

第四节 曝气的原理、方法与设备, 曝气的原理； 曝气系统的设计计算； 主要的曝气设备,有关曝气、供氧的基本概念,曝气作用：供氧、搅拌 曝气方式： 1. 鼓风曝气系统 2. 机械曝气装置（纵轴表面曝气机、横轴表面曝气器） 3. 鼓风+机械曝气系统 曝气的原理与过程：需氧、供氧、曝气（供气） ； 标准供氧量与实际供氧量,一、曝气原理,双膜理论,双膜理论：污水生物处理领域中广泛应用的气体传递理论。这一理论的基本点可归纳如下：在曝气过程中，氧分子通过气、液界面由气相转移到液相的过程中 （1）在气、液两相接触的界面两侧存在着处于层流的气膜和液膜，在其外侧分别是气相和液相的主体（紊流）。（2）在气、液两相中，不存在传质阻力，气体分子从气相主体传递到液相主体的阻力，主要存在于气膜和液膜中。（3）在气膜中存在氧的分压梯度，液膜中存在氧的浓度梯度，都是氧转移的推动力。（4）气膜中氧分子的传递动力很小，界面处的溶解氧浓度值是氧分压为p条件下的饱和浓度值。（5）氧难溶于水，因此氧转移主要阻力主要来自液膜，O2通过液膜的转移速率是氧扩散转移全过程的控制速率。,在废水生物处理系统中，氧的传递速率可用下式表示：,式中：dm/dt氧传递速率，kgO2/h； Kg 氧分子在液膜中的扩散系数； A 气、液两相接触界面面积； s0 氧在界面上的饱和溶解氧浓度； 0 氧在溶液中的实际溶解氧浓度。 dm=Vd0（V：液相主体的容积），则上式可改写成：,式中：d0/dt液相主体中溶解氧浓度变化速度，氧转移 速度kgO2/m3 h；,氧转移过程中的传递速率认为主要是界面上的饱和溶解氧浓度值(s0 )与液相主体中的溶解氧浓度值(0 )之差。,通常KgA/V项用KLa（总转移系数）来代替，由此上式变为： KLa：氧总转移系数，此值表示在曝气过程中氧的总转移性，当传递过程中阻力大，则KLa值低，反之则KLa值高。 将上式进行积分，可求得总转移系数KLa ：,当混合液中氧的浓度为零时，由于具有最大的推动力，因此氧的转移速率最大。,影响氧转移的主要因素,水质, = 0.8 0.9, 0.90.97,水温对氧转移速率有两种相反的影响，总的来说，水温降低有利于氧转移,修正系数、 值，可通过对清水、特定污水的曝气充氧试验予以测定。,不同温度下，蒸馏水中的饱和溶解氧浓度,氧分压,：影响饱和溶解氧浓度s0 气压降低，饱和溶解氧也随之下降，反之则提高。因此，在气压不是标准大气压的地区， s0值应乘以压力修正系数,影响氧转移的主要因素,综合水质、水温以及分压因素的影响，氧转移速率的表达式为：,二、鼓风曝气系统的计算,标准氧转移速率指脱氧清水在20C和标准大气压条件下测得的氧转移速率，一般以R0表示（kgO2/h）； 实际氧转移速率以城市废水或工业废水（实际水质）为研究对象，按当地实际情况（指水温、气压等）进行测定，所得到的是氧转移速率，以R表示，单位为kgO2/h。即： 实际大气压与曝气头安装水深 实际水温 实际的废水水质,氧的利用率（EA）：又称氧转移效率，是指通过鼓风曝气系统转移到混合液中的氧量占总供氧量的百分比（%）。,曝气的原理与过程,DO,CO2/H2O,压力、气量,1. 鼓风曝气系统中平均饱和溶解氧（sm）的计算,由于鼓风曝气装置安装在池底，池内的s0值以空气扩散装置出口和曝气池表面两处饱和溶解氧浓度的平均值sm计算，即：,式中：Ot从曝气池逸出气体中含氧量的百分率，%；,EA氧利用率，是指通过鼓风曝气系统转移到混合液中的氧量占总供氧量的百分比（%），一般在6%12%之间；,P曝气池水面的大气压力，P1.013105 Pa； Pb安装曝气装置处的绝对压力； H曝气装置距水面的距离，m。,在稳定条件下，曝气池中氧的实际转移速率应等于活性污泥微生物的需氧速率Rr( )，即,2.氧转移速率和供气量的计算,结论：氧的实际转移量等于活性污泥需氧量 意义：如果已知活性污泥微生物需氧量O2， 也就知道了氧的实际需要的氧转移量。,2.1 氧转移速率的计算,2.1 氧转移速率的计算,标准条件下，转移到脱氧清水的总氧量（R0）：,实际条件下，转移到曝气池的总氧量（R）： （引入各项修正系数：压力、温度、水质），即：,2、氧转移速率和供气量的计算：,2.1 氧转移速率的计算,制造商提供的曝气设备的性能参数是在标准条件下测得的，因此以上算得的需氧量O2必须换算成标准条件下（水温20，标准大气压的脱氧清水）的需氧量，以进行设备的选定。,2.2 供气量的计算,式中 ： EA氧利用率，通过鼓风曝气系统转移到混合液中的总氧量占供氧量的百分比（%），各种空气扩散装置在标准状态下的EA值，由厂家提供； S 供氧量，kgO2/h； 21%氧在空气中的百分比； 1.43 20C时氧的容积密度，kg/m3； Gs 供气量，m3/h。,2.2 供气量的计算,对于鼓风曝气系统，各种曝气装置的EA值是制造厂家通过清水试验测出的，随产品向用户提供； 对于机械曝气系统，按求出的R0值，又称为充氧量，其与叶轮直径及其线速度有关，厂家也会向用户提供其设备的R0值。,2.3 曝气系统设计计算一般步骤,A鼓风曝气系统设计的一般步骤： 计算风量即供气量： 求得需氧量O2,根据氧转移速率 = 需氧速率，则有 R=O2,确定鼓风机的风量,2.3 曝气系统设计的一般步骤,计算要求的风压（风机出口风压）： 根据管路系统的沿程阻力、局部阻力、静水压力再加上一定的余量，得到所要求的最小风压。 根据风量与风压选择合适的鼓风机。,B机械曝气系统设计的一般程序,充氧能力R0的计算： 求得需氧量O2,R=O2,例题,某城镇污水处理厂，设计流量Q10000m3/d，原污水经初次沉淀池处理后BOD5150mg/l，采用活性污泥法处理，处理水BOD515mg/l。采用中微孔曝气盘作为曝气装置。混合液活性污泥浓度Xv=2000mg/l，曝气池出口处溶解氧0 =2mg/l，计算水温T=250C。 有关参数为：a=0.5, b= 0.1, =0.85, =0.95，=1.0， EA=10% 经计算曝气池有效容积V3000m3，（空气扩散装置）曝气盘安装在水下4.5m处。 求：(1)采用鼓风曝气时，所需的供气量Gs（m3/min） (2)采用表面机械曝气器时的充氧量R0 (kgO2/h),解：,A鼓风曝气系统 (1) 计算需氧量：,（2）计算20C和25 C时曝气池内饱和溶解氧的平均值 sm： 为此，确定式中各参数值： 曝气装置出口处的绝对压力Pb：,气泡逸出曝气池表面时，氧的百分比Ot值：,查表得20C和25C时的饱和溶解氧浓度分别为： Cs(20)=9.17mg/L; Cs(25)=8.38mg/L; 有：,（3）标准供氧速率R0：,（4）计算供气量：,B. 机械曝气器 求充氧能力R0：,查表得20C和25C时的饱和溶解氧浓度分别为： Cs(20)=9.17mg/L; Cs(25)=8.38mg/L; 有：,三、曝气设备,定义： 曝气系统，又称为空气扩散系统，是活性污泥处理系统的重要设备，也是活性污泥法设计中的重要组成部分。 作用： 将鼓风机输送来的压缩空气，通过管道系统进入空气扩散装置，利用空气扩散装置将空气粉碎成大小不一的气泡，气泡在上升的过程中将部分氧气转移到水中。 曝气装置的分类： 按曝气方式可以将其分为鼓风曝气装置和表面（机械）曝气装置两大类。,曝 气 设 备,鼓风曝气,机械曝气,鼓 风 机,空气输配管系统,扩 散 器,竖式曝气机,表面曝气机,卧式曝气机,衡量曝气设备的技术性能指标,氧的利用率（EA）：又称氧转移效率，是指通过鼓风曝气系统转移到混合液中的氧量占总供氧量的百分比（%） ； 充氧能力（R0）：通过表面机械曝气装置在单位时间内转移到混合液中的氧量（kgO2/h） ； 动力效率（Ep）：每消耗1度电转移到混合液中的氧量（kgO2/kw.h）。,鼓风曝气,空气净化器,鼓 风 机,空气输配管系统,扩 散 器,鼓风机供应压缩空气,风量要满足生化反应所需的氧量和能保持混合液悬浮固体呈悬浮状态。,风压要满足克服管道系统和扩散器的摩阻损耗以及扩散器上部的静水压。,罗茨鼓风机：适用于中小型污水厂，噪声大，必须采取消音、隔音措施。,离心式鼓风机：噪声小，效率高，适用于大中型污水厂,空气净化器的目的是改善整个曝气系统的运行状态和防止扩散器阻塞。,鼓风曝气装置组成及各组成作用,鼓风曝气,空气净化器,鼓 风 机,扩 散 器,空气输配管道系统,其作用负责将空气输送到空气扩散器。要求沿程阻力损失小,曝气设备各点压力均衡,空气干管和支管流速符合设计要求，配备必要的手动阀和电动调节阀门。,微孔曝气设备,鼓风曝气,空气净化器,鼓 风 机,扩 散 器,扩散器的作用是将空气分散成空气泡,增大空气和混合液之间的接触界面，把空气中的氧溶解于水中。,空气输配管系统,微气泡扩散器,小气泡扩散器,中气泡扩散器,。,扩散器的类型,a. 微气泡空气扩散装置,材料： 由多孔性透气材料（陶粒、粗瓷、氧化铝、氧化硅或尼龙等）制成的扩散板、扩散盘和扩散管等； 主要性能特点： 能产生微小气泡，形成的气泡直径在0.2mm以下（在200m以下者，为微孔） ，气、液接触面大，氧利用率高：EA 10%， EP = 2 kgO2/kw.h以上； 缺点： 易堵塞，扩散阻力大，空气需经空气净化器处理净化。,微气泡空气扩散装置结构：,扩散板：扩散板沟a；扩散板匣b 扩散管 固定式平板型微孔空气扩散器 固定式钟罩型微孔空气扩散器 膜片式微孔空气扩散器,扩散板,扩散管,扩散管： 扩散管管径一般为60100mm，长度为500600mm。 以组装形式安装，以812根管组装成一个管组，便于安装维修，布置形式如同扩散板。 氧利用率约1013%，动力效率为2 kgO2/kw.h。,微孔曝气设备,b.中气泡型空气扩散装置,穿孔管 组成 管径2550mm的钢管或塑料管制成； 在管下部两侧呈45开孔，孔眼直径35mm，气泡直径为26mm，间距50100mm； 为了避免孔眼阻塞，穿孔管孔眼的流速应10m/s。 优点 不易堵塞，构造简单，阻力小； 氧利用率（EA）低，一般为68 % （46%排水） ； 动力效率（EP）亦低，可达12 kgO2/kw.h； 应用 穿孔管扩散器多组装成栅格型，一般多用于浅层曝气法，浅层曝气可节省动力消耗，氧利用率只有2.5%，动力效率可达2 kgO2/kw.h。,b.中气泡型空气扩散装置,新型中气泡型空气扩散装置 特点： 不易堵塞，布气均匀，空气不需过滤处理； 氧利用率较高，动力效率也高； 构造简单，维护管理方便； 应用： WM-180型网状膜空气扩散装置（代表性产品） 空气通过两次切割，形成微小气泡； 动力效率为2.73.7 kgO2/kw.h； 氧利用率为1215%； 单个扩散器的服务面积为0.5m2左右。,c. 大气泡型空气扩散装置,特点： 释放气泡直径大于6mm，常用竖管。 竖管直径1520mm，出口离池底15cm。 构造简单，阻力损失小，不阻塞，但氧利用率低，在5%6%之间，动力效率约1 kgO2/kw.h。,d. 水力剪切型空气扩散装置,原理： 利用装置本身产生水力剪切作用的构造特点，将大气泡切割成小气泡，增加气、液接触面积，达到提高效率的目的。 倒盆形曝气器 空气由上部进入，由壳体和橡胶板之间的缝隙向四周喷出，由于水力剪切作用，气泡变小；停止曝气时，借助橡胶板的回弹力，缝隙自动封闭，可以防止混合液倒灌。 EA=6.58.8%，Ep=1.752.88kgO2/kw.h,固定螺旋曝气器,工作过程： 由圆形外壳和固定在内部的螺旋叶片组成，每个螺旋叶片的旋转角为180，相邻叶片的旋转方向相反；空气由底部进入，向上流动，产生提升作用，使混合液循环流动；空气泡在上升过程中，被叶片反复切割，形成小气泡； 特点： 阻力小，搅拌力强，EA（810%）； 分为单螺旋、双螺旋、三螺旋等。,e. 水力冲击式（射流式）曝气器,分类：自吸式和供气式 原理：利用水泵射入的高速混合液水流，形成负压吸入大量空气，空气和混合液在喉管中强烈搅动，使气泡粉碎，继而在扩散管内，细微气泡进一步压缩，氧迅速转移到混合液中。 EA = 20%以上，但动力效率不高;,特点： 噪音小，无需鼓风机房； 一般适用于小规模污水厂。,表面曝气装置的分类：,竖轴式表面曝气装置 横轴式表面曝气装置,机械曝气装置 又称表面曝气装置,竖轴式机械曝气装置,泵型叶轮曝气器 K型叶轮曝气器 倒伞型叶轮曝气器 平板型叶轮曝气器,K型叶轮曝气器,特点： 最大叶轮可达4米，叶轮边缘的最大线速度可达4.56m/s，转速一般在20110r/min，Ep为23kgO2/kw.h,卧轴式机械曝气装置,主要有曝气转刷和曝气转盘，也称曝气转碟； 主要应用于氧化沟（活性污泥法的变形工艺）； 调节方便、维护简易、动力效率较高。,机械曝气原理,水跃曝气机转动时，表面的混合液不断地从周边被抛向四周，形成水跃，液面被强烈搅动而卷入空气； 提升曝气机具有提升作用，使混合液连续地上下循环流动，不断更新气液接触界面，强化气、液接触； 负压吸气曝气器的转动，使其在一定部位形成负压区，而从空气中吸入氧气。,四、曝气池的类型与构造,曝气池的分类： 根据曝气池内混合液的流态，可分为推流式、完全混合式和循环混合式三种； 根据曝气方式，可分为鼓风曝气池、机械曝气池以及二者联合使用的机械鼓风曝气池； 根据曝气池的形状，可分为长方廊道形、圆形、方形以及环状跑道形等四种； 根据曝气池与二沉池之间的关系，可分为合建式（即曝气沉淀池）和分建式两种。,（1）廊道型的推流式曝气池,多为采用鼓风曝气系统 空气管道和空气扩散装置沿池长的一侧布置，废水和回流污泥从池的首端进入，从另一端流出。 从池首到池尾，其F/M值、微生物