（流体机械及工程专业论文）双叶轮液下自引气曝气机优化运行实验研究.pdf

江苏大学硕士学位论文 摘要 不断增加的工业废水与生活污水排放使人类赖以生存的水资源遭到极大的 破坏，造成巨大的环境污染，严重影响人们的健康生活和经济的持续发展。污水 的治理迫在眉睫。 目前活性污泥法是污水处理中采用的主要方法，而溶解氧的控制是活性污泥 法中的至关重要的环节。无论是控制出水水质还是节能经济运行，溶解氧基本都 是问题的中心所在。调节污水中的溶解氧浓度，控制曝气的运转是主要的方式， 因此曝气机在不同转速下的充氧性能的重要性就凸现出来。本课题以双叶轮液下 自引气曝气机为研究对象，通过理论分析与实验研究相结合，分析其在不同转速 下的充氧性能，建立转速与充氧速度间的数学模型，为其优化运行提供基础研究， 主要内容如下： 首先根据双叶轮液下自引气曝气机的结构，利用流体力学以及流体机械的基 础理论知识，综合考虑空气，水流经过两个叶轮( 风叶轮，水叶轮) 作用后，引起 压力和速度的变化，分析曝气机向水中充入空气量与转速的关系。 其次，通过大量的实验后，分析实验得到的数据，运用回归分析的方法，求 出曝气机不同转速下，向水中充入空气量，充氧的速度以及氧的利用率跟转速的 关系，并对实验的到的结果进行分析。建立曝气机充氧速度与其转速的关系。 实验结果的运用及仿真。建立一个溶解氧模糊控制器，控制器可以考虑曝气 机充氧性能与转速的关系、或不考虑这些关系。运用m a t l a b 中的s i m u l i n k 仿真模块分别进行这两种情况下曝气控制效果仿真，并比较仿真得出的结果。 关键宇：溶解氧、曝气、曝气机、活性污泥法、优化运行。 江苏大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h ee v e r - i n c r e a s i n gs e w a g ef r o mf a c t o r i e sa n dr e s i d e n c eh e a v i l yd a m a g ew a t e r r e s o u r c e s r e s u l t e dal o to fe n v i r o n m e n t a lp o l l u t i o n t h i sh a sas e r i o u s l yb a de f f e c to n p e o p l e sh e a l t ha n de c o n o m i cd e v e l o p m e n t ，a n ds ot h et r e a t m e n to fs e w a g ei s i m m i n e n t t oc o n t r o lt h ed i s s o l v e do x y g e n ( d o ) i ns e w a g ei sc r u c i a li nt h ea c t i v a t e ds l u d g e p r o c e s sw h i c hi su s e dm o s t l yi na l lt h es e w a g et r e a t m e n tm e t h o d sa tp r e s e n tt h ed o i sak e yf a c t o ro nw h i c ht h ec o s ta n dt h eq u a l i t yo ft h et r e a t m e n td e p e n d sb e c a u s e t h ec o n c e n t r a t i o no ft h ed oi su s u a l l ya d j u s t e dt h r o u g ht h ec h a n g eo fa e r a t i o n m a c h i n e s s p e e d t h eo x y g e n - i n f u s ec a p a c i t yo fa na e r a t i o nm a c h i n ea td i f f e r e n t s p e e di sp r i m es i g n i f i c a n c e i no r d e rt oo p t i m i z et h eo p e r a t i o no fa e r a t i o nm a c h i n e si t i sn e c e s s a r yt oa n a l y z et h ec a p a c i t yt a k et h ec a s eo fd o u b l e r o t o ru n d e r w a t e r a e r a t i o nm a c h i n e ( d r u a m ) a n dt h ef o l l o w i n gj o bw a sc a r d e do u t 1 a n a l y z i n gt h es t r u c t u r eo ft h ed u u a ma n dt h er e l a t i o n sb e t w e e nt h es p e e d a n dt h ea e r a t e dd i s c h a r g ei n f u s e di n t ow a t e rb ya e r a t i o nm a c h i n eb a s e do nf l u i d d y n a m i c sa n df l u i d m a c h i n et h e o r y 2 w i t ht h ea i do fr e g r e s s i o na n a l y s i s ，f i n d i n gt h er e l a t i o n sb e t w e e nt h es p e e d a n dt h eu t i l i z a t i o nr a t i o o fo x y g e n a n dt h ea e r a t e dd i s c h a r g ei n f u s e di n t ow a t e r t h r o u g he x p e r i m e n t s 3c o n s t r u c tad of u z z yc o n t r o l l er b a s e do nt h ec o n c l u s i o nd r a w nf o r ma n a l y s i s a n de x p e r i m e n t ，s i m u l a t et h ec o n t r o lo ft h ed or e s p e c t i v e l yw i t hc o n s i d e r a t i o no ft h e o x y g e n - i n f u s ea b i l i t yo fa na e r a t i o nm a c h i n ea td i f f e r e n ts p e e da n dw i t h o u t a n dt h e n c o m p a r et h er e s u l t sf r o mt h es i m u l a t i o n k e yw o r d s ：d i s s o l v e do x y g e n ( d o ) ，a e r a t i o n ，a e r a t i o nm a c h i n e ， a c t i v a t e ds l u d g ep r o c e s s ，o p e r a t i o no p t i m i z i n g i i 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学位保 响国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借 泰人授权江苏大学可以将本学位论文的全部内容或部分内容编入有关数据库 检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 保密口，在年解密后适用本授权书。 不保密 位论文作者签名：- 乞辛 卅一年r 月1 日 指导教师签名：将艺 2 1 ，奎年易月c 日 影 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进 行研究工作所取得的成果。除文中已注明引用的内容以外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研 究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完 全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：i t j 埸 e t 期：巧年月。 e t 江苏大学硕士学位论文 1 1引言 第一章绪论 现代工业的飞速发展，给我们带来了巨大的物质和精神财富，同时，也给我 们带来了一个全球性的问题：环境污染。不断增加的工业废水与生活污水的排放 使人类赖以生存的水资源遭到极大的破坏，成为人类社会可持续发展的主要制约 因素之一。 据1 9 9 6 年水利部资料显示，全国日排污水超过亿吨，并逐年增加，通过监 测显示地表和地下水体均受到严重的污染，而且降雨的酸化正在成为新的污染 源。2 0 0 0 年中国科学院发表一篇”9 0 年代中期中国环境污染经济损失估算”报告。 报告对1 9 9 5 年的估算指出，环境污染的生态破坏造成的经济损失达1 8 7 5 亿元， 占当年的g d p 值的3 2 7 。其中全国工业性污染缺水造成的直接经济损失就有 7 5 0 亿元。2 0 0 3 年，中国水利水电科学研究院发表篇”我国水污染经济损失估 算”报告，以1 9 9 8 年各类年鉴资料为基础，统计出该年由于水污染对工业，农业 共造成了1 7 4 9 2 亿元的损失。水污染也不可避免的危害了旅游业的发展【3 6 】1 3 8 】。 水污染还影响人民的生活，损害人体健康。 对于全人类而言，可用水资源是有限的，而我国又是1 3 个贫水国家之一。 严峻的事实需要我们在推行可持续发展战略的同时必须做到节约用水、清洁生产 和达标排放。必须加强实施污水处理、污水资源化、防治水污染等。 1 2 课题意义 在”七五”和”八五”期间，我国大部分中型以上的城市均建成了污水处理厂， 用以处理生活和工业污水。随着人们环保意识的增强，特别是越来越严格的环保 政策及相关法规的实施，国家将加大对环保的投入力度。更多的和规模大的污水 处理厂正在建设中。今后的五年我国要新增2 8 0 0 万吨的城市污水处理能力，各 种总投资超过1 0 0 0 亿元。国内外9 0 以上的城市污水和5 0 左右的工业废水采 用活性污泥法来进行处理；目前我国正在建设的城市污水处理厂几乎都采用活性 污泥法。在活性污泥法处理污水的生化过程中需要大量的溶解氧，曝气成为进行 江苏大学硕士学位论文 生化处理的核心环节。在应用活性污泥法的污水处理厂中，其曝气过程的能源消 耗占污水处理费用的主要部分。 由于曝气过程向污水充氧受到影响因素较多目前国内建成的污水处理厂对 曝气环节多数采用了开环控制和粗放控制。这造成了不必要的能源消耗，并且影 响出水水质和带来污泥膨胀等不良后果。优化曝气机的运行不但可以向污水中充 入适量的溶解氧，同时还可以节省能源，避免曝气不足或曝气过度所带来的负面 影响。从国外引进的9 0 年代技术水平的污水处理成套设备，大都是对曝气这一 环节进行闭环控制，来优化曝气系统的运行。 针对国内众多污水处理厂对曝气这一核心环节开环、粗放控制的状况并由此 带来的负面影响，本课题：双叶轮液下自引曝气机优化运行实验研究( 江苏省科 技计划发展项目，b m 2 0 0 2 8 0 5 ) ，以双叶轮液下( 潜水) 自引气曝气机为研究对象， 研究曝气机的转速和充氧速度的关系，通过对曝气机结构进行理论和实验分析， 建立充氧量、氧的利用率和转速之间的数学关系和模型。为建立起一个合理的控 制系统，调节曝气机的运转来满足污水需氧量，达到优化运行的目标提供基础研 究。 目前我国的污水处理设备制造水平的科技含量比较低，尤其在在线监测、控 制等方面与国外发达国家相比存在较大的差距，一些9 0 年代的新型技术在国内 还存在空白【”l 。本课题的研究，不仅可以为污水处理技术的改进提供理论依据和 实践方法，也对我国在污水处理设备技术的改进，实现技术创新起到积极推动作 用。同时，我国机械制造主管部门已将环保设备制造生产列为重点方向，因此本 课题也具有重大的现实意义。 1 3 国内外动态 1 3 1 生化需氧量( b o d ) 以及相关传感器的研制 生化需氧量是一项最基本的水质污染指标，五闩生化需氧量法( b o d ，) 是我 国现行的标准测定法。它是在1 9 1 6 年由英国皇家科学院根据伦敦泰晤士河流经 入海的时间而制订出来的，随后被美国公共卫生协会采用，之后又逐渐被各国普 遍采用且沿用至今。由于该方法重复性差、干扰因素多，而且测定时间为5 天， 不能及时反映排放水的污染程度，从而也无法进行现场监控。为了达到及时监测 江苏大学硕士学位论文 水质污染程度的目的，多年来，人们一直在寻求快速测定b o d s 的方法。 1 9 7 6 年v e r n i m m e n 等首先提出了用氧电极接种活性污泥测定b o d ；的方法， 1 9 7 7 年日本科学家k a r u b e ，i 等人发现用微生物菌体制成生物膜传感器可以用来测 量生化需氧量，几十分钟就可完成测量。虽然此传感器只有1 0 n 的寿命，但这项 研究发表后仍引起了各国生物传感器研究者的重视，此后进入了深入研究阶段。 1 9 8 3 年，日本首先将其开发为产品。1 9 9 0 年日本制订了仪器标准( j i s k 3 6 0 2 ) ，称 之为b o d s 。1 9 9 3 年，日本专家k o n g i 等发明t r o d t o x 型b o d 短期在线检测仪。 1 9 9 5 年，中国研制成功b o d 快速检测仪。国内曾有上海雷磁仪器厂生产过生物 化学需氧量分析仪、沈阳分析仪器厂生产过s x i v 型快速b o d 测定仪、以及天津 赛普环保科技发展有限公司、青岛天林环保公司等。 由于b o d 在线检测仪昂贵的价格和维护的极其不便，其在污水处理过程控 制中并没有得到广泛的应用。为了实现污水处理的实时控制，经过大量的研究和 探索后，研究者发现溶解氧( d o ) 、氧化还原电位( o p r ) 和p h 值在污水生物处理中 有很大的应用价值。 污水处理反应器中的微生物的活性和溶解氧浓度有密切联系，好氧微生物在 降解污水中有机污染物的过程时需要消耗污水中的溶解氧，控制污水中溶解氧的 浓度在污水处过程中有着很重要的作用，处理污水量的变化、污水中有机物浓度 的变化；需氧量、微生物耗氧的速度也会有所改变。假设向污水中充氧的速度不 变，当底物过量时，微生物耗氧速度加快，溶解氧浓度降低：当底物不足时，微 生物耗氧速度降低，溶解氧浓度升高。因此可以以溶解氧浓度的变化为依据，控 制曝气设备的供氧速度，使得污水中的溶解氧保持在某一值附近，有利于微生物 的连续生长，同时也节约能源，防止过量曝气带来污泥膨胀等负面效应。 氧化还原反应实质上是在氧化剂和还原剂之间的电子交换过程，对于生物处 理系统，往往同时进行氧化物质和还原物质的氧化还原反应的综合结果。许多重 要的生命物质：如酶、维生素、激素、色素等，都可以作为氧化还原系统。来自 污水和微生物代谢产生的许多氧化还原物质对氧化还原电位也有影响。而且生物 处理系统中的氧化还原反应有的可能达到平衡，有的可能没有达到平衡，因此对 生物处理系统而言，o r p 不再是一个热力学平衡概念，也不能作为某一种氧化剂 或还原剂的浓度指标，但它对系统总的氧化还原反应给出了一个综合指标，这为 江苏大学硕士学位论文 讨论o r p 与生化反应进程的相关关系提供了理论依据。研究表明：随着污水中的 有机物被氧化分解，系统o r p 有所增加。许多研究者都提倡用o r p 作为污水处理 新的过程控制变量。 1 32 污水处理自动控制研究与应用现状 除传统的控制技术( p n p i d 控制) 外，污水处理系统应用的控制技术主要有专 家系统、模糊逻辑、神经网络等智能控制技术。 a 专家系统 专家系统是一种基于知识的系统( k n o w l e d g e b a s e ds y s t e m ) ，主要有知识库和 推理机组成。从1 9 8 8 年开始，gl a d i g e s 等人开始开发专家系统，1 9 9 1 年，他们将 在线专家系统( o n l i n ee x p e r ts y s t e m ) 应用s a l z g i t t e r - b a d 市的传统二级污水厂。 1 9 9 2 年，有开发了针对a o 同时脱氮除磷工艺的离线专家系统( o f f - l i n ee x p e r t s y s t e m ) ，解决脱氮、除磷、泥水分离、污泥膨胀等问题。nho z g u r 平 1 mk s t t e n s t r o n 开发针对精细化工废水处理厂的专家系统，用于对硝化过程出现问题进行判断和 改正，也可以用以过程控制，具有预测、解释、建议和防止等功能。sw n a m 等 针对处理水质量变化较大的食品废水处理厂建立了综合控制系统，由管理层和过 程控制层组成，过程控制层控制进水流量、p h 、d o 和m l s s ( 混合液悬浮固体浓 度，m i x e dl i q u o rs u s p e n d e ds o l i d s ) 共4 个过程控制变量。此控制系统运行前后比较， 出水b o d 降低超过5 0 ，节能约5 0 。 b 模糊控制系统 活性污泥法是一个微生物动态系统，系统的变量之间存在高度的非线性关 系，传统的控制理论很难描述这些关系。建立污水生物处理控制系统的关键是建 立模糊控制器，主要包括输入和输出参数的模糊化和清晰化，控制规则的获取以 及模糊推理。1 9 8 0 年，r m t o n g 等人首次将模糊控制应用与污水生物处理系统中， 简化活性污泥工艺的控制问题，控制污泥回流比、d o 值、污泥排放、维持出水 水质，防止污泥膨胀和上浮。根据运行管理人员的经验建立的活性污泥工艺模糊 控制器明显改善了出水水质。s a m a n e s i s 等人提出了针对a o 脱氮工艺的智能控 系统，输入参数包括反应器中的n h ；，n o ；，d o ，温度，m l s s 以及原污水与 二沉池的b o d 之差共六个变量，输出的变量包括好氧段的供氧量，从反应器曝气 段到缺氧段的混合液回流比和从二沉池到生物反应器的污泥回流比，控制规则来 4 江苏大学硕士学位论文 讨论o r p 与生化反应进程的相关关系提供了理论依据。研究表明：随着污水中的 有机物被氧化分解，系统o r p 有所增加。许多研究者都提倡朋o r p 作为污水处理 新的过程控制变量。 1 32 污水处理自动控制研究与应用现状 除传统的控制技术( 女h p i d 控制) 外，污水处理系统应用的控制技术主要有专 家系统、模糊逻辑、神经网络等智能控制技术。 a 专家系统 专家系统是一种基于知识的系统( k n o w l e d g e b a s e ds y s t e m ) ，主要有知识库和 推理机组成。从1 9 8 8 年开始，gl a d i g e s 等人开始开发专家系统，1 9 9 1 年，他们将 在线专家系统( o n l i n ee x p e r ts y s t e m ) 应用- 与s a l z g i t t e r - b a d 市的传统二级污水厂。 1 9 9 2 年，有开发了针对a j o 同时脱氮除磷工艺的离线专家系统( o f f - l i n ee x p e r t s y s t e m ) ，解决脱氮、除磷、泥水分离、污泥膨胀等问题。n h o z g u r d m ks t t e n s t m n 开发针对精细化工废水处理厂的专家系统，用于对硝化过程出现问题进行判断和 改正，也可以用以过程控制，具有预测、解释、建议和防止等功能。sw n a r n 等 针对处理水质量变化较大的食品废水处理厂建立了综合控制系统，由管理层和过 程控制层组成，过程控制层控制进水流量、p h 、d o 和m l s s ( 混合液悬浮固体浓 度，m i x e d l i q u o rs u s p e n d e ds o l i d s ) 共4 个过程控制变量。此控制系统运行前后比较， 出水b o d 降低超过5 0 ，节能约5 0 。 b 模糊控制系统 活性污泥法是一个微生物动态系统，系统的变量之间存在高度的非线性关 系，传统的控制理论很难描述这些关系。建立污水生物处理控制系统的关键是建 立模糊控制器，主要包括输入和输出参数的模糊化和清晰化，控制规则的获取u 及模糊推理。1 9 8 0 年r m t o n g 等人首次将模糊控制应用与污水生物处理系统巾t 简化活性污泥工艺的控制问题，控制污泥回流比、d o 值、污泥排放、维持出水 水质，防止污泥膨胀和上浮。根据运行管理人员的经验建立的活性污泥工艺模糊 控制器明显改善了出水水质。s a m a n e s i s 等人提出了针对a o 脱氮工艺的智能控 系统，输入参数包括反应器中的町，0 ：，d o ，温度m i 。s s 以及原污水与 二沉池的b o d 之差共六个变量，输出的变量包括好氧段的供氧量从反应器曝气 段到歃氧段的混合液回流比和从二沉池到生物反应器的污泥回流比。控制规则来 段到敏氧段的混合液回流比和从二沉池到生物反应器的污泥回流比，控制规则来 4 江苏大学硕士学位论文 自专家操作员的经验，由i f t h e n 语句表达，简化后的知识库由5 0 条规则构成， 在希腊p a t r a s 污水处理厂进行了仿真，检测结果表明与人工操作员控制相比有很 大的优势，可咀满足污水处理厂再大多数运行条件下的控制。g a l l u z z o 等人采用 基于规则的模糊多级控制连续流n d b e p r ( 硝化，反硝化生物过量吸磷) 污水处理 厂中的曝气量，通过启发式规则引入操作员的经验。第1 级控制器根据输入参数 j v h j n ，n 0 3 n 的浓度，估计d o 的设定值：第2 级根据前一级的输出和曝气池 出水尸6 i p 浓度校正d o 的设定值满足除磷的要求；第3 级引入进水流量作为d o 的校正因子。t a o i e t a t 针对连续进出水，间歇硝化反硝化，引用模糊控制达到稳 定的脱氮效果。模糊控制器的输入变量为d o ，o r p ，p h ， n h ；n ，输出变量 为曝气量，根据处理厂操作员经验，给出模糊控制规则，结果表明此系统可以对 高冲击负荷迅速采取对策，在常负荷条件下克服了时间序列控制存在的滞后性， 非稳定性。 c ，人工神经网络 人工神经网络具有很好的学习能力和适应能力。在神经网络中，知识是通过 学习而分布存储在网络中，个别处理单元出错时，对网络的整体行为只有很小的 影响，具有很好的容错能力，因此非常适用于控制污水处理的过程，解决其中的 许多问题。b o g e r 根据污水处理厂两年中的每日运行数据库，开发了一个高度仪 表化的计算机控制大型污水处理厂的人工神经网络模型。输入变量为8 6 个仪器检 测和实验分析的原水水质指标以及处理厂内部的运行参数，输出为1 9 种出水污染 物浓度。得到的模型精确的预测了污水处理厂出水中氨氮浓度。人工神经网络分 析的结果认为1 5 个输入对于输出有意义，识别出人工神经网络模型符合污水处理 厂的生物工艺理论。agc a p o d a g l i o 等人应用系统辨识技术对污泥的膨胀现象进 行了模型化处理，他们选用s v i ( 污泥容积指数，s l u d g ev o l u m ei n d e x ) 作为污泥膨 胀的指标，使用j o n e si s l a n d 污水处理厂1 4 个月的每日检测量作为训练数据，建立 了一个神经网络模型。a n n s 的输入为b o d 、n 、p 、d o 、污水在曝气池中停留 的时间和f ，m 等2 5 个参数，数出为s v i ，此模型得到的结果非常准确。 1 3 3 溶解氧与节能降耗 活性污泥法中，污水溶解氧溶度不但影响生化反应系统除磷脱氮、c o d 去除 江苏大学硕士学位论文 效果、污泥活性，研究表明其对污水处理费用也有很大的影响 2 2 l 。在满足出水水 质的前提下，维持较大的溶解氧浓度无疑增大供氧的费用，但同时也提高底物降 解速率，减少m l s s 浓度以及污泥回流等方面的运行费用，反之亦然。溶解氧对 费用的影响主要体现在两个方面：一是对单位质量氧转移费用的影响，二是对生 化反应速率的影响。目前，有学者在研究如何根据每日污水处理量、污水水质、 污水处理厂规模等综合指标来寻求一个比较理想的溶解浓度值，以便达到经济运 行的目的。 曝气环节的能耗一般占污水处理处理厂总能耗的近5 0 。节省曝气环节的能 耗对整个污水处理厂的经济运行、能源节省具有关键的意义。现在常采有的措施 有： 1 改进扩散管布置方式。采用微气孔曝气。对与鼓风曝气系统而言，传统 观念认为，扩散管单边布置易 究发现全面曝气可以在整个水 更好。微气孔曝气能减小气泡 风量，从而达到节能的效果。 以减少风量，但是实践研 形成局部混合，曝气效果 、加快氧转移速率、节约 2 使用高效菌种。采用强化生化处理方法、优选、驯化、接种新的微生物 高效菌种，提高其对处理水的忍耐力和降解力，从而减少对投加药剂和曝气量的 需求，实现节能。 3 在线控制。运用合适的控制系统，根据水质的各项指标综合来调节曝气 量，防止过度曝气造成能源的浪费和带来负面效果，并将溶解氧浓度控制在一个 合理值附近，达到经济运行的目的。 1 3 4 曝气方式与装置 曝气装置是活性污泥系统至关重要的设备之一。一方面曝气装置向污水中充 氧，补充生化反应所消耗的溶解氧；另一方面，保持污水和活性污泥混合均匀以 利于生化反应。一般说来曝气装置可以分为机械曝气装置、鼓风曝气系统、水力 剪切式曝气装置、水力冲击式曝气装置、水下曝气装置等 1 2 】。 机械曝气装置( 如倒伞型叶轮曝气器、转刷曝气器) 的叶轮安装在曝气池水 面，在动力的驱动下，使混合液连续上下循环流动，气液接触面不断更新， 同 时叶轮的转动造成液面剧烈搅动，在叶片后侧形成负压区而致使空气卷入水中。 6 江苏大学硕士学位论文 鼓风曝气系统由鼓风机、空气扩散管，和一系列连通管组成。鼓风机将空气 加压后经过系列管道输送到安装在曝气池底部的空气扩散管，经过扩散管，使 空气形成不同尺寸的气泡，气泡在上升过程中带动水流循环，使混合液处于剧烈 的搅拌混合状态，同时气泡中的氧转移到水中。 水力剪切式曝气装置( 如倒盆式曝气器) 是利用装置本身的构造特征，产生水 力剪切作用将从装置中吹出的空气剪切成小气泡，提高氧的转移效率。 射流曝气器属于水力冲击式曝气装置，利用水泵打入泥、水混合液的高速水 流，吸入大量的空气、泥、水气在喉管中剧烈混合搅动，使气泡粉碎成雾状，继 而在扩散管内，混合液的动能变成压能，微细的气泡进一步压缩，氧迅速的转移 到混合液中。 上述曝气装置在污水处理中应用广泛，但都有各自的不足之处，如鼓风曝气 系统的连通管、扩散管布置于污水中，易受腐蚀和堵塞，维护不便，氧利用率低。 对于射流曝气装置虽然氧利用率高，但是耗能较大，动力效率不高。 通常将液下曝气机看成是鼓风曝气系统的一种，因为普通的液下曝气机需要 鼓风机将空气压入液下曝气机，再通过液下曝气机的作用扩散到水中。与传统潜 水曝气机相比，双叶轮液下自引气曝气机采用双叶轮的结构，可以将空气自吸到 水中，不需要为其配置鼓风机，因此整体结构非常紧凑，而且运行时噪声很小， 充氧速度快，氧的利用率和动力效率高。 1 3 5 曝气装置的性能指标 表示曝气装置技术性能主要指标： 1 动力效率( e 。) ：每消耗1 k w h o g 能转移到混合液中的氧量，d 1 k 9 0 2 k w h 计。 2 充氧能力( e ) ：有两种方式来衡量曝气装置的充氧能力，一种方式是标 准条件下单位容积氧的转移速率，即： ( 等) 标2 k 式中c 指溶解氧的浓度，t 是充氧时间。充氧对象为脱氧清水，溶解氧的起始浓度 为零，k 。( ：。l 水温2 0 时的氧转移系数，可以通过在一个标准大气压2 0 下进 行充氧实验测得，c 啦0 ) 为2 0 c 时清水的饱和溶解氧浓度。另一衡量方式是标注 江苏大学硕士学位论文 条件下氧转移的速率，即： ( 等) 标= l l o i 2 0 ) c s ( 2 0 ) v 式中m 为转移氧的重量，v 是池水的体积。通常所说的是指后一种，即标准条 件下氧的转移速率，以k g o ：h 计。 3 氧的转移效率( e ，) ：有是称利用效率或氧的利用率，指转移到混合液中 的氧量占总氧量的百分比( ) 。 目前国产的污水处理设备技术含量较低，大批的污水处理厂中采用的是进口 设备。国产污水处理设备的生产始于上世纪7 0 年代中后期，当时产品的标准化， 成套化、系列化水平很低，定型产品较少。进入9 0 年代以来，国家有关部门先 后对主要的污水处理设备制造企业进行了技术改造，提高了制造能力和制造水 平。综合评价现有的生产能力，应该说已经形成了比较完整的制造体系。但是， 国产设备的在线监测，控制系统等方面与国外发达国家相比，有较大的差距。现 在国内很少有专业的研究单位对污水处理设备的现代化，智能化进行研究。对于 污水处理过程中曝气环节的优化运行的研究工作也尚不多见。 国外对污水处理设备，尤其是对曝气过程的闭环控制进行了深入的研究，并 已将研究的成果产品化。从国外引进的污水处理成套设备中，均配备有控制调节 装置，如成都污水处理厂从荷兰引进的5 万吨污水处理设备，具有由传感器，控 制阀和计算机系统构成的曝气过程控制系统。目前，国外已经将模糊控制，神经 网络控制和智能控制技术应用于污水生物处理的各个层面，控制出水c o d ，预 测出水氨氮浓度、控制脱氮除磷；预测泥膨胀发生、控制出水悬浮物浓度、防止 和恢复毒物冲击负荷影响等。在我国，对污水生物智能控制系统的研究处于起步 阶段，过程控制变量的选择、控制规则的抽象、智能控制器的建立，以及最后的 推广应用都需要大量的试验研究。 无论污水处理设备技术发展怎样，曝气始终作为活性污泥法处理污水的一个 核心环节，是提高污水处理质量和降低能耗的关键所在。分析曝气机的运转特性， 优化曝气机的运行，对于污水处理设备自动化、智能化的发展起着基础研究作用。 对提高我国污水处理技术和相关设备的技术含量，都具有重要的实际意义。 江苏大学硕士学位论文 1 4 本课题的研究内容 从以上的分析可以知道，溶解氧的控制是活性污泥法中的至关重要的环节， 无论是相关传感器的研制，还是对污水处理控制系统研究，溶解氧大都是问题的 中心所在。对于鼓风曝气系统等曝气方式，调节污水中的溶解氧浓度，控制曝气 机的运转是主要的方式，因此曝气机在不同转速下的充氧性能的重要性就凸现出 来，然而目前对曝气机这一性能的研究却不多见。本课题以双叶轮液下自引气曝 气机为例，通过理论分析与实验研究相结合，分析其在不同转速下的充氧性能， 为其优化运行提供基础研究。 主要内容如下： 首先根据双叶轮液下自引气曝气机的结构，利用流体力学以及流体机械的基 础理论知识，综合考虑空气、水流经过两个叶轮( 风叶轮，水叶轮) 作用后，引起 压力和速度的变化，分析曝气机向水中充入空气的速度与转速的关系。 其次，通过大量的实验后，分析实验得到的数据，运用回归分析的方法，求 出曝气机不同转速下，向水中充入空气的速度，充氧的速度以及氧的利用率跟转 速的关系，并对实验得到的结果进行分析。最后综合求得曝气机充氧速度与其转 速的关系。 实验结果的运用及仿真。建立一个溶解氧模糊控制器，然后分别在考虑曝气 机充氧性能和转速的关系和不考虑这些关系的情况下，运用m a t l a b 中的 s i m u l i n k 仿真模块进行仿真，并分析比较这两种情况下仿真得出的结果。 9 江苏大学硕士学位论文 第二章曝气过程的相关理论 曝气是活性污泥法中的一个核心环节。通过曝气设备向污水中充入足够的溶 解氧，使活性污泥与污水充分接触，促进好氧微生物的生长，强化微生物的新陈 代谢功能，从雨利用好氧微生物降解水体中的有机污染物。实质而言，曝气是一 个氧从空气中溶入污水中的一个人工强化过程，是物质的传递过程。整个过程可 以认为分成两个阶段，首先是空气与水在进行主流运动时被分割成一个个小气泡 均匀的分布到水体中的过程，称主流扩散过程；而后是汽泡中的氧从空气转移到 水体的分子扩散过程。实际上，这两种扩散方式同时存在，只是在上述两个不同 阶段，起主导作用的扩散方式不同而已。所以，氧的传质过程也是一个扩散过程， 而扩散理论是本研究的理论基础。 2 1 气液两相流基本理论和方程 曝气时，将空气充入水中以强化氧的传质过程。整个过程第阶段是空气与 水在进行主流运动时被分割成一个个小气泡均匀的分布到水体中的过程，称主流 扩散过程，主流扩散过程是个复杂的气液两相流动过程。 2 1 1 气液两相流的特性参数 气液两相流的特性参数包括速度、含气率、和密度三类。 气液两相流的速度参数包含有相速度、外观速度、流量速度、循环速度和滑 动比( 滑差比) 。相速度是指单位相面积所通过该相体积流量。设爿，和4 。分别表 示液相和气相所占过流断面的面积，q 。和g ，。分别表示液相和气相的体积流量， 则： 度。 液相速度 气相速度 形：盟 一 ( 2 - 1 ) = 警 ( 2 - 2 ) 上述的两速度是各相所占截面积上的实际平均速度，并不是各点的局部速 0 江苏大学硕士学位论文 假定过流断面全被两相混合物的一相所占据时的流动速度n q 夕t , 观速度。设过 流断面的面积为爿。则： 液相外观速度= 等 气相外观速度= 等 ( 2 3 ) ( 2 4 ) 单位时间流过单位截面积混合物的体积流量为流量速度。以表示，则： w ：垒! 里 ( 2 5 ) 月 易知： w = w , o + w g o ( 2 _ 6 ) 外观速度和流量速度都是实际上并不存在的虚构速度，它们的引入是方便两 相流的计算和数据处理。 气液两相均按液相密度折合为液相的体积，并按此体积算出的流动速度叫循 环速度，设m ，m 。分别为液相和气相的质量流，p ，p g 分别为液相和气相的 密度， 循环速度 滑动比表征两相流中气相速度和液相速厦的差别程度，表不为： s：擘(2-8) 形 含气率包含有空隙率、质量含气率、容积含气率。空隙率称截面含气率或真 实含气率，表示任意流动截面内气相所占总结面的比值，以口表示。 口：生(2-9) 爿 质量含气率表示为x ： x ：坠 f 2 1 0 ) m g + m t 容积含气率表示为： 口：! 坚( 2 1 1 ) & 一目葶 睨 江苏大学硕士学位论文 通过( 2 6 ) ，( 2 - 7 ) 以及： = p g a ，m j 2 p l a ， 换算可以得口，口，x 三者间关系： 丛 x ： 旦 ( 2 1 2 ) 鱼! 一1 p l 旦 2 互p e g ( 2 _ 1 3 ) 口：o( 2 1 4 ) 一丙知 2 。 口：j 一 ( 2 1 5 ) 口= 一 l z 。 1 + ( ! 一1 ) s 生 两相混合流动的密度有两种描述方法：流动密度p 。和真实密度。流动密 度表示单位时间流过截面的两相混合物的质量与容积v 的比值， 成= 歹m = p g 矿v g + 等= & + ( 1 一脚， ( 2 _ 1 6 ) 取流道截面上一段7 ，此截面上的两相介质质量与容积之比为真实密度： p = 型半掣魄+ ( 1 刊p ，( 2 - 1 7 ) 当s ：1 时，即气液两相f n j 无相对速度时，由( 2 - 1 9 ) 知道此时口= ，有 2 1 2 气液两相流的基本流型 气液两相流中对流型进行分类，对不同的流型采取相应处理方法a 这里介绍 垂直管中与非加热的水平管( 圆管) 的基本流型【8 】嘲。 ( 一) 垂直上升管中的流型 江苏大学硕士学位论文 萄 b ) c )d ) a ) 他收随b ) 裤嵌随( 塞收侥) c ) 轧禚收既( 镌块随) 国| 不收魄 图2 - 1 垂直上升管中的流型 1 泡状流动：连续的液相中有大量分散的小气泡，且管子中部的密度较大。 2 弹状流动：有时称塞状流，两相流中的含气量增加，小气泡结合在一起， 并逐渐增大，形成子弹形大气泡和气泡流段的流动。大气泡的直径接近管直径。 气速增加，弹状大气泡距离缩小。 3 乳沫状流动：当气速继续增加，弹状大气泡失稳破裂，两相流呈乳沫状 的流动。也叫块状流动。 4 环状流动：当含气量近一步增加，大气泡首尾相连，管中心形成气柱 两相流为环状流形式。 ( 二) 垂直下降管中的流型 流型图如下图2 - 2 。在气液两相作用下降流动时的状流型和上升流动时不同， 前者的细泡集中在管子的核心部分，而后者则散布在整个管子的截面上。如果液 相流量不变而使气相流量增大，则小气泡则聚集成气弹。下降流动时的环状流型 有几种，在气相和液相流量小的时候，有一层液膜沿管壁下流，核心部分微气相， 称下降液膜流型。当液相流量增大，气相将进入液膜，称带气泡下降液膜流型。 当气液两相流量都增大时，会出现块状流型。当气相流量较高时能发展成核心为 雾状的流动，壁面有液膜的雾环状流型【4 0 】。 江苏大学硕士学位论文 a ) 他收乱b ) 井收雠( 塞状巍) c ) 下降液琏毹埋( 涟块毹) d ) 牛气但呷降 液熊魄型e ) 块杖魄f ) 霉式环状| i l 幽2 - 2 壅亘r 降冒中的流型 ( 三) 水平管两相流型 流型图如图2 - 3 所示： 一旺夏圈一a ， 一哐二垂夏3 一u ， 匠三三一c ， 一匠三卫一a ， 一匠里婴一。， 匠二二二3 一r ， t ) 电收觏b ) 裤收乱c ) 分屈嗣ld ) 连怅盘 e ) 培状巍f ) 韩收氘 图2 3 水平管中的流型 1 泡状流：两相流中小气泡大部分分散在管子的上部分流动。 2 弹状流：弹状型大气泡与小气泡群相- q f i 隔分布在近管子的上部流动。 3 分层流：管道中的气液两相完全分离，气相在上，液相在下的流动。 4 波状流：当气速增大，分层流中的气液界面产生波动而形成波界面的流动。 5 块状流：当气速近一步增大，波状中流中的界面波峰增大到接触到管顶 江苏大学硕士学位论文 而形成的弹状大气泡流动。 6 环状流：在水平管中，只有在气体流量高才出现这种流动，液膜因重力 作用而呈上薄下厚的不均匀分布。 水平管与垂直管的主要区别在于：在水平管中因重力影响，液相移向管底部， 管上部含气量大，可能发生气液分层流动。 2 1 3 气液两相流的处理方法 气液两相流是一种最复杂的流动现象，许多流动参数( 如速度，含气率) 不仅在 流动方向上有变化，而且在管道的同一截面方向上亦有不同，所以两相流动问题应 该用三元流动理论来分析1 5 】，但实际上用三元流动理论来分析两相流动过于复杂， 甚至得不出答案，所以一般用简化的一元流动来分析。目前对于流体机械内的气液 两相流通常采用两种处理方式 3 1 ：一种是把液相作为连续介质，而将气泡看成离散 介质，这时一般先分析液相的流动，然后考虑液相中单个气泡的运动；另一种是把 两相流看成均匀连续的介质，他们同时充满整个流场，这种情况下可以用均匀流动 模型和分离流动模型。均匀流动把两相混合物看成一均匀的介质，流动的参数取两 相介质的平均值，并假设两相流速相同且处于平衡状态，这样的流动称为均匀流或 平衡流动。分离流动是指两相的物性不同而且两相的速度等参数也不同的流动。分 离流动模型是把两相分别按单相流处理并考虑两相之间的相互作用。分离流动模型 是目前最活跃的理论模型，也是用来解决系统问题的主要模型m 。 2 2 氧传质的相关理论 曝气过程中，组分( 空气) 随水体的宏观的扩散或分散过程可以通过上述的扩 散理论及湍流扩散方程进行描述。当气泡随水体的主流运动分散开以后，氧从气 泡转移到水中这一微观的传质过程的描述，目前存在有众多的理论，如双膜理论、 渗透理论和表面更新理论等【1 2 】。 2 2 1 双膜理论 扩散理论 由分子运动而产生的扩散称为分子扩散。德国生物学家菲克根据傅立叶的热 传导定律，于1 8 1 5 年提出了描述分子扩散过程的假设，即著名的菲克第一定律： 江苏大学硕士学位论文 p d ：一d l i d c ( 2 - 1 8 ) “ 其中：物质的扩散速度，单位时间内单位断面上通过物质的数量； d ，扩散系数，表示物质在某种介质中的扩散能力，主要取决于扩散 物质和介质的特性及温度； c 物质浓度： x 扩散过程的长度： 车浓度梯度，即单位长度内的浓度变化值。 出 菲克第一定律说明：所含物质的扩散通量，即给定方向上单位时间内通过单 位面积的物质数量与该方向上所含该物质的浓度梯度呈正比关系。 1 9 2 3 年刘易斯( l e w i s ) 羊 1 怀特曼( w h i t e m a n ) 建立的“双膜理论”为生物处理 科技界所广泛接受。双膜理论模型如图2 4 。 界面 图2 - 4 双膜理论模犁 双膜理论的基本观点如下： 1 认为在气，液两相接触的自由界面附近，分别存在着层流运动的气膜和 液膜，见图2 - 4 。被吸收的组份必须以分子扩散的方式从气相主体连续通过两层 膜而进入液相主休，由于这两层膜是层流膜，故两相主体流动情况的改变仅影响 膜的厚度，当气体或液体的流速越大时，其膜厚也越薄。 江苏大学硕士学位论文 2 在两膜以外的气液相主体中，由于流体的充分湍动，组分物质浓度基本 上是均匀分布的，不存在浓度差，也没有任何传质阻力。气液两相界面上，两相 的组分物质的浓度总是相互平衡的，即界面上也不存在传质阻力。组分从气相主 体传递到液相主体中时，所有的传质阻力仅存在于气液两层层流膜中。 3 在气膜中存在氧的分压梯度，在液膜中也存在氧的分压梯度，它们是氧 转移的推动力。 4 氧难溶于水，并且氧转移的决定性阻力又集中在液膜上，因此，氧分子 通过液膜是氧转移的控制步骤，通过液膜的转移速度是氧转移过程的控制速度。 在气膜中，氧分子的传递动力很小，气相主体与界面之间的氧分压差值t 一只很 低，一般可以认