（流体机械及工程专业论文）高效潜水自引气曝气机的优化设计和数值模拟.pdf

江苏大学硕士学位论文 摘要 随着科学技术的发展及人口的增加，人类社会对水资源的压力不断增大，大 规模水体污染事件频繁发生，污水治理成为世界各国重点关注的问题。 潜水自引气曝气机是一种应用于污水处理系统中节能、环保的新型机械曝气 设备。目前国产的潜水自引气曝气机的曝气深度较浅、效率低、耗电率和制造成 本高。开发一种高效、低耗、下潜深度深、动力效率高的潜水自引气曝气机将具 有重要的理论意义和广阔的市场前景。 本课题以自主设计的高效潜水自引气曝气机为研究对象，通过理论分析、数 值模拟与试验研究相结合的方法，分别研究不同叶片数及相同叶片数不同叶片出 口安放角对曝气机性能的影响，为其优化设计提供参考和验证依据。主要内容如 下： 1 分析总结泵叶轮和风机叶轮的设计理论，初步推导出设计曝气机转轮各几 何参数的计算公式，结合给定的曝气机参数，设计潜水自引气曝气机开放式齿形 转轮( 叶片数为4 枚) ；分析总结压缩机和泵径向导叶的设计理论，初步推导设计 曝气机混气导叶的计算公式，设计潜水自引气曝气机混气导叶；搭建测试平台， 对所设计的潜水自引气曝气机的相关性能进行测试。 2 通过u g 软件完成潜水自引气曝气机过流部件( 叶片数为4 枚) 的三维造 型，以商业软件a n s y s c f x 为主要分析工具，采用试验所获得的数据作为边界 条件，利用多相流湍流模型对过流部件进行数值模拟；对模拟结果进行分析，并 与试验结果进行对比，通过对比分析，证明了所采用的数学模型可以模拟出曝气 机内流场变化情况，为曝气机的优化设计提供快速、方便、经济的验证依据。 3 根据试验和数值模拟结果，对初步推导的开放式齿形转轮的计算公式和经 验系数进行修正；根据修正后的公式和系数设计3 组模型，每组模型的叶片数均 为5 枚，叶片安放角分别为9 0 0 、1 0 0 0 和1 0 9 0 ；分别对各组模型进行数值模拟，通 过对模拟结果的分析，结合叶片数为4 枚时的模拟结果，可以得出：5 枚叶片数的 开放式齿形转轮曝气性能优于4 枚叶片数，叶片安放角对开放式齿形转轮的曝 气性能具有重要的影响，叶片安放角越大，曝气性能越好。 4 根据模拟结果，在4 组模型中选择两组性能最优的模型进行试验验证，结 果进一步证实利用数值模拟实现对高效潜水自引气曝气机的优化设计与性能预测 高效潜水自引气曝气机的优化设计和数值模拟 是可行的，优化后的高效潜水自引气曝气机，曝气深度可大于8m ，在曝气深度为 8m 时，曝气量达到5 7 8m 3 h ，动力效率达到4 6 9k 9 0 2 1 【w h ，填补国内空白。 关键字：高效潜水自引气曝气机；开放式齿形转轮；混气导叶；性能试验；数值 模拟；优化设计 江苏大学硕士学位论文 w i t ht h ed e v e l o p m e n to fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g ya n dt h ei n c r e a s eo fp o p u l a t i o n ， p r e s s u r e o nw a t e rs o u r c ei s i n c r e a s i n g ；l a r g e s c a l ew a t e rp o l l u t i o n e v e n t so c c u r f r e q u e n t l y s e w a g et r e a t m e n tb e c a m e t h ef o c u so ft h ew o r l d w a t e rs e l f - s u c t i o nt y p es u b m e r s i b l ea e r a t o ri sa ne n e r g ys a v i n g ，e n v i r o n m e n t a l p r o t e c t i o nn e wm e c h a n i c a la e r a t i o ne q u i p m e n tu s e dh ls e w a g et r e a t m e n ts y s t e m i nt h e d o m e s t i c , c o m m o nw a t e rs e l f - s u c t i o nt y p es u b m e r s i b l ea e r a t o ri sl o we f f i c i e n c y , h i g l l p o w e rc o n s u m p t i o na n dm a n u f a c t u r i n gc o s t s t h ed e v e l o p m e n to fa l le f f i c i e n t ，l o w p o w e r , d e e pd i v e ，p o w e ra n dh i 曲e f f i c i e n c ys e l f - s u c t i o nt y p es u b m e r s i b l ea e r a t o r sw i l l h a v ei m p o r t a n tt h e o r e t i c a ls i g n i f i c a n c ea n db r o a dm a r k e tp r o s p e c t s i nt h i sp a p e r , s e l f - d e s i g n e de f f i c i e n ts e l f - s u c t i o nt y p es u b m e r s i b l ea e r a t o r sa r et h e o b j e c t so fs t u d y b yt h em e t h o do ft h e o r e t i c a la n a l y s i s ，n u m e r i c a l s i m u l a t i o na n d e x p e r i m e n t a l ，t h ei m p a c to ft h ed i f f e r e n tn u m b e ro fl e a v e sa n dt h es a m en u m b e ro f l e a v e so fd i f f e r e n ti m p e l l e ro u t l e tb l a d ea n g l eo nt h ep e r f o r m a n c eo ft h ea e r a t o r sw e r e s t u d i e d ，w h i c hp r o v i d e sar e f e r e n c ea n dv e r i f i c a t i o nf o ri t so p t i m i z e sd e s i g n mm a i n c o n t e n t sa r e 弱f o l l o w s ： 1 a n a l y z e da n ds u m m a r i z e dt ot h ed e s i g nt h e o r yo fp u m pi m p e l l e ra n df a n i m p e l l e r , p r e l i m i n a r y d e d u c e dt h ec a l c u l a t i o nf o r m u l ao fd e s i g n i n gt h e i m p e l l e r , c o m b i n e d 丽t l lp a r a m e t e r so fa e r a t o r , w ed e s i g n e ds e l f - s u c t i o nt y p es u b m e r s i b l ea e r a t o r o p e ni m p e l l e rs h a p eo fg e a r ( b l a d e4 ) t h e n ，a c c o r d i n gt o t h ed e s i g nt h e o r yo ft h e c o m p r e s s o ra n dr a d i a ld i f f u s e ro fp u m p ，p r e l i m i n a r yd e d u c e dt h ec a l c u l a t i o nf o r m u l ao f d e s i g n i n gt h em i xa i rd i f f u s e r , w ed e s i g n e dt h ew a t e rs e l f - s u c t i o nt y p es u b m e r s i b l e a e r a t o ro p e nd i f f u s e r ；w r e tu pt e s tp l a t f o r mt ot e s tt h er e l e v a n tp e r f o r m a n c eo f e f f i c i e n ts e l f - s u c t i o nt y p es u b m e r s i b l ea e r a t o r 2 田l et h r e e - d i m e n s i o n a lm o d e l i n go fs e l f - s u c t i o nt y p es u b m e r s i b l ea e r a t o r ( b l a d e 4 ) f l o w i n gp a r tw a sd e s i g n e db yu g w i t ht h ec o m m e r c i a ls o f t w a r ea n s y s c f x , t h e m a i na n a l y t i c a lt o o l s ，a n dt h et e s td a t ao b t a i n e da sab o u n d a r yc o n d i t i o n ，m u l t i p l e p h a s e f l o wm o d e lw a su s e dt os i m u l a t et h ef l o w i n gp a r t w ea n a l y z e dt h es i m u l a t i o nr e s u l t s a n dc o m p a r i s o nt h e mw i t ht h et e s tr e s u l t s ，w h i c hv e r i f i e dt h ea c c u r a c yo ft h es i m u l a t i o n ， a n dp r o v e dt h a tt h eu s e dm a t h e m a t i c a lm o d e lc o u l ds i m u l a t et h es t a t u so fg a s l i q u i d t w o p h a s ef l o wo fe f f i c i e n ts e l f - s u c t i o nt y p es u b m e r s i b l ea e r a t o r , w h i c hp r o v i d ef a s t ， c o n v e n i e n t ，a n de c o n o m yv e r i f yf o ra e r a t o r s o p t i m i z a t i o nd e s i g n 3 a c c o r d i n gt o t h et e s ta n dn u m e r i c a ls i m u l a t i o nr e s u l t s ，w em o d i f yt h e m 高效潜水自引气曝气机的优化设计和数值模拟 p r e l i m i n a r yd e d u c e dt h ec a l c u l a t i o n f o r m u l aa n de x p e d e n c ec o e f f i c i e n to fd e s i g n i n gt h e i m p e l l e r ；w ed e s i g n e dt h r e eg r o u p s m o d e l st om o d i f y t h et h ed e s i g n e do p e ni m p e l l e r , t h en u m b e ro fl e a v e so fe a c hg r o u pm o d e li s5 ，t h eb l a d ea n g l ew e r e 9 00 91 0 0 。a n d1 0 9 o r e s p e c t i v e l y w es i m u l a t e de a c hg r o u p sm o d e l ，t h r o u g ht h ea n a l y s i s o fs i m u l a t i o n r e s u l t s ，c o m b i n e dw i t hs i m u l a t i o nr e s u l t so ft h ep a r ts i m u l a f i o nr e s u l t s ，w h o s eb l a d ei s f o u r , w ek n e wt h ep e r f o r m a n c eo fo p e ni m p e l l e rs h a p eo fg e a rw i t h5l e a v e si ss u p e r i o r t ot h a to fo p e ni m p e l l e rs h a p eo fg e a rw i t h4l e a v e s ，a n dt h ei m p e l l e rb l a d ea n g l e ? h a sa s i g n i f i c a n ti n f l u e n c et ot h eo p e ni m p e l l e rs h a p eo fg e a r , t h el a r g e rt h eb l a d ea n g l e ，t h e b e t t e rt h ea e r a t i o np e r f o r m a n c e 4 a c c o r d i n gt h es i m u l a t i o nr e s u l t s ，f r o mt h ef o u r - g r o u pm o d e l s ，w ec h o s et w o b e t t e rp e r f o r m a n c eg r o u p st om a k et e s tv e r i f i c a t i o n ；t h er e s u l t sf u r t h e rc o n f i r m e dt h a ti t i sf e a s i b l et ou s en u m e r i c a ls i m u l a t i o nt oa c h i e v et h eo p t i m i z e dd e s i g na n dp e r f o r m a n c e p r e d i c t i o no fe f f i c i e n t s e l f - s u c t i o nt y p es u b m e r s i b l ea e r a t o r t h es e l f - s u c t i o nt y p e s u b m e r s i b l ea e r a t o r s ( a f t e ro p t i m i z e ) a e r a t i o nd e p t hi sg r e a t e rt h a n8m ；w h e nt h e a e r a t i o nd e p t hi s 8 0m ，t h ea e r a t i o nr a t ei s5 7 8m 汕，t h ep o w e re f f i c i e n c yi s4 6 9 k g o z k w h ，t h ea e r a t i o nf a l l st h ed o m e s t i cv a c a n c y k e yw o r d s ：e f f i c i e n ts e l l s u c t i o nt y p es u b m e r s i b l ea e r a t o r , o p e ni m p e l l e rs h a p eo f g e a r , m i xa i rd i f f u s e r , p e r f o r m a n c et e s t ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，o p t i m a l d e s i g n i v 江苏大学硕士学位论文 1 1引言 第一章绪论 水是生命之源，万物之本。地球表面的7 2 被水覆盖，地球的储水量虽然很 丰富，但是淡水资源仅占所有水资源的0 7 5 ，且有近7 0 的淡水固定在南极和格 陵兰的冰层中。我国水资源总量居世界第六，但人均淡水资源只占世界人均淡水 资源的四分之一。 随着科学技术的发展、生产力的提高以及人口的增加，人类社会对水资源环 境的压力不断增大，水资源保护问题越来越引起世界各国的普遍关注。改革开放 以来，随着我国工业化及城镇化的快速发展，我国水体污染问题变得日益突出。 全国6 0 0 多个城市中目前大约有一半的城市缺水，水污染的恶化更使水资源的短 缺雪上加霜，我国江河湖泊也普遍遭受污染，全国7 5 的湖泊出现了不同程度的 富营养化，9 0 的城市水域污染严重，南方城市总缺水量的6 0 - 7 0 是由于水污 染造成的。水资源短缺、水资源污染与我国经济、社会发展之间的矛盾正日益加 深。 我国水污染主要来自三个方面，一是工业发展超标排放工业废水，例如发生 在内蒙古自治区托克托县工业园区内，以石药集团中润制药( 内蒙古) 有限公司 为主的几家制药企业集中排污形成大片“污水湖 的事件，给周边农民生活带来 严重影响。二是城市化中由于城市污水排放和集中处理设施严重缺乏，大量生活 污水未经处理直接进入水体造成环境污染。例如白洋淀的水体污染就是由于保定 市及有关县( 市) 水处理厂建设严重滞后，很多位于白洋淀上游的县城均未建设 城镇污水处理厂，再加上大量未经处理的工业和生活污水直接进入白洋淀所导致。 三是上述两种的综合污染，例如轰动全国的太湖水污染事件，太湖水体污染是多 方位综合因素所导致，包括工业、农业、城市化、水产养殖、船舶和行政不到位 等多方位原因。水污染所造成的损失是巨大的，许多科研单位及专家建立了对水 污染所造成的损失的计量模型，并得出许多地区水体污染治理所需要的投入远远 超出改革开放以来经济发展所带来的收型圳。 水污染对人类和社会的危害是严重的，全世界各国都在积极努力的提倡节约 用水，减少对水的污染，并积极探索被污染水体的治理措施。我国一直推行走可 持续发展的社会经济道路，在倡导节约用水、清洁用水的同时，必须加强对城市 高效潜水自引气曝气机的优化设计和数值模拟 污水管网的建设维护，严格要求工业废水达标排放，必须积极实施污水处理、污 水资源化，防治水污染。 1 2 课题意义 从“七五 开始一直到“十一五”期间，国家对环保的投入力度逐渐递增， 一批批的污水处理厂建设运行。“十一五 期间，重点实施了国家科技支撑计划重 点项目“城市污水处理厂的节能降耗技术 课题，由六家科研单位和重点高校共 同承担了这个课题。“十二五”规划中，国家对环保的关注力度和投入力度进一步 加强，在提倡社会建设、经济发展和城乡建设等走可持续发展的同时，进一步要 求注重节约、环保，并把生态环保作为重点发展的产业之一。“十二五期间，国 家专门对加强城镇污水处理设施配套管网的建设设立了专项基金，由财政部和住 房城建部统一管理，加快城镇污水处理设施配套管网建设，促进水污染防治工作。 环保设备的推广和使用能够有效弥补工业生产和人民生活带来的环境污染， 改善被污染的河流和池塘的生态环境，进而改善人们的生活环境。目前，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进行处理。在活性污泥 法处理污水的生化过程中需要大量的溶解氧，曝气设备是污水好氧生物处理系统 中最重要也是运转费用最高的设备，其能耗占活性污泥法污水处理厂总能耗的 6 0 - 7 0 。 传统的应用活性污泥法的污水处理厂，曝气系统一般包括鼓风设备和曝气设 备，鼓风设备需专门配备鼓风机房，受鼓风设备动力及耗电率的影响，曝气深度 通常比较浅，厂地大小直接制约着其污水处理能力。随着城市的发展，土地资源 日趋紧缺，为节省占地面积和基建投资，从2 0 世纪7 0 年代开始，提出了深水曝 气活性污泥法，并逐渐应用到污水处理工艺中，随着深水曝气活性污泥法的发展， 污水处理工艺中的曝气池也逐渐向深度发展。深水曝气池的特点是曝气池水深较 深，由于水压大，加快了氧的传递效率，提高了混合液的溶解氧浓度，有利于活 性污泥的增殖和有机物的生物降解。 传统的深水曝气池内的曝气系统应用的依然是鼓风设备和曝气设备，有的还 增加导流板或导流筒，需要配备单独的鼓风机房，整体结构复杂，且整个曝气系 统的耗电率和维护费用都比较高。近年来，深层潜水白引气曝气机逐渐开始代替 传统的鼓风曝气设备应用于深水曝气池中，这种曝气机的优点是省去了鼓风设备， 2 江苏大学硕士学位论文 大大降低了基建和设备的投入。 目前国内市场上普遍采用的潜水自引气曝气机的曝气深度一般在5 m 以内，曝 气机的整体结构比较大，整机的效率比较低，虽然维护费用低，但耗电率和制造 成本依然很高。本课题的研究，不仅可以为潜水自引气曝气设备的改进提供理论 依据和实验方法，也对我国在污水处理设备技术的改进和技术创新方面起到积极 的推动作用。同时本课题紧紧围绕“十二五 规划中大力发展具有自主知识产权 的环保节能设备，开发一种高效、低耗且曝气深度达8 m 、动力效率大于2 k 9 0 2 k w h 的高效潜水自引气曝气机。因此，本课题具有重要的理论、社会意义和广阔的市 场前景。 1 3 国内外发展现状 1 3 1 国外发展现状 国外对水下曝气机的生产已经成系统、成规模的进行，对水下曝气机的设计 理论和曝气机理也研究较深，l e c o m p t e 和m 觚d t 于1 9 6 7 年首先提出将水下曝气和 推动系统用于氧化沟，发明了射流曝气氧化沟( 聃c ) ，相继开始出现各种水下曝 气设备。 在曝气机的实验方面，w a g n e r 和p o p e l l l o 】测试了曝气机在不同曝气深度时， 对曝气机扩散管出口处氧的转移速率、氧的吸收率和曝气机效率的影响。l a n e l l l 】 在曝气机的扩散管出口安装一个垂直的连通管( 连通管浸没在曝气池内) ，实验在 相同功率情况下，当曝气机内气泡分别以小气泡和大气泡形式流出扩散管出口时， 每英尺连通管内溶解到水中的氧气量，得出小气泡形式出流时每英尺连通管内溶 解到水中的氧气量是大气泡形式出流时的2 3 倍。d e s w a ls t l 2 l 和v e r m as t l 3 】分别对 曝气机出口形状进行了试验研究分析，认为曝气机出口管为倾斜型( 具有6 0 0 倾斜 角) 和锥形时，曝气效果更理想，从曝气管出口流出的气泡更细小均匀，提高了 曝气机的溶氧量。w t l f e yw e b e r l l 4 】对佛罗里达州某污水处理厂的曝气池在不同水位 情况下整个曝气系统的功耗及效率进行了测试，并依此建立了可根据不同水位自 动调节曝气系统的控制模块。d a u d e 和s t e p h e n s o n l l 5 】开发了用于单个家庭污水处理 的移动式污水处理装置，移动式污水处理装置主要由潜水射流曝气机和曝气滤池 组成，实验得出采用潜水射流曝气机时曝气滤池内的b o d 5 、c o d 和s s 的去除率 分别为9 4 2 、8 5 9 和8 7 6 。 3 高效潜水自引气曝气机的优化设计和数值模拟 在曝气机的数值模拟与理论研究方面，m o r c h a i nj 等【1 6 1 应用c f d 技术模拟了 潜水射流曝气机内的两相流状况，得出空气的横向流速是影响氧转移速率的关键 参数。w a n c h a ia s v a p o o s i t k t d 掣1 7 】应用c f d 技术对不同出i ：1 扩散管的两种潜水曝 气机进行了三维模拟，模拟结果显示具有t 型扩散管的潜水曝气机，直出口要比 弯出口更利于气水混合液的扩散。g o n z a l e z rc 和w o o d s re 【1 8 】提出了利用 灰度直方图特征来反映气液两相流中各流型之间的差异，从而为研究气液两相流 的流动机理提供了一种新方法。c l e m e ms o l o m o n 1 9 】等对曝气池内的最优气泡进行 了研究分析，认为在选择曝气设备时应根据曝气池内污水的深度，选择能产生最 优气泡的曝气设备。c h e nj i a m i n g 和y o u n gk y uk i m 等 2 0 2 1 1 对水下曝气机的溶氧 机理进行了分析，得出溶氧效率的高低在同一工况下与气泡和水接触的表面积、 与水接触的时间、水的深度、在水中移动的距离、在水中扩散的速度成正比，与 气泡在水中相互碰撞合并的几率成反比。j e r r yr t a r i c s k a ，w a n gl k l 2 2 】等对潜水曝 气机的性能参数和溶氧机理作了系统的分析。 国外潜水曝气机的制造和工艺技术已经比较成熟，如德国a b s 2 3 i 的t a t a k 系列超深层自引气曝气机，其特点是曝气气泡小、传输效率高、性能稳定，一般 下潜深度在3 。8 m 之间。美国b l u e & c l e a n 公司i 刎的q l p 系列的深层自引气曝气机， 其主要特点是密封性能好和充氧效率高。日本鹤见【蠲的潜水自引气曝气机和射流 式曝气机，规格从0 7 5 2 2 k w 之间的进气量在8 0 , 4 2 1 3 1 1 1 3 ( 曝气深度在2 5 m 之间) 。 德国福克斯o x y s t a r 自吸式螺旋曝气机广泛应用在糖业领域，比利时的h o t m a x 公司研制的太阳能充氧搅拌设备在抑制水体富营养化去除藻类方面有着显著的作 用，美国s k k 环境技术公司、韩国t u r b o m a x 公司和日本i t cg r e e n & w a t e rc o r p 公司等均在曝气设备领域占领了一定的市场份额。b r u c eh y n d m a nh e n l e y l 2 6 1 发n 的 潜水自引气曝气搅拌机，因独特的扩散管出口设计，而使气泡的碎化效果更理想， 气泡更小，从而提高了曝气机的溶氧率。 1 3 2 国内发展现状 上个世纪9 0 年代，国内对城市生活污水和工业废水的处理基本上采用溶气气 浮d a f ( d i s s o l v e d a i rf l o t a t i o n ) 设备【2 7 - 2 9 】，对曝气机的研究基本是空白。后来逐 步开始进口国外的产品【蚓。现在在污水处理行业中仍然有应用其它替代设备的例 二甜3 1 】 jo 进入二十一世纪以后，国内开始有企业进行相关产品的生产【3 2 】，许多科研单位、 4 江苏大学硕士学位论文 高校和企业也开始对曝气机尤其是水下曝气机的设计理论和曝气机理进行研究。 严应政1 3 3 】对曝气设备的技术指标与节能进行了分析，认为动力效率是曝气设备惟 一的能效指标，充氧能力和氧转移效率是规格指标。章建波等【矧以一种新型结构 的曝气机为例，介绍了曝气机创新设计的思想。高继飞等【3 5 】应用c f d 软件对自主 设计的潜水射流曝气机进行模拟并与实验结果相对照，得出利用c f d 软件能够比 较精确的预测潜水射流曝气机进气管的空气流速。r x u e 等【硐利用c f d 软件对曝 气滤池进行三维数值模拟，并与实际测试数据对比，得出利用c f d 模拟可以较准 确的获得曝气滤池内气液的实际流入速度，有利于优化曝气滤池和曝气设备。韩 志强等p 7 】对氧化沟工艺曝气设备的技术现状进行了阐述，认为发挥国内企业在环 保领域的作用，促进民族工业的发展，加速国外先进曝气设备的消化吸收，提高 我国曝气设备的科技含量和国产化率，增强在市场中的竞争能力，是促进曝气设 备领域发展的根本途径。施慧明等【3 8 1 应用流体力学计算软件f l u e n t 对3 种深水型 曝气机转轮的构型进行了模拟计算，并以小实验进行了初步验证，证明了模拟结 果的可靠性，认为流体力学数值模拟可以作为曝气机设计研究的辅助工具。徐振 宇和娄梓刚【3 9 】针对前人在推流式曝气机设计中基于f l u e n t 所建立的有限元分析模 型，指出其存在的缺陷，提出并建立改进的有限元模型，成功用于分析计算。张 鑫珩m 阐述了国内外几种曝气机、推流设备的能效比，并延伸到环保机械设备的 标准制订、基础教育、设计参考资料、招投标规范化，在“节能、降耗、减排 、 推动和优化发展我国环保装备产业方面提出了见解。 国内的潜水曝气机虽然起步较晚，但也有不少企业研发的曝气机也已接近世 界先进水平，如上海东方泵业( 集团) 有限公司【4 1 】的带搅拌装置的潜水离心式曝 气机，已经开始应用在深层曝气污水处理工艺中，但曝气深度不够理想。南京蓝深 泵业有限公司生产的潜水曝气机，进气量为1 0 1 0 0 m 3 h ，增氧能力为 0 3 5 8 2 0 k 9 0 2 h 。南京贝特环保公司近年来研发生产的q s b 型深层曝气搅拌机性 能在国内处于领先水平。江苏亚太泵阀有限公司生产的具有自主知识产权的倒伞 型曝气机被广泛应用在污水处理中。另外还有江苏国泉泵业制造有限公司、安徽 国祯环保设备有限公司和江苏宜兴环保设备有限公司等，均在曝气设备领域占有 一定市场。孙顺林等1 4 2 l 设计发明的多方位潜水浮动式曝气机，填补了国内空白。 1 3 3 发展趋势 从国内外曝气机的发展情况可以看出，曝气技术与设备是氧化沟污水处理工 5 高效潜水自引气曝气机的优化设计和数值模拟 艺的核心组成部分，充氧效率的高低、性能的好坏直接影响到氧化沟的处理效果， 能耗的多少直接影响到运转费用的高低，同时还决定着氧化沟系统的占地面积和 基建投资的高低。因此，如何提高曝气设备供氧率、降低设备的能耗、减少或消除 设备的二次污染，是研究、设计和制造部门必须重视的工作内容。 1 4 曝气方式与装置 曝气设备是预曝气、曝气沉砂、曝气悬浮和后曝气等污水生化工艺处理中的 专用设备，其功能是向水体中强制曝气充氧，满足好氧微生物需氧量的同时，对 污水起到混合搅拌，保证水体始终处于流动状态的作用。其应用于污水处理工艺 中的流程如图1 1 所示。 图1 1 活性污泥法的基本流程简图 曝气装置通常分为鼓风曝气装置和机械曝气装置，鼓风曝气装置由鼓风设备、 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一系列管道输送到安 装在曝气池底部的空气扩散管，经过扩散管，使空气形成大小不一的气泡，气泡 中的氧在上升过程中溶解到水中，且带动水体搅动。机械曝气装置( 如潜水曝气 机) 主要是靠旋转转轮产生的离心力，在转轮的进口处形成负压吸入空气和水， 利用转轮的动能在混合室里将一定比例的气水混合，在离心力作用下，气水二相 流沿转轮的切线方向经流道整流，向四周方向扩散，细碎的微小气泡充分与水融 合，从而达到曝气充氧的效果，同时带动水体搅动、混合。 1 4 1 曝气装置的性能指标 表示曝气装置技术性能主要指标【4 3 l ： 1 动力效率( e p ) ：每消耗l k w h 电能转移到混合液中的氧量，以k 9 0 2 k w h 6 江苏大学硕士学位论文 计。 2 氧的转移效率( e l ) ：也称充氧能力，指通过曝气装置，在单位时间内转移 到混合液中的氧量，蚴。即： = l c 删y 1 ， 式中m 为转移氧的重量，y 是池水的体积。 3 氧的利用率( e a ) ：指通过曝气系统溶解到混合液中的氧量占总供氧量的百 分比( ) 。 1 4 2 鼓风曝气装置 鼓风曝气装置根据气泡的大小可以分为微孑l 曝气器和中、大气泡曝气器。其 优点是动力效率稳定、较高，动力消耗较低，受气温影响较小，供气容易控制， 脱落的生物膜沉降性能较好。缺点是气的利用率较低、噪声大，需要设置相应的 消音装置，基建费用大，容易产生堵塞，且维护费用较高。 1 微孔曝气器 微孔曝气器主要是指从曝气孔流出的气泡直径较小的鼓风曝气装置。常用的 有悬挂式链式曝气器、膜片式微孔曝气器、旋切式曝气器、管式曝气器、盘式曝 气器、微孔陶瓷曝气器等，如图1 2 所示。 图1 2 微孔曝气器 微孔曝气器由于气泡较小，能够更好地与水体混合，因而溶氧率较高，溶氧 率通常在2 0 - 4 0 ，动力效率在1 8 7 k 9 0 2 l 【w h 之间，但微孔曝气器由于曝气器 出气孔较小，容易堵塞，维护成本较高，受水深限制较大。目前，国内许多厂家 生产的微孔曝气器达到世界先进水平，如江苏菲力环保工程有限公司的橡胶膜片 微孔曝气器、p h i l i p 3 0 0 型刚玉微孔曝气器等m 。 2 中、大气泡曝气器 中、大气泡曝气器的气泡直径较微孔曝气器大，常用的有固定螺旋扩散器、 散流式空气扩散器、盆形曝气器等。 7 高效潜水自引气曝气机的优化设计和数值模拟 由r 曝气器出气孔较人，不容易堵塞，一般应用于水体密度较大的污水处理 中。溶氧率通常在6 - 2 0 ，动力效率在1 7 3 2 k 9 0 2 k w h 之间，毛要牛产厂家集 中在上海和江苏宜兴地区。 1 4 3 机械曝气装置 机械曝气装置又分为表面曝气装置和水下曝气装置。表面曝气装置的优点是 结构简单，易于加工，运转时不堵塞，提升力较大。缺点是耗能大、有噪声，运 转时容易污染空气，存在二次污染，基建费用比水下曝气高。水下曝气装置的优 点是，与表面曝气相比，能够提高氧的转移速度，同时由于底边流速快，在较大 范围内可以防止污泥沉淀。此外，无泡沫飞溅和噪声，避免了二次污染。缺点是 机器整体放在水体中，对设备的制造精度要求较高，射流式曝气机曝气不均匀， 且容易形成死角。 1 表面曝气装置 表面曝气装置按照轴的安装方式又分为立轴式表面曝气机和卧轴式表面曝气 机。立轴式表面曝气机的典型代表是倒伞型表面曝气机，如图1 3 所示，它是利用 曝气机的转轮产生的径流作动力，推动氧化沟中的液体形成靠近曝气器下游的富 氧区和曝气器上游及外环的缺氧区，有利于生物凝聚，易于活性污泥沉淀，拥有 良好的脱氮除磷效率和b o d 去除率。 图1 3 倒伞型表面曝气机 卧轴式表面曝气机包括曝气转刷、曝气转盘等，如图1 4 、1 5 所示。它们主 要由电机、减速装置、转刷转盘主体和联接支撑等部件组成。转刷转盘主体在电 动机和减速装置的驱动下转动。转刷主体上面沿中心轴周围装有径向分布的不锈 钢或碳钢叶片，叶片呈螺旋状分布，旋转过程中叶片顺序进入水中，带动水体与 8 江苏大学硕士学位论文 周围空气混合；转盘上的盘片在旋转过程中不断将水扬起，增大了气液接触面积， 使氧气溶于水中，同时推动沟中水流流动1 4 5 1 。 图1 4 转刷曝气机 表面曝气装置的溶氧率较低，一般在1 0 以下，动力效率通常在 1 3 6 k 9 0 2 k w h 之间。 z p q - 1 4 1 r l , 扮煞转啊 图1 5 转盘曝气机 2 水下曝气装置 水下曝气机包括射流曝气机、潜水曝气机。两者都有自供气式和外供气式， 自供气式是利用曝气机转轮本身的离心力形成的负压将大气中的空气吸入转轮 内，外供气式是利用鼓风系统，将空气或氧气通过管路输送到曝气机内，在转轮 的剪切作用下形成细碎的气泡，流入到水体中。 射流曝气机，如图1 6 ，所示无论是供气式还是自吸式，主要由喷嘴、吸入室和 混合室3 个部件组成，供气式一般没有混合室或只有较短的混合室，而自吸式一般 都有混合室且混合室较长。射流曝气机通过射流泵吸入水体与吸入空气在射流器的 混合管内发生相当剧烈的混合作用，此混合作用一方面进行着气液固( 活性污泥) 三相之间的紊动扩散与能量交换，另一方面在被高速剧烈紊动“切割”的非常细微 9 高效潜水自引气曝气机的优化设计和数值模拟 的气泡、活性污泥的微小颗粒以及废水中有机物三者之间发生生化反应。 图1 6 射流曝气机 潜水曝气机无论是自吸式还是外供气式，如图1 7 所示，其结构包括潜水电机、 轴、轴承、机械密封、支架、转轮、导叶、曝气盘、曝气管、进气管和消声器等。 图1 7 外供气式潜水曝气机 对于外供气式潜水曝气机其工作原理为潜水电机通过轴带动转轮高速旋转， 鼓风机通过连接在曝气机进气管的连接管供给曝气机空气或氧气，进入曝气机进 气管内的空气或氧气进入到曝气机转轮内或曝气机混合室内，利用转轮的动能在 混合室罩将一定比例的气水混合，在离心力作用下，气水二相流沿转轮的切线方 向经导叶整流，向四周方向扩散，细碎的微小气泡充分与水融合，从而达到曝气 充氧的效果。 水下曝气机的溶氧率通常在2 0 - - 4 0 之间，动力效率在1 8 3 5 k g o 2 k w h ，尤 其是自引气式的曝气机，由于省去了鼓风系统，大大简化了装置的工艺，节省了基 1 0 江苏大学硕士学位论文 建投资，且可以朝着深水曝气方向发展，因此越来越受到用户的青睐。 各类曝气设备的溶氧率与动力效率的比较如表1 1 所示。 表1 1 各类曝气设备的性能比较 产品类型及名称 动力效率 ( 电机功率为1 5 硝l 【w ) 溶氧量( k 9 0 2 h ) ( k 9 0 2 k w h ) 板式曝气器1 ，5 2 5 1 5 2 5 钟罩式曝气器1 6 2 54 - - 6 微孔曝气器 鼓 盘式曝气器3 7 53 - 4 风 曝 管式曝气器3 7 75 7 气 固定螺旋曝气器l 一3 2 2 2 4 2 4 8 中、大气泡曝 盆形曝气器1 - 4 0 1 7 5 2 8 8 气器 散流式曝气器1 3 62 3 9 2 4 4 潜水自吸式曝气机 2 一叫6 21 8 ，2 9 5 水下 曝气 供气式射流曝气机1 2 6 1 2 02 5 6 5 立轴式表面 倒伞型曝气机2 5 1 3 01 8 2 3 表面 曝气机 泵型转轮曝气机5 1 3 01 - 3 6 曝气 卧轴式表面 转刷曝气机 2 5 7 4 1 5 - 3 曝气机 转盘曝气机1 2 6 巧3 7 92 弓1 6 1 5 本文主要研究的内容 在十二五规划纲要中，国家提出了城市污水处理率达到8 5 的总体 目标，其中用于工业和城镇生活污水的治理投资将分别达到5 7 5 3 亿元和5 5 7 8 亿 元，在再生水回用领域方面，国家也已加大对污水回用的研究，并将其纳入“十 二五 规划中。从“十二五规划中可以看出国家对污水处理设备的重视程度， 尤其是具有自主知识产权的环保节能产品。本课题研究的高效潜水自引气曝气机， 采用自主设计的开放式齿形转轮和混气导叶，具有结构简单，高效节能，维护方 便，节省基建费用，且对环境没有二次污染。符合“十二五 规划中对节能环保 1 1 高效潜水自引气曝气机的优化设计和数值模拟 产品的要求。 本课题主要研究内容如下： 1 根据泵叶轮、风机叶轮、泵导叶和压缩机导叶的设计理论，推导曝气机转 轮和混气导叶的计算公式和经验系数，设计潜水自引气曝气机开放式齿形转轮和 混气导叶，进行样机试制，并对样机进行相关性能的实验，测试出曝气机在不同 深度时的进气量、功率。 2 根据试验数据，查阅国内外对于两相流的相关资料，找出对潜水自引气曝 气机性能有影响的主要参数，找出规律，建立模拟曝气机内部两相流的数学模型。 3 采用流体分析软件a n s y s c f x 对潜水自引气曝气机过流部件进行全三维 数值模拟，分析曝气机流体部件内部流场的压力分布情况、流动状况，并与试验 数据相比较，验证模拟的精确度。 4 研究开放式齿形转轮叶片数及叶片出口角声对曝气机性能的影响，通过对 几组模型的模拟分析，选取最佳的模型组进行实型制造，并进行试验，测试其性 能，使高效潜水自引气曝气机设计不但有理论指导而且有科学方法。 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主要流程，通过曝气设备向污水中充入氧气，使 活性污泥与污水充分混合、接触，促进好氧微生物的生长，促进微生物的新陈代 谢功能，从而提高好氧微生物降解水体中的有机污染物的能力。实质而言，曝气 是将空气中的氧从气相转移到混合液中的液相，这既是一个物质扩散过程，更是 一个传质过程。 2 1扩散和传质过程 2 1 1 扩散过程 扩散过程的推动力是物质在界面两侧的浓度差，物质分子从浓度较高的一侧 向着较低的一侧扩散、转移。扩散过程的基本规律可以用菲克定律( f i c k ) ( 式( 2 1 ) ) 概括，该定律表明，物质的扩散速率与浓度梯度呈正比关系【蛔。 屹：也等 ( 2 1 ) 式中：咐一扩散速度，指单位时间单位断面上通过的物质数量；仇扩散系数，指 物质在介质中的扩散能力，跟扩散物质和介质的特性及温度相关；嘞质浓度； 对散过程的距离；_ d c 一浓度的梯度，指单位距离内的浓度变化值。 戤 2 1 2 传质过程 曝气时，气泡在上浮的过程中气泡中的氧气不断传入污水中。用来解释传质 过程的理论主要有l e w i s