（环境科学专业论文）节能曝气方式优化及对射流曝气器改进研究.pdf

a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fe c o n o m i c s ，t h ed e m a n df o rw a t e ri si n c r e a s i n g ，t h e r eh a sb e e nas h a r p d e c l i n ei nw a t e rn 塔o u “x 爆y e a rb yy e a r a g r i c u l t u r a la n di n d u s t r i a ld e v e l o p m e n tr e q u i r el a r g ea m o u n t so f f r e s hw a t e r 咒8 们h c 懿，t os a v ew a t e ra n dt h es e w a g et r e a t m e n ti sb e c o m i n gi m p o r t a n t c h i n a ss e w a g et r e a t m e n tf a c i l i t i e sa r ei n c r e a s e dy e a rb yy e a r , b u tt h ed i s c h a r g eo fw a s t ew a t e ra r ef a r m o r et h a nt h ei n c r e a s eo ft r e a t m e n tf a c i l i t i e si nv o l u m e , r e s u l t i n gi ns o m ew a s t ew a t e rd i r e c t l yd i s c h a r g e d i n t or i v e r sw i t h o u ta n yt r e a t m e n t ，r e a s o n sf o rt h eh i i g hc o s to fw a s t e w a t e rt r e a t m e n t ，m a k i n gp a r to ft h e s e w a g et r e a t m e n tp l a n tc a nn o ta f f o r dt om a i n t a i nh i g l lp r o c e s s i n gc o s t s ，d e v e l o p m e n to fe n e r g y - s a v i n g e n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o ne q u i p m e n ti st h e r e f o r ei m p e r a t i v e t h i si s s u ea c c o u n t sf o rb i o l o g i c a lw a s t e w a t e rt r e a t m e n tf o ra b o u t6 0 o fe n e r g yc o n s u m p t i o na n dt o i m p r o v ea e r a t i o ne q u i p m e n tt e s t s ，i n c l u d i n gt h ef i n ep o r ea e r a t i o nm e t h o do p t i m i z a t i o na n dt h e i m p r o v e m e n to ft h ej e ta e r a t o r , t oe x p l o r et h ee n e r g ys a v i n gw a yo fw a s t e w a t e rt r e a t m e n tf a c i l i t i e s u n d e rd i f f e r e n tw a t e rd e p t h sa n dt h es a m ev o l u m e ，c h a n g et h en u m b e ro fa e r a t i o n ，t od e t e r m i n et h e o x y g e nt r a n s f e rp e r f o r m a n c eo ff i n ep o r ea e r a t i o n ，d r a wt h er e g u l a r i t yo ft h en u m b e ro fa e r a t i o na n dt h e e f f e c to f t h et r e a t m e n t ； u n d e rd i f f e r e n tw a t e rd e p t h sa n dt h es a m ev o l u m e ，c h a n g et h el o c a t i o no ft h ea e r a t i o nt od e t e r m i n e t h eo x y g e nt r a n s f e rp e r f o r m a n c eo ff i n ep o r ea e r a t i o n ，d r a wt h er e g u l a r i t yo ft h el o c a t i o no ft h ea e r a t i o n a n dt h ee f f e c to f t h et r e a t m e n t ； u n d e rd i f f e r e n tw a t e rd e p t h sa n dt h es a m ev o l u m e ，c h a n g et h ep o s i t i o no ft h ea e r a t i o n ，t od e t e r m i n e t h eo x y g e nt r a n s f e rp e r f o r m a n c eo ff i n ep o r ea e r a t i o n ，d r a wt h er e g u l a r i t yo ft h el o c a t i o no ft h ea e r a t i o n a n dt h ee f f e c to f t h et r e a t m e n t ； t h r o u g ht h ei m p r o v e m e n to f j e ta e r a t o r , b yc o m p a r i s o nw i t hc o n v e n t i o n a lj e ta e r a t o r , t oe x p l o r et h e o p t i m a lp e r f o r m a n c eo ft h ej e ta e r a t i o nd e v i c e t h r o u g has e r i e so fl a b o r a t o r yt e s t sa n do u t d o o rt e s t s ，w em e a s u r f dn u m b e ro fu s e f u ld a t at od e s i g n p a r a m e t e r so nt h ea e r a t i o n ，h a ss o m er e f e r e n c ev a l u eo f p r a c t i c a la p p l i c a t i o na n ds u b s t a n t i a lb e n e f i t sf o rt h e i i i i v k e y w o r d s ：f i n ep o r ea e r a t i o n ，j e t a e r a t i o n ；e n e r g ys a v i n g ，o p t i m i z a t i o n l 绪论 1 1 引言 1 绪论 2 0 0 8 年，全国共有废水治理设施7 8 7 2 5 套，全国废水排放总量为5 7 2 0 亿吨【1 1 。 另外，我国城市污水厂处理成本在o 8 1 4 元吨之间，即建成一座日处理5 0 万吨污 水的城市污水处理厂【俐，年运行费需数千万元甚至达亿元。以如此庞大的运行费用在全 国各城市投建城市污水厂，对于经济尚不发达的我国来言是不堪重负的【2 】。 向水体充氧【删是水处理工程中的一个重要的环节，也是污水处理厂二级生化处理过 程中的一个关键过程4 9 】。实现向水体充氧的方法在水处理工程上称为曝气技术，目前已 广泛应用于生活污水和工业废水的好氧生物处理中【4 1 1 。 曝气系统【3 6 , 3 7 , 6 1 1 是活性污泥系统【5 1 , 5 2 】中的一个非常重要的组成部分，它的选择直接 关系到污水厂初期投资、运行费用以及污水生化处理效果4 2 ，5 - 5 9 1 。因此，它一直是近几 十年来各国共同关心的一个重要问题。特别是上世纪8 0 年代后，由于能源危机，对占 污水处理厂运行费用高达6 0 7 0 的曝气设备的改进【6 2 】及新型曝气设备的研制、推广更 成为各国的热门课题【2 , 3 8 , 3 9 , 4 4 。 1 2 曝气设备分类 曝气设备主要分为鼓风曝气、机械曝气、射流曝气器三类f 4 7 】。 1 2 1 鼓风曝气 鼓风曝气【3 】系统是由进风空气过滤器、鼓风机、空气输配管系统和浸没于混合液下 的扩散器组成。鼓风机供应一定的风量，风量要满足生化反应所需的氧量并能保持混合 液悬浮固体呈悬浮状态。风压则要满足克服管道系统和扩散器的摩阻损失以及扩散器上 部的静水压。鼓风机进口空气过滤器的目的是改善整个曝气系统的运行状态，防止灰尘 进入扩散器内部造成阻塞【5 4 , 5 5 】。 扩散器是整个鼓风曝气系统的关键部件，它的作用是将空气分散成不同尺寸的气 泡，气泡在扩散装置的出1 2 1 处形成，气泡尺寸取决于扩散装置的形式【6 3 , 6 5 1 。气泡越小， 与周围混合液的接触面积越大。气泡在上升及随水流循环流动过程中，空气中的氧不断 节能曝气方式优化及对射流曝气器改进研究 转移溶解于混合液中，最后在液面处破裂【矧。 根据分散气泡的大小，扩散器又可分成几种类型： ( 1 ) 微气泡扩散器 这类扩散设备形成的气泡直径在1 0 0 p m 左右，气液接触面大，氧利用率高其缺点 是压力损失较大，易堵寨，对送入的空气必须进行过滤处型3 1 。微气泡扩散器制造材料 一般分为两大类：一种为多孔性刚性材料，如刚玉、陶粒、粗瓷等掺以适当的如酚醛树 脂一类的黏合剂，在高温下烧结定形而成，停止曝气时微孔易被沉积物堵塞。另一种材 料为柔性橡胶膜制成，可形成管式、圆盘式等形状，膜上用激光均匀开有微孔，鼓风时， 空气进入膜片与支撑管或支撑底座之间，使膜片微微鼓起，孔眼张开，空气从孔眼逸出， 达到空气扩散的目的。供气停止，振力消失，在膜片的弹性作用下，孔眼自动闭合，并 且由于水压的作用，膜片压实在底座之上，曝气池混合液不会倒流，孔眼不会堵塞【6 4 1 。 为了便于维护管理，可以将微孔曝气管制成成组的可提升设备，需要维护时，随时 可以将扩散器提出水面进行清理【5 3 】。 这类扩散设备的氧转移效率可达3 0 ，具体安装要求及性能参数可参照生产厂家提 供的数据【4 5 1 。 ( 2 ) 小气泡扩散器 小气泡扩散器是采用多孔材料( 陶瓷、沙砾，塑料等) 制成的扩散板或扩散管，分散 气泡直径可小于1 5 m m 。 ( 3 ) 中气泡扩散器 中气泡扩散器常用穿孔管和莎纶管。穿孔管由管径介于2 5 5 0 m m 之间的钢管或塑 料管制成，在管壁两侧向下呈4 5 。角方向开有直径为2 - 3 m m 的孔眼，孔眼间距 5 0 1 0 0 m m ，两边错开排列，孔口的气体流速不小于l o m s ，以防堵塞。莎纶管以多孔金 属管为骨架，管外缠绕莎纶绳。金属管上开了许多小孔，压缩空气从小孔逸出后，从绳 缝中以气泡的形式挤入混合液。空气之所以能从绳缝中挤出，是由于莎纶富有弹性。 ( 4 ) 大气泡扩散器 大气泡扩散器采用1 5 m m 的支管直接伸混合液曝气，气泡直径在1 5 m m 左右。因为 氧利用率和动力效率较低，目前已经很少采用。 ( 5 ) 剪切分散空气曝气器 除了上述几种扩散设备以外。还有一类曝气器不是将空气直接分散，而是利用水力 2 1 绪论 或机械力的剪切作用，在空气从装置吹出之前，将大气泡切割成小气泡，如倒盆式扩散 装置、固定螺旋扩散装置、射流式空气扩散器、水下空气扩散器等。 通常扩散器形成的气泡愈大，氧的传递速率愈低，然而它的优点是堵塞的可能性愈 小。空气的净化要求也低，养护管理比较方便。微小气泡扩散器由于氧的传递速率高， 反应时间短，曝气池的容积可以缩小。因而选择何种扩散器要因地制宜。 扩散器可以布满整个曝气池底，或沿曝气池横断面的一侧布置，使混合液中的悬浮 固体呈悬浮状态，沿一侧布置时可以在曝气池断面上形成旋流，增加气泡和混合液的接 触时间，有利于氧的传递。 鼓风曝气由鼓风机供应所需空气量，常用的有罗茨鼓风机和离心式鼓风机。罗茨鼓 风机造价便宜，但受单机风量影响，一般适用于中小型污水处理厂，且运行时噪声大， 必须采取消音、隔音措施。离心式鼓风机又可分为单级高速离心风机和多级离心风机， 单机风量大，风量调节方便，运行噪声小，工作效率高。但进口离心风机价格较贵，一 般适用于大中型污水处理厂【6 7 刁1 1 。 1 2 2 机械曝气 鼓风曝气【3 1 是液下曝气，机械曝气则是通过安装于池面的表面曝气器来实现的。机 械曝气器按传动轴的安装方向，可分竖轴式和卧轴式两类。 ( 1 ) 竖轴式曝气器 竖轴式曝气器的传动轴与液面垂直，装有叶轮，其基本充氧途径是：当叶轮快速 转动时，把大量的混合液以液幕、液滴抛向空中，在空中与大气接触进行氧的转移，然 后挟带空气形成气液混合物回到曝气池中，由于气液接触界面大，从而使空气中的氧很 快溶入水中；随着曝气器的转动，在曝气叶轮的后侧形成负压区，卷吸部分空气； 曝气叶轮的转动具有提升、输送液体的作用，使混合液连续上下循环流动，气液接触界 面不断更新，不断使空气中的氧向液体中转移，同时池底含氧小的混合液向上环流和表 面充氧区发生交换，从而提高了整个曝气池混合液的溶解氧含量。因为混合液的流动状 态同池型有密切的关系，故曝气的效率不仅决定于曝气器的性能，还与曝气池的池型有 密切关系1 6 6 1 。 曝气叶轮的淹没深度一般在1 0 1 0 0 m m ，可以调节。淹没深度大时提升水量大，但 所需功率亦会增大，叶轮转速一般为2 0 1 0 0 r m i n ，而电机需通过齿轮箱变速，同时可以 进行二挡或下挡调速，以适应进水水量和水质的变化。常用的这类曝气器叶轮有泵型、 1 节能曝气方式优化及对射流曝气器改进研究 倒伞型和平板型。 ( 2 ) 卧轴式曝气器 卧轴式曝气器的转动轴与水面平行，主要用于氧化沟系统。在转动轴上安装开有鳞 片孔的转碟，或在垂直于转轴的方向装有不锈钢丝( 转刷) 或塑料板条，电机驱动，转 速在5 0 7 0 r r a i n ，淹没深度为转刷直径的1 3 1 4 。转动时，转碟或转刷把大量液滴抛向 空中，并使液面剧烈波动，促进氧的溶解；同时推动混合液在池内流动，促进曝气器附近 的混合液更新，便于溶解氧的扩散。 1 2 3 射流曝气器 射流曝气【4 8 】作为一种曝气充氧方法，从2 0 世纪4 0 年代开始应用到废水处理中，至 今已有6 0 多年的历史 4 1 。它是利用射流曝气器将气流或气液混合流导入曝气池，以增 加液体中氧含量，由于其一系列优点而得到较为广泛的应用。与传统的鼓风曝气和机械 曝气相比具有氧传质系数大、溶氧速度快、利用效率高、混合搅拌作用强、设备结构简 单、能耗低、占地面积小等优点，是一种新的曝气技术，在水处理领域受到广泛的关注。 目前，在国外已把射流曝气作为继鼓风曝气，机械曝气后的第三类曝气法【5 1 。 ( 1 ) 射流曝气器的结构 射流曝气技术的核心设备是射流曝气器。射流曝气器是由喷射器曝气器( e j e c t o r a e r a t o r ) 发展而来，是利用射流紊动扩散作用来传递能量和质量的流体机械和混合反应设 备，无论是自吸式还是供气式，它主要由喷嘴、吸气室、喉管( 又称混合室) 、扩散管 等部件构成。图1 1 是一个典型的自吸式单级单喷嘴射流器结构，也是废水生化处理中 常用的曝气用射流器。 ( 2 ) 射流曝气器的基本原理 在射流曝气器进水口处采用文丘里喷嘴，将水泵排出的有压水流吸入，随着喷嘴横 截面积逐渐变小，液体则以越来越高的速度从喷嘴喷射出来，形成一高速圆形射流束， 穿过吸气室经一定射流距离后进入射流器的喉管( 混合室) ，使与之接触的空气带入喉 管，这时吸气室形成局部真空，外界空气随即源源不断的地通过导气管补充进来。 4 1 绪论 工作越 图1 - 1 典型的单级单喷嘴射流器 带入喉管的空气在喷水压力的作用下被分割成大量微小的气泡，与高速水流充分混 合，进行能量和质量传递，形成气液混合体。气液混合体通过扩散管向外排出，随着扩 散管横截面积的逐渐增大，其速度逐渐减减小，压力逐渐增强，形成强力喷射流，对废 水搅拌充氧。气泡经多次切割，喷射扰动后，变成无数的细小气泡，其表面积很大，使 空气中的氧更易快速溶解于水中。由于气泡直径小，上升速度缓慢，从而延长了大气中 氧气溶解于水的时间，促使废水和氧气充分混合接触，达到增加水中溶解氧含量的目的。 ( 3 ) 射流曝气器的类型 射流曝气器的种类较多，通常从供气方式、工作压力、结构特点、安装方式和安装 高度等五个方面进行分类。 根据供气方式分类 根据供气方式的不同，射流曝气可分为两大类【6 3 5 】： a 强制( 压力) 供气：即用鼓风机向射流曝气器强制供给空气，美国道氏公司和 德国的拜尔公司等以及中国上海地区的试验都采用这种方式。其特点是：鼓风机供气， 比较方便控制空气量。可以根据需要把射流器安装在曝气池的底部、顶部等不同的位置， 射流器数量多，一般淹没在水中，安装与维修不方便。 b 自吸( 负压) 供气：由射流器喷嘴喷出的高速射流，使吸气室形成负压，将空气吸 人，这种射流器通常称为自吸式射流器，2 0 世纪7 0 年代美国l o u g h b o r b o u g h 大学和国 际农业研究所( n 认e ) 共同研制了插人式射流器。国内西安、湖北、北京等地区均属 这种类型。这种曝气方式的特点是，不需要鼓风设备，所需射流器少，射流器一般不淹 没在水中，安装、维修方便。 由于试验条件，计算方法及测试方法等差异，还很难从充氧能力，氧利用率和动力 效率等参数以及工艺配置等方面来评定它们的优劣，还需进一步试验研究。但这两种方 式从理论上和实际上来说都是可行的。 节能曝气方式优化及对射流曝气器改进研究 根据工作压力分类 射流曝气器从工作介质的压力上划分，可分为高压型与低压型两种【6 , 5 6 。高压射流 的工作压力为0 2 m p a ，低压为0 0 7 m p a 。高压型射流器喷嘴流速为2 0 m s 左右，低压为 1 2 m s 左右。低压型射流器理论上的能量消耗是高压型的1 3 ，而实际上可能还要少一些。 根据结构特点分类 a 单级：又分为单喷嘴和多喷嘴两种形式。根据喉管的尺寸，单喷嘴系列又分为 单喷嘴短喉管、单喷嘴长喉管两种形式，其中短喉管的长径比( 喉管长度与喉管直径之 比1 为5 7 ，而长喉管的长径比为1 0 - - 6 0 。 b 多级：一般是两级。第一级吸气后，气液混合液在第二级再吸气，这样能充分 利用射流能量。 目前所采用的射流器结构【6 ，7 】差别很大，其主要形式如下： ( 1 ) 单级单喷嘴射流器。该射流器包括：喷嘴、吸气室、混合管( 又称喉管) 、扩散管 等部分，自吸供气，动力效率为1 4 2 0 k g0 2 k w h 。它是西安污水厂、同济大学、北京 市政设计院、北京建工学院等单位所研究和采用的主要类型，也是国内生产和应用较为 广泛的形式，见图1 1 。 ( 2 ) 单级多喷嘴射流器。1 9 6 8 年西德b a y e r 化学公司采用的射流器，单体结构见图 1 2 。每单体有四个喷嘴，设在曝气池底部，池深4 8 m ，淹没深度4 2 m 。这种射流器属 于强制供气，喷嘴直径为8 m m 。这种装置的缺点是构造比较复杂，制造、安装、检修 比较困难。图1 3 是另一种单级多喷嘴射流器，其工作压力要求高，动力效率为1 3 k g 0 2 k w h ，构造复杂，容易堵塞。 l h t 多 i l i 掌 l j 图1 - 2b 删流器 图1 - 3 多喷嘴射流器 ( 3 ) 双级单喷嘴射流器。此类型射流器典型的代表为武汉轻工院、武汉水电学院及武 汉建材学院等单位研制的双级射流器，见图1 - 4 。其特点是采用了两级喷射的形式，即 6 1 绪论 利用第一级喉管作为第二级的喷嘴，使水射流的能量得到充分的利用。当工作压力为 l k g c m 2 时，喷射系数约为0 8 o 9 ，动力效率2 0 7 k 9 0 2 k w h ，二级与一级进气比约为 1 ：( 1 5 1 7 ) ，随着工作压力的增加比例逐渐增加。图1 5 为美国1 9 7 4 年的一种两级射流 器，无混合管。 图l _ 4 双级单喷嘴射流器图图1 5 美式两级射流器 ( 4 ) 威尔逊式射流器。1 9 7 0 年美国w i l l s o n 等取消了射流器的混合管及扩散管，研制 的射流器见图1 - 6 。w i l l s o n 把该射流器的喷嘴直径扩大到l 英寸以上，旨在减少设备成 本及维修费，并解决了堵塞问题。采用强制供气，动力效率达到2 5 4 k 9 0 2 k w h 。 l 空气 图l 一6 威尔逊式射流器 根据安装方式分类 射流曝气器的安装方式【7 3 1 分为竖直( 垂直) 安装( 立式) 和水平安装( 卧式) 两种方式。 由于气、液两相的水平运动与垂直运动在流态上有较大的差异，所以射流器的安装方式 对它的性能有一定的影响。 a 、竖直安装：射流向下，除了本身具有的能量外，还受重力作用，吸入室、混合 室内都不存水，因此阻力小，水利条件好；流动比较对称，也会减小阻力损失；工作停 止时，整个射流器内不存水，易维修管理，尤其是抽送有腐蚀气体时，更显示出其优越 性；但垂直安装需要一定高度的空间。 b 、水平安装：射流为水平方向，在流动过程中由于重力的影响，气泡相对地集中 7 节能曝气方式优化及对射流曝气器改进研究 在上部，使阻力损失增加。通常水平安装的负荷都比较大，而竖式安装的负荷都比较小； 从生产管理上要求射流器的负荷应小些。因此在工艺没有特殊要求的情况下，宜采用竖 直安装。 根据安装高度分类 安装高度是指射流器喷嘴断面中心距曝气池水面的垂直距离【9 】。射流器在曝气池中 的安装高度分浸设、低位、高位为三种方式。 a 、浸设式安装。射流器喷嘴置于曝气池水面下一定深度处( 射流器可位于曝气池内 或池外) 。 b 、低位安装。射流器扩散管出口断面比曝气池水面高o , - 2 m ，由于高度较小，比较 容易安装。 c 、高位安装。射流曝气器扩散管出口断面比曝气池液面高8 m 以上。在相同的工 作压力条件下，高位安装比低位安装的吸气量可以增加3 0 左右。这是由于利用液体位 能对气体进行了附加压缩的缘故。但提升液体到高位安装的射流器，需要增加耗用功率， 而且需要较大的空间来满足安装高度的要求。因此，使这种安装方式的应用受到限制。 翟永彬【l o 】等人研究结果表明，射流器的安装高度对充氧动力效率e 的影响是很大 的。当泵提供的有效功率相同时，低位安装的射流曝气器能获得较太的氧动力转移效率。 高位安装射流器的动力效率最低，低位安装稍高，浸没式安装最高。另外，浸没式安装 比低位安装的氧利用率高约2 5 左右。 1 2 4 射流曝气技术的性能特点 射流曝气是2 0 世纪8 0 年代末从原民主德国配套引进的废水处理技术，与其它水处 理曝气技术的区别在于其核心设备射流曝气器。作为一种新的曝气技术，射流曝气技术 有很为广阔的发展前景，它的优点主要体现在以下几个方面【4 。 ( 1 ) 射流曝气器混合搅拌作用强，性能可靠，微气泡多，具有较高的的充氧能力、 氧利用率和氧动力转移效率。 ( 2 ) 抗冲击负荷能力强。该技术应用在完全混合式曝气方式中，短时间的水质波动 对射流曝气单元影响较小。 ( 3 ) 当采用自吸式射流曝气器时，系统减少了鼓风机或其他机械曝气设备，降低了 电耗，也减少了空气管道部分的一次性投入。而且不存在噪声污染。 ( 4 ) 溶解氧指标容易控制和调整。每一个曝气单元都可以通过调整设备开启率、液 r 1 绪论 位、空气挡板开度、回流污泥量，对引入的空气量进行随时调整。 ( 5 ) 运行灵活，可采取各种不同的工艺运行方式，以适应不同的流量、负荷，适合 活性污泥的接种。 ( 6 ) 在射流曝气器喉管内，由于射流的紊动及能量交换作用，形成了剧烈的混掺现 象，不仅在瞬间( i o s ) 完成氧从气相向液相中的转移，而且射流曝气的工作水流是进水 和回流污泥的混合液或曝气池混合液，因此在混合液内迅速地进行着泥( 微生物) 一水( 有 机物) 一气( 溶解氧) 三者问的传质与生化反应，这是一个在特定条件下发生的快速生物反 应与三相间传质的综合过程。 ( 7 ) 提高了污泥的活性，基质降解常数较其它活性污泥法高。 ( 8 ) 投资低、占地少、构造简单、运转灵活、便于调节、不易堵塞、易维修管理。 ( 9 ) 所需曝气时间短，土建投资省，运转费用低，占地面积小。 1 3 橡胶膜微孔曝气器的优缺点 1 3 1 橡胶膜微孔曝气器的优点 1 橡胶膜微孔曝气器扩散释放出的气泡直径小、气液界面面积大，因而具有较高的 动力效率和氧利用率，这样与其他现行的曝气装置相比，可以大大节省电耗，降低污水 处理成本，当然，这也是所有微孔曝气器的优点【1 2 1 6 1 。 2 由于橡胶膜曝气器可均匀布置在全池底，使池中溶解氧分布均匀，适合于各种池 型和深度，也可对原有曝气池进行扩建改造，提高其曝气充氧效率； 3 此种曝气器气体扩散膜为橡胶膜片，托盘以及配件都是聚丙烯材质，不会锈蚀。 同时，与微孔曝气器中的陶瓷、刚玉等硬质产品相比，橡胶膜曝气器又有其独特的 优越性”1 9 1 。 ( 1 ) 膜片上的自闭孔眼，随着充氧和停止运行，孔眼能自动张开和闭合，因此，污水 中的固体颗粒不会随污水倒流进曝气盘片中，导致孔眼堵塞、沾污等弊病，从而可大大 减少运行费用和维修工作量； ( 2 ) 由于橡胶具有良好的弹性，并且质轻，不易破碎，因此，该系统的安装费用较低， 仅为陶瓷以及其他刚性系统的2 0 - 2 5 ； ( 3 ) 陶瓷、刚玉等刚性材料表面粗糙，因此设备停启或供气量较小的情况更易在曝气 器表面生长生物膜，造成孔眼堵塞，阻力增大，工作效率降低； 9 节能曝气方式优化及对射流曝气器改进研究 ( 4 ) 橡胶膜曝气器生产成本较陶瓷和刚玉产品低，从而降低初始投资。 1 3 2 橡胶膜微孑l 曝气器的缺点 ( 1 ) 首先，橡胶膜曝气器的阻力损失比新的陶瓷、刚玉曝气器大； ( 2 ) e p d m ( - - 元乙丙) 橡胶膜曝气器不适用于含石油类物质( 比如矿物油、芳香族碳水 化合物等) 的废水，因为接触这些物质会使膜片自身降解； ( 3 ) 橡胶膜曝气器运行一段时间后，会出现不同程度的膜片老化从而导致曝气不均 匀，机械曝气则不存在这种现象； ( 4 ) 与其他微孔曝气设备一样，橡胶膜微孔曝气器在运行中最大的问题是：设备的维 修不如表面曝气机那么方便，需要将池水放空或者采用提升装置才能完成。 国内外已有人做过大量的对比试验，来比较橡胶膜微孔曝气设备与大气泡穿孔管曝 气的性能差别，结果证明：由于微孔曝气器具有高动力效率、高氧利用率的特点，采用微 孔曝气器可节约5 0 左右的能耗【2 5 1 ；同时橡胶膜微孔曝气器又具有基本不堵塞的独特优 异性能，因此，橡胶膜微孔曝气器越来越广泛地应用于活性污泥或者接触氧化处理系统 中【砒4 1 。 1 4 射流曝气器现存的问题 在实际工程中，可以发现当前射流曝气技术发展中存在以下主要问题： ( 1 ) 动力效率较低。动力效率低目前仍是制约射流曝气技术发展所面临的最主要问 题。作为好氧生物处理工艺的核心设备，动力效率低就意味着运行费用高。而传统的单 级射流器动力效率一般为1 4 2 0k 9 0 2 k w h ，有的双级射流器能够达到2 0 7k 9 0 2 k w h ， 威尔逊式射流器有的达到了2 5 4 k 9 0 2 k w h ，据报道，最高能达到3 2 4 7k 9 0 2 k w h ， 但在实际工程应用中，高动力效率一直没有出现过。 ( 2 ) 充氧能力较弱。射流曝气工艺容易形成大的死角区和可能的短流区，而且在扩散 口处由于汽水冲击力较大，而容导致生物膜易于脱落。这也是发展射流曝气技术所面临 的问题。 ( 3 ) 曝气不均匀。射流曝气存在曝气不均( 曝气只向一个方向) ，可能存在有的区域曝 气过量，有的区域曝气明显不足，这样可能造成生物膜被冲脱或因缺氧致使生物膜脱落。 ( 4 ) 使用寿命低。从运行可靠性的角度考虑，传统的射流曝气器还存在着设备易腐蚀 老化、性能不稳定、故障率高、使用寿命不长等缺点。 l o 1 绪论 ( 5 ) 国产射流器性能质量不高。目前国产射流器品种比较单一，性能达不到国际同类 产品领先水平，且运行不稳定。 1 5 本研究的目的与意义 曝气设备是活性污泥及生物接触氧化等系统至关重要的设备之一，曝气设备的能耗 在污水处理厂的运转费用中占有很大的比重。节约曝气设备的能耗对于降低污水处理成 本具有十分重要的意义若要节约曝气设备的能耗，就必须正确选择曝气设备【2 5 1 。 针对微孔曝气器与射流曝气器各自的优缺点，本研究根据前人所做的研究扬长避 短，通过对微孔曝气器布置方式的优化，主要有改变曝气头气泡释出方向，改变曝气头 在曝气池中的位置，优化组合曝气器的利用效率，提高了其氧利用效率；通过对现有射 流曝气器的不足进行改进，主要有对射流曝气器添加经济适用的扩散器，添加罩网与扩 散器组合工艺，开发出新型的射流曝气器。 经过系列试验，找出微孔曝气器与射流曝气器的最优工作状态，为污水处理节能降 耗。 2 实验装置与方法 2 1 实验任务 2 实验装置与方法 通过清水试验测定微孔曝气器与射流曝气器的充氧性能，经过计算得到这些设备的 充氧能力与动力效率，通过比较得出最优布置方式及改进方法。 2 2 实验装置与药剂 1 章丘三叶罗茨鼓风机( 型号：c s r 5 0 ；功率：1 5 k w ；主轴转速：1 2 4 0 p m ； 流 量：1 0 5 m 3 m i n ；压力：0 4 k p a ；山东章丘恒风机械有限公司) 2 上海雷磁d o 测定仪( j p s j 6 0 5 ) 3 秒表 4 卷尺 5 三相异步电动机( 型号：y 9 0 l 一4 ；功率：1 5 k w ；转速：1 4 1 5 r m i n ；) 6 微孔曝气器及其参数( 型号：p w x 2 5 0 ；空气量5 8m 3 h ；氧利用率2 5 3 0 ； 气泡直径l - 3 m m ；动力效率5k 9 0 2 k w h ；适用水深1 - 6 m ；服务面积0 3 5 0 6m 2 个) 见图2 1 7 玻璃转子流量计( 型号：l z b 5 0 ，上海天川仪表厂) 8 药剂：c o c l 2 ( 分析纯) ；n a 2 s 0 3 ( 工业纯) 图2 1 橡胶膜微孔曝气头 试验所用中试曝气池尺寸：长3 7 5 m ，宽1 5 m ，深3 5 m ，有效水深3 m ，有效容积 节能曝气方式优化及对射流曝气器改进研究 为1 6 8 7 5m 3 。如图2 - 2 。一弘一一 一 厂、 訇 盗 衫k 水ji 铂 心 一y o 丁 1 2 3 实验原理 2 3 1 实验原理 图2 - 2 中试曝气池主体模型 越气口 图2 3 本实验所用射流曝气器 采用n a 2 s 0 3 作为还原剂进行消氧，利用c o c h 作为催化剂加快消氧速率，根据化 1 学方程式计算药量：n a 2 s 0 3 + l 1 0 2 哼n a 2 s 0 4 ，n a 2 s 0 3 的用量要求过量1 5 0 2 0 0 ， 二 c o c h 的用量要求保持水中的c 0 2 + 质量浓度为0 5m g l 。然后开始进行曝气充氧，测 定水中溶解氧随时间变化的氧的数值，从而计算出氧的总传递系数k h 值和充氧能力q 。 同时记录测定时的供气量q b ，进一步计算出不同曝气器的充氧动力效率e d 和氧的利用 率e a 。 2 3 2 技术指标 ( 1 ) 动力效率e p ：每消耗1 k w 电能转移到混合液中的氧量，以k 9 0 2 k w h 计，动 力效率常被用以比较各种曝气设备的经济效率，此指标为本实验重点研究指标。 ( 2 ) 充氧能力q c ：标准条件下的氧转移效率，即q c = ( d m d t ) = k l a ( 2 0 ) c s ( 2 0 ) v , k 坼o ) 为水 1 4 2 实验装置与方法 温2 0 c 时的氧总转移系数，c s ( 2 0 ) 茭j 大气压力条件下时的氧饱和浓度。v 是曝气池体积。 ( 3 ) 氧转移效率e a ：有的地方称氧的利用效率与氧利用率，是转移到混合液中的氧 量占总氧量的百分比。 2 4 实验步骤与实验说明 2 4 1 实验步骤 1 提前半天打开曝气池进水阀门，为曝气池充满清水。 2 提前3 0 分钟对溶解氧测定仪进行校正，并将测定仪的探头安装到曝气池指定测 试点。测定并纪录气压、水温、水中溶解氧浓度。 3 计算投药量 ( 1 ) 无水亚硫酸钠投加量 n a 2 s o , + d 2 与口2 s 0 4 从上面反应式可以知道，每去除l i n g 溶解氧需要投加7 9 m g n a ：s 0 3 。根据池子的容 积和自来水( 或污水) 的溶解氧浓度可以算出n a 。s 0 3 的理论需要量。实际投加量应为理论 值的1 5 0 - 2 0 0 。计算方法如下： w 。= v x c 。x7 9 x ( 1 5 0 2 0 0 ) = l x b x h x c s 7 9 ( 1 5 0 - 2 0 0 ) = 3 7 5 1 5 x3 x c 。x7 9 x ( 1 5 0 2 0 0 ) 2 0 0 0 式中：w 。叫a 。s 0 。的实际投加量( m g ) ； v 一曝气池体积( m 3 ) ； l 、b 、卜曝气池长、宽、高( m ) ； 根据上述计算结果，在本实验中，确定每池清水无水亚硫酸钠投加量w 。= 2 1 k g 。 ( 2 ) 氯化钴( c o c h ) 的投加量 催化剂氯化钴的投加量，按维持池子中的钴离子浓度为0 0 5 - - 一0 5 m g l 左右计算， ( 用温克尔法测定溶解氧时建议用下限) 计算方法如下： w 2 = v o 5 x1 2 9 9 5 8 9 = 1 6 8 7 5 x 0 5 2 3 7 9 3 5 8 9 节能曝气方式优化及对射流曝气器改进研究 = 3 4 l o o 式中：w o c l 。的投加量( m g ) 根据上述计算结果，在本实验中，确定催化剂氯化钴的投加量w 2 = 3 4 1 9 。 4 用温水将氯化钴溶解后再溶解亚硫酸钠，将药剂溶液用水桶均匀洒进曝气池，使 用搅拌棒缓慢搅拌1 2 分钟，使n a 2 s 0 3 扩散至完全混合溶于水中。 5 待溶解氧降低至零并达到稳定时，开始正常曝气计时，记录电表的初始读数，每 间隔1 分钟读去一次溶解氧数值，直至水中溶解氧达到饱和浓度c s 为止，再次记录此 时电表的读数。 6 数据处理，重复下一轮实验。 2 4 2 实验说明 1 确定曝气池内测试点位置。 通常在平面上的测试点可以布置在三等分池子半径的中点和终点，在立面上布置在 离池面和池底0 3 m 处，以及池子一半深度处，共取1 2 个测试点( 或9 个测定点) 。但本 实验为模型水池，故可以仅确定一个测试点，无需布置9 - - - 1 2 个测试点。 在本实验中，测试点的位置布置在距离射流器水平距离1 m ，距离曝气池侧壁0 2 m ， 距离水面0 5 m 处。本课题所有实验测试点均设于此。 2 本实验由于条件限制，射流曝气器的安装一律采取垂直安装方式，所测数据均为 该射流器垂直安装工况下的参数。 3 催化剂氯化钴投加后，曝气池如果不换水，可不再投加。 4 为确保实验的准确性，曝气池一天换一次水，每池水最多做4 组实验。 5 每次实验记录以下参数：水温、气量、用电量、时间。 2 5 实验数据的分析处理 2 5 1 曝气器充氧性能评价指标体系 1 氧总转移系数k t a 氧总转移系数是评价曝气设备充氧性能最重要的指标之一，它表示在单位传质推动 力作用下，单位时间内向单位体积水中传递氧的数量。k l a 的倒数1 k l a 的单位为m i n ( 或h ) ，表示曝气过程中溶解氧浓度从c 提高到c 。所用的时问。当k l a 低时，1 k l a 高， 1 6 2 实验装置与方法 使混合液内溶解氧从c 提高到c 。所需时间长，说明氧传递速率慢；反之，则传递速率快， 所需时间短【2 6 1 。 2 充氧能力q c 充氧能力q c 是反映曝气设备在单位时间内向液体中输入的氧的量。q c 值越高，曝气 设备的充氧能力就越好；反之，充氧能力就越差。 3 动力效率e p 动力效率e p 是评价一种曝气设备的重要指标之一。曝气设备的充氧能力高，即氧 转移系数大或推动力( c 。加，一c ) 大，但不一定节省能耗。如果供气量小，尽管氧的利用 率高，但供氧量可能不能满足混合液中微生物的要求。如果提供足够的动力搅动，虽提 高了氧的利用率，但动力效率不一定高。所以，评价一种曝气设备最重要的指标是在满 足足够的充氧能力的条件下动力效率的高低【2 7 2 引。 4 氧转移效率e a 有的地方称氧的利用效率与氧利用率，是转移到混合液中的氧量占总氧量的百分 比。 2 5 2 曝气器充氧性能参数的计算 1 计算标准状态下氧总转移系数k l a s 在生产现场用自来水或曝气池出流的上清液进行试验时，先用亚硫酸钠( 或氮气) 进 行脱氧，使水中溶解氧降到零，然后再曝气，直至溶解氧升高到接近饱和水平。假定这 个过程中液体是完全混和的，符合一级动力学反应，水中溶解氧的变化可用式( 2 1 ) 表示 石d c = 也( e c ) ( 2 - 1 ) 式中：d c d t 氧转移速率( m g l m i n ) ： k i r _ 氧的总转递系数( 1 m i n ) ； c 卜_ 试验条件下自来水( 或污水) 的溶解氧饱和浓度( m g l ) ； c _ 相应于某一时刻t 的溶解氧浓度( m l ) 。 将式( 1 ) 积分得 l n ( c 。- c ) = 一k l , 什常数 。 ( 2 - 2 ) 式( 2 2 ) 表明，通过试验测得c s 和相应于每一时刻t 的溶解氧c 值后，绘制l n ( c 。一c ) 与t 的关系曲线，其斜率即k l a 。另一种方法是先作c 与t 关系曲线，再作对应于不同 节能曝气方式优化及对射流曝气器改进研究 c 值的切线得到相应的d c d t ，最后作d c d t 与c 关系曲线，也可以求得k l a 。 本实验中采取第一种方法计算出k l j l ，然后通过式( 2 3 ) 计算出标准状态下氧总转 移系数k k 。 k h ，= k l i 0 2 0 r ( 2 3 ) 式中： k i 。r 标准状态测试条件下，曝气器氧总转移系数( 1 r a i n ) ； k i 厂坝0 试水温条件下，曝气器氧的总转递系数0 r a i n ) ； k 温度修正系数，1 0 2 4 ； 卜测试水温，。 2 计算标准状态测试条件下，射流曝气器的充氧能力q c 射流曝气器的充氧能力q 。采用式( 2 - 4 ) 计算。 q 。= k 细y e ( 2 0 ) 2 0 5 5 矿k 切 ( 2 4 ) 式中： q c 标准状态测试条件下，曝气器的充氧能力( k 9 0 2 h ) ； v 预4 试水池中，水的体积，本实验为1 6 8 7 5 ( m 3 ) ； c 。c 2 0 ) 2 0 水中饱和溶解氧浓度为9 0 8 ，m g l 3 计算动力效率e d 理论动力效率是曝气器在标准状态测试条件下，消耗1k w h 有用功所传递到水中的 氧量。动力效率是评价一种曝气装置的最重要的一个指标，它比氧总转移系数k 小充 氧能力q 。、都要重要。理论动力效率计算公式为： 助：盟 ( 2 5 ) h t 式中： e p 标准状态、测试条件下曝气器充氧理论动力效率，k 9 0 ：k w h ； n t 曝气器充氧时所耗理论功率，即不计管路、风机、电机损失，只考虑 曝气器充氧单位时间所消耗的有用功，k w ； 式( 2 - 5 ) 中n ，计算起来比较复杂，不确定因素多，在本实验中按照电表读数计。 4 计算氧转移效率e a 计算氧转移效率e a ，可采取以下公式： e 。：j k 一1 0 0 ( 2 6 ) “0 2 8 3 6 0 0 q 式中：e a 标准状态测试条件下，曝气器氧转移效率，； 2 实验装置与方法 0 2 8 标准状态下，1m 3 空气所含氧的质量，k g m 3 ； r 标准状态下，进入曝气器吸气室的空气体积流量，m 3 s ；按下式计算： g ：尝( 2 - 7 )1 瓦p 式中： p 加1 m p a l 一绝对温度2 9 3 ，k ； p b - _ 劂试现场气压计所显示的气压绝对压力值，m p a ；