（环境工程专业论文）双叶轮液下曝气机开发研究.pdf

学位论文版权使用授权书 l i i ii i ii i1 1 i 1 11 1 il li 、t17 4 8 7 5 1 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， 同意学校保留并向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阅。本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进行检索，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 独创性声明 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，均己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。 学位论文作者躲专译域 日期渤9 年易月 哆日 l i 佬i b i n m a j o r ：e n v i r o n m e n t a le n g i n e e r i n g s u p e r v i s o r s ：p r o f w uc h u n d u j i a n g s uu n i v e r s i t y j u l y ，2 0 1 0 摘要 摘要 目前我国环保产业发展迅速，但是在环保设备研究开发，尤其是 自主创新的环保设备研究开发与环保产业的发展尚不适应。用于活性 污泥法的曝气设备品种与质量均不能满足环保产业发展需求，研究开 发新型的曝气设备具有实际应用价值。 环保产业“十二五”期间的发展目标要求研究开发一批具有国际先 进水平拥有自主知识产权的环保技术和产品，巩固和提高一批具有一 定优势，国内需求量大的环保技术和产品，推广和应用一批先进、成 熟的环保技术和产品。 活性污泥法是我国污水处理厂目前采用的主要二级处理方法，活 性污泥法中至关重要的环节是溶解氧浓度的控制，溶解氧浓度低或高 会造成出水水质不达标或曝气过量，这些都会直接影响活性污泥法的 处理效果。因此，调节活性污泥法污水中的溶解氧浓度，是目前各个 污水处理厂要解决的主要问题，而控制曝气机的运行方式及选择合适 种类的曝气机是主要解决方法。本课题以双叶轮液下曝气机为研究对 象，通过对其开发设计、数值模拟优化、实验研究相结合的方法，分 析其在不同转速下的充氧性能，建立转速与充氧能力间的数学模型， 为其优化运行提供基础研究，本文的主要工作为： 1 根据曝气相关理论、氧传质理论、气液两相流理论提出双叶轮 液下曝气机结构，利用流体机械设计理论及船用推进器相关设计方法 设计双叶轮液下曝气机风叶轮及水叶轮，并利用c a d 软件实现水叶轮 的计算机辅助设计； 2 、对设计的风叶轮、水叶轮进行三维造型，利用c f d 软件对风 江苏大学博士学位论文：双叶轮液下曝气机开发研究 叶轮、水叶轮进行流场数值模拟，优化曝气机结构设计，通过对比选 取的曝气机结构设计参数，水叶轮选用3 叶片混流泵，风叶片选择3 叶片搅拌器转轮； 3 对所设计的双叶轮液下曝气机进行风叶轮、水叶轮及整机试验 研究，测量其充氧能力，计算氧利用率，推导转速与充氧效果之间关 系，对双叶轮液下曝气机与普通液下曝气机在同功率、同样潜水深度 进行充氧能力对比，对同功率不同潜水深度曝气机进行充氧能力对比， 从对比结果可以看出，所设计的双叶轮液下曝气机充氧能力比同类普 通液下曝气机高l o ； 4 、创建溶解氧模糊控制器来实现双叶轮液下曝气机优化运行，在 综合考虑双叶轮液下曝气机充氧性能各种影响因素情况下，提出实现 最优化的运行方式。 关键词：活性污泥法、双叶轮液下曝气机、优化运行、数值模拟、溶 解氧 a b s t r a c t a b s t r a c t a tp r e s e n te n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o ni n d u s t r yh a sr a p i dd e v e l o p m e n ti n o u rc o u n t r y , b u tt h er e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to ft h ee n v i r o n m e n t a l p r o t e c t i o ne q u i p m e n t ，e s p e c i a l l y t h e i n d e p e n d e n t a n di n n o v a t i o n a l e n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o n e q u i p m e n t ，d o e sn o ts y n c h r o n i z e w i t ht h e d e v e l o p m e n to ft h ee n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o ni n d u s t r y t h ev a r i e t ya n d q u a l i t yo fa e r a t i o ne q u i p m e n t sw h i c hw e r eu s e df o rt h ea c t i v a t e ds l u d g e p r o c e s s a r e i n c a p a b l eo ff u l f i l l t h en e e do ft h ed e v e l o p m e n to ft h e e n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o ni n d u s t r y , s ot h er e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to ft h e i n n o v a t i o n a la e r a t i o ne q u i p m e n th a sp r a c t i c a la p p l i c a t i o nv a l u e t h ed e v e l o p m e n tg o a l so fe n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o ni n d u s t r yd u r i n g t h et w e l f t h f i v e y e a rp l a nr e q u e s tt or e s e a r c ha n dd e v e l o pap a s s e l o f e n v i r o n m e n t a l p r o t e c t i o nt e c h n o l o g i e s a n d p r o d u c t s w h i c ha r ei n i n t e r n a t i o n a la d v a n c e dl e v e la n dh a v ei n d e p e n d e n ti n t e l l e c t u a lp r o p e r t y , c o n s o l i d a t ea n di m p r o v eap a s s e lo fe n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o nt e c h n o l o g i e s a n dp r o d u c t sw h i c hh a v ec e r t a i ns u p e r i o r i t ya n db i gd o m e s t i cd e m a n d ，a n d t op o p u l a r i z ea n da p p l yap a s s e lo fa d v a n c e da n dm a t u r ee n v i r o n m e n t a l p r o t e c t i o nt e c h n o l o g i e sa n dp r o d u c t s t h ea c t i v a t e ds l u d g ep r o c e s si st h em a i np r o c e s s i n gm e t h o du s e di n t h es e w a g et r e a t m e n tp l a n t sa tp r e s e n t ，a n dt 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 l ，t h e s u b s t a n d a r dq u a l i t yo ft h et r e a t m e n to r e x c e s s i v ea e r a t i o nw i l lb ec a u s e db yl o wo rh i g hd o ，t h e s ew i l ld i r e c t l y i n f l u e n c et h ee f f e c to fa c t i v a t e ds l u d g et r e a t m e n t t h e r e f o r e ，t h er e g u l a t i o n o ft h ec o n c e n t r a t i o no ft h ed oi ns e w a g ei st h em a j o rp r o b l e mi ns e w a g e t r e a t m e n tp l a n t s ，a n dt oc o n t r o lt h eo p e r a t i o no fa e r a t i o nm a c h i n ea n dt h e r e a s o n a b l ec h o i c ei st h em a i ns o l u t i o n t a k et h ec a s eo fd o u b l e i m p e l l e r u n d e r w a t e ra e r a t i o nm a c h i n e ( d i u a m ) ，i no r d e rt oo p t i m i z et h eo p e r a t i o n i 江苏大学博士学位论文：双叶轮液下曝气机开发研究 o fa e r a t i o nm a c h i n e s ，i ti sn e c e s s a r yt oa n a l y z et h eo x y g e n i n f u s ec a p a c i t y a td i f f e r e n ts p e e d sb yt h ec o m b i n e so fd e s i g nt h e o r ya n de x p e r i m e n t a l s t u d y , a n de s t a b l i s ht h em a t h e m a t i c a lm o d e lb e t w e e nt h es p e e d sa n d o x y g e n i n f u s ec a p a c i t y ，t h ef o l l o w i n gj o bw a sc a r r i e do u t 1 a c c o r d i n g t ot h e t h e o r y o fa e r a t i o n ，o x y g e nt r a n s f e r t h e o r y , g a s l i q u i dt w o p h a s et h e o r y , t h es t r u c t u r eo ft h ed i u a mw a sr a i s e d t h e f a na n dw a t e ri m p e l l e r so ft h ed i u a mw e r e d e s i g n e d ，b a s e d o n f l u i d - m a c h i n et h e o r ya n dp r o p e l l e rd e s i g nm e t h o d u s i n gc a ds o f t w a r e d e s i g n e df o rc o m p u t e r - a i d e dd e s i g no fw a t e ri m p e l l e r 2 t h et h r e e - d i m e n s i o n a lm o d e l i n ga n dn u m e r i c a ls i m u l a t i o no ft h e f a na n dw a t e ri m p e l l e rw e r ec a r d e do u tt oo p t i m i z et h ed e s i g no fa e r a t i o n m a c h i n ea n dc h o o s et h ea p p r o p r i a t ea e r a t i o nm a c h i n es t r u c t u r e 3 t h ee x p e r i m e n t sw e r ec a r d e do nt h ef a na n dw a t e ri m p e l l e ra n dt h e e n t i r em a c h i n et om e a s u r et h e o x y g e n i n f u s ec a p a c i t y , d e r i v e d t h e r e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h es p e e d sa n do x y g e n i n f u s ec a p a c i t y , c o m p a r e dt h e u t i l i z a t i o nr a t i oo fo x y g e na n dd y n a m i ce f f i c i e n c yw i t ho t h e ru n d e r w a t e r a e r a t i o nm a c h i n eo nt h es a m ep o w e r 4 c o n s t r u c tad o f u z z yc o n t r o l l e rt oa c h i e v et h eo p t i m a lo p e r a t i o no f t h ed r u a m ，c o n s i d e r e dt h ev a r i o u sf a c t o r so nt h eo x y g e n - i n f u s e c a p a c i t 弘 a n da c h i e v eo p t i m a lo p e r a t i o nm o d e k e yw o r d s ：a c t i v a t e ds l u d g ep r o c e s s ，d o u b l e - i m p e l l e 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 i u a m ) ，o p e r a t i o no p t i m i z i n g ， n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，d i s s o l v e do x y g e n ( d o ) i v 目 录 目录 第一章绪论。 1 1 1 2 1 3 第二章 2 1 2 2 2 3 2 4 2 5 2 6 2 7 第三章 3 1 3 2 3 3 3 4 课题的来源与意义l 国内外研究概况2 1 2 1 国外研究情况3 1 2 2 国内研究情况6 本文的主要研究内容l l 双叶轮液下曝气机的设计1 3 设计依据。l3 2 1 1 双膜理论13 2 1 2 溶质渗透理论15 2 1 3 表面更新理论j 1 6 双叶轮液下曝气机结构1 7 双叶轮液下曝气机风叶轮设计2 0 2 3 1轴面投影尺寸2 0 2 3 2 确定叶片厚度2 2 双叶轮液下曝气机水叶轮设计2 2 2 4 1水叶轮搅拌器转轮设计2 3 2 4 2 水叶轮水力设计软件开发2 5 双叶轮液下曝气机转速与充气性能分析3 4 双叶轮液下曝气机设计实例3 8 本章小结4 l 叶轮的三维造型和网格生成技术4 3 基于三维造型软件p r o e 的实体生成方法4 3 3 1 1基本三维实体及生成方式4 4 3 1 2 三维实体信息查询4 5 叶轮的三维模型生成4 7 3 2 1n u r b s 曲线在叶片绘型中的应用方法4 7 3 2 2n u r b s 曲线的数学表达式4 7 3 2 3n u r b s 曲线形状的修改4 8 叶片流线的绘型及动态调控方法5 0 3 3 1基于p r o e 的扭曲叶片流线的绘型方法5 0 3 3 2 基于p r o e 的扭曲叶片流线的动态调控方法5 1 扭曲叶片曲面拟合5 2 3 4 1 n u r b s 曲面的数学模型5 2 v 江苏大学博士学位论文：双叶轮液下曝气机开发研究 3 5 3 6 3 7 第四章 4 1 4 2 4 3 4 4 4 5 4 6 4 7 3 4 2 基于p r o e 的曲面拟合方法5 4 基于p r o e 的叶轮三维实体造型5 4 网格生成6 0 本章小结6 2 双叶轮液下曝气机流场的三维数值模拟 模拟软概述6 3 气液两相湍流模型的选择及其控制方程“ 求解区域及边界条件6 6 控制方程组的解法压力修正法6 7 基于f l u e n t 的风叶轮内湍流场的数值模拟6 8 4 5 1 分离解方法6 8 4 5 2 耦合解方法6 9 风叶轮内湍流场数值模拟及优化设计7 0 水叶轮搅拌流场数值模拟及优化设计7 3 4 7 1 轮毂比为o 2 5 计算结果7 3 4 7 2 轮毂比为o 3 5 计算结果7 6 4 8 本章小结7 8 第五章双叶轮液下曝气机性能研究 5 1研究目的7 9 5 2 风叶轮实验研究7 9 5 3 水叶轮实验研究8 2 5 4 实验设备和药剂8 6 5 5 实验装置与步骤8 7 5 6 充氧能力与转速关系9 0 5 6 1线性回归法9 0 5 6 2 充气速度与转速的关系9 2 5 6 3 氧利用率与转速的关系9 7 5 6 4 充氧能力与转速的关系10 3 5 7 实验结果的运用及其仿真1 0 4 5 7 1 模糊控制原理1 0 4 5 7 2 运用模糊控制优化曝气机的运行1 0 6 5 7 3 溶解氧模糊控制的仿真1 1 0 5 8 本章小结1 1 2 第六章结论与展望 参考文献。 致谢 1 1 3 1 1 5 作者在攻读博士学位期间发表的论文和参加的科研项目1 2 5 v i 第一章绪论 第一章绪论 曝气就是通过机械作用向水中充入空气，实现溶气或充氧效果的过程。当前， 曝气作用已经广泛的应用在净水、充氧等环保、养殖领域。国外已经开发出以曝 气机理为依据的系列曝气机和气浮机械，国内在这方面起步较晚，在理论方面还 是空白，产品基本上是仿造国外的样机。 1 1课题的来源与意义 曝气机通过曝气部件的作用向水中充入气体，或者实现充氧、或者实现 气浮作用进行污水处理，曝气机是环保产业中最重要的核心设备之一。 随着人们对环境保护和生态建设的同益重视，我国的环保产业将会有较快的 发展，预计到2 0 1 5 年，我国环保产业总产值将达到4 9 万亿元，其中环保设备( 产 品) 生产1 5 万亿元，占3 0 。环保产业“十二五”期间的发展目标要求研究开发 一批具有国际先进水平的拥有自主知识产权的环保技术和产品，巩固和提高一批 具有一定比较优势，国内需求量大的环保技术和产品，推广和应用一批先进、成 熟的环保技术和产品。 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 5 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能力的关系，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。 城市污水处理和工业废水处理是环保产业“十五”发展重点之一，即重点发 展同处理能力2 0 万吨以上城市污水处理技术和成套设备。其中包括研制开发适用 于不同工况的新型曝气设备及其制造工艺，重点解决现有国产设备质量较差和品 种不全的问题。同时强化曝气设备和技术。根据我国加快城镇化建设的要求，加 速发展同处理能力1 0 万吨以下的中小型城市污水处理技术和成套设备。因此， 在这种环境下，研究开发曝气设备并进行产业化具有很高的经济效益和社会效益。 江苏大学博士学位论文：双叶轮液下曝气机开发研究 而对曝气机曝气部件的设计及其曝气机理研究则是上述所有开发研究的基础。 城市污水主要污染物成份基本都是容易被微生物分解的物质。在城市污水处 理工艺技术方案中，采用曝气充氧培养微生物对有机污染物质进行分解，这一基 本原理都是相同的。一般都是采取初沉、曝气、二沉、回流或排出的工艺流程： 近年来还出现了曝气、二沉、回流或排出的三合一体间歇式曝气工艺。城市污水 属于可生化处理的中性污水，工艺技术要求并不太复杂，而城市污水处理工艺技 术方案的关键因素是曝气技术的选用。 曝气充氧是城市污水处理工艺运行中最重要的技术保障手段，也是工艺运行 的动态控制核心；在城市污水处理运行费用中，动力消耗所占比例约为8 0 ，而 曝气充氧能耗又要占装置总动力消耗的约8 0 ；由此可见，所选用的曝气形式及 技术在城市污水处理工艺技术方案中的重要地位。 1 2 国内外研究概况 国外对曝气机的研究进行的较早，但是双叶轮液下曝气机产品到目前还没有 相关详细的研究，相比于国外而言，国内对曝气机的研究尚是刚刚起步。 曝气主要有表面曝气( s u r f a c e a e r a t i o n ) 、浅层曝气和深层曝气等。所谓表面曝气 就是部分曝气部件暴露在空气之中。表面曝气一般由转刷曝气机和转盘曝气机来 实现。 与之对应的浅层曝气和深层曝气，就是将曝气部件全部浸入水中，不过浸入 的深度不同。浅层曝气与深层曝气的主要区别就是浅层曝气搅动液面的液体，形 成水跃，直接与液面上的气体进行混合。而深层曝气则是通过引气或者鼓风产生 气泡，气泡在曝气部件以及曝气部件以后与气体混合，同时，由于深层曝气的曝 气部件距离液面较远，通常加装进气管来通入气体。所以，深层曝气又称为液下 曝气。浅层曝气主要是叶轮曝气。深层曝气设备基本上有叶轮曝气机和射流曝气 机两种。由于深层曝气是将曝气部件深埋在水中，这样噪音小，所以深层曝气现 在应用的越来越广泛。 2 第一章绪论 厂转刷曝气 也有的把浅层曝气和表面曝气合称为表面曝气，而将深层曝气分为鼓风( 引 气) 曝气和射流曝气。其它的曝气方式还有膜片曝气、提水曝气等多种方式，常见 曝气分类方式见表1 1 表1 1 常用曝气方式 t a b1 1c o m m o n l ya e r a t i o nm o d e 曝气类型曝气方式 将鼓风机提供的压缩空气，通过管道系统送入曝气池中空气扩散装置 鼓风曝气 上，并以气泡形式扩散到混合液中 通过安装在曝气池表面上的叶轮或转刷的转动，剧烈的搅拌水面，不断 表面曝气更新液面并产生强烈的水跃，从而使空气中的氧与水滴的界面充分接触 机 而转移到混合液中 械 通过水下高速旋转的叶轮产生负压，将空气引入水下，再通过叶轮的高 曝潜水曝气 速剪切运动，将吸入的空气切割为小气泡扩散到污水中 气 通过叶轮转动搅动水面溅成水花，空气中的氧通过气液界面转移到水 卧轴式曝气 中，同时也推动氧化沟中的污水 i 采用鼓风装置将空气送入水下，用机械搅拌的方法使空气和污水充分混 鼓风机械曝气i l 合，本方法适用有机物浓度较高的污水 曝气时，将空气充入水中以强化氧的传质过程。整个过程第一阶段是空气与 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。 1 2 1国外研究情况 国外的曝气机的生产已经成系统、成规模的进行，但是对这种双叶轮液下曝 气机设计理论的研究很少，对搅拌推流设计研究也很少。其余类型曝气机规格齐 3 江苏大学博士学位论文：双叶轮液下曝气机开发研究 全、品种繁多，目前国外的研究的重点为曝气机的最优( 经济性) 运行以及相应 的基础研究和经济性比较。 通过对国外资料及文献的检索，可以看出国外对曝气机理及曝气效率的研究 很多，d a v u th a n b a y 等多人对倒伞形曝气机曝气效率进行了实测及预测；j i a n h u a w u 等人对普通潜水液下曝气机进行了性能的研究；其余很多学者及专家也都是对 曝气机理进行研究，对各种表面曝气机、倒伞形曝气机、潜水曝气机曝气气泡大 小及曝气效率进行研究。通过对国外专利文献检索，可以看出国外对各种曝气机， 如表面曝气机、潜水曝气机等各种不同结构都有了相关的申请，但是对与双叶轮 的结构未见报道。 1 2 2 1与溶氧效率有关的参数 溶氧效率( k 9 0 2 l ( 、沛) 也就是溶氧量与能耗的关系是衡量曝气机曝气 性能的一个主要指标。国外已经开始研究曝气机的各种几何参数和运行参数对溶 氧效率的影响。o g n e a n 和t e o d o r 研究了立轴式曝气机的溶氧量和能耗之间的关系， 他们认为【2 1 1 ，对于一个确定的理想的曝气机，为了得到最优的溶氧效率，最优转 速和溶氧体积都是唯一确定的。现在，这种理论已经得到了共识。也就是为了获 得最优的溶氧效率，必须合理的确定曝气机的几何参数( 叶轮直径等) 、运行参数 ( 转速、溶气量) 。 m o o r ej m i c h a e l ，b o y d 以及c l a u d ee 等人研究了不同的桨轮( p a d d l ew h e e l ) 直 径( 6 1 9 1e r a ) 、不同的桨轮长度( 1 5 7 5e m ) 、深度( 8 1 8c m ) 和桨轮转速( 7 5 1 2 5r m i n ) 下小型桨轮曝气机( p a d d l ew h e e la e r a t o r ) 溶氧量与能耗的关系，这些数据为设计 o 2 5 、0 3 3 、o 5 、0 7 5 、1 0 、1 5 、和2 0 马力的桨轮曝气机提供了最优设计准则。 这些小型桨轮曝气机的最优溶氧效率为2 0 - - - 2 6 k 9 0 2 k w h t 2 2 1 。 k a u l t 2 3 1 、p e t e r s o n 【2 4 1 、p 锄d i t f 2 5 1 对各种不同的曝气机的上述的溶氧效率做了详 细的研究。 1 2 2 2 以溶氧效率为基础的经济性比较及实验 以经济性为基础，可以衡量各种曝气机的经济性。例如在含盐度为百万分之 1 0 - - 3 0 的海水中，复叶曝气机( p r o p e l l e r - a s p i r a t o r - p u m pa e r a t o r ) 的溶氧效率为1 2 0k g 0 2 k w h ，而小型桨轮曝气机的溶氧效率为o 8 5k g0 2 k w h 2 6 1 。 在池塘水产业中，大型池塘一般用桨轮曝气机和复叶曝气机，而小型池塘一 4 第一章绪论 般用散气曝气系统( d i f f u s e d a i ra e r a t i o ns y s t e m ) 或者立泵曝气机( v e 奠 t i c a l - p u m p a e r a t o r ) 。池塘水产业中的标准溶氧效率为1 3 6 k 9 0 2 k w h ，而这些曝气设备的溶氧 效率大多数超过2 0 k 9 0 2 l ( 、他【2 7 1 。 国外对不同曝气设备的经济性评价已经有了系统的评价理论和完善的设备。 由于不同的操作环境( 污水特性) 对溶氧效率的影响是不同的，因此，国外已经 制订了用于标定曝气设备溶氧效率的标准条件和现场条件两种不同的标准。标准 条件就是在清水或者自来水中进行测试，而现场条件就是在现场或者相似的污水 中进行实科2 8 】【2 9 1 。 1 2 2 3 曝气机的性能及选用 根据曝气机的性能以及曝气的具体要求，选用合适的曝气机是实现理想的溶 氧效率的一个重要内容。 通常情况下，并不是所有的曝气机都要进行现场实验，因此就需要对其曝气 特性进行预测。m a l 等人以量纲分析为基础建立了适用于预测桨轮式曝气机的性能 的一系列无量纲数，这些数综合考虑了标准曝气效率与有效功率以及单位体积理 论功率之间的关系【3 0 1 。在性能预测方面，还没有形成统一的预测标准，不过所有 预测基本上都是采用了无量纲数进行的f 3 。 曝气机的选用，是根据污水环境的要求以及曝气机的特性进行合理搭配来进 行的，污水环境包括悬浮固体物浓度s s ( 单位为m g l ) 、生化需氧量 b o d ( b i o c h e m i c a lo x y g e nd c t n a n d ) 等等 3 2 1 。在运行过程中，还可以调节曝气器的运 行参数以获得最佳的配合f 3 3 】【3 4 1 。 另外，基础研究也是国外研究的一个重点内容。曝气机理方面的基础研究主 要设计两个方面，一方面是溶氧量的研究，另外一方面就是气泡的动力学特性。 实际上，二者是相互联系的，这是因为气泡的大小与分布状态是确定溶氧量的直 接因素【3 5 1 。对气泡的实验研究表明3 6 1 ，气泡的直径是各态历经的，分布为正态分 布，这些实验研究的结果又用于指导修正理论研究的模型【3 7 】【3 8 1 。 当前用于分析表面曝气的数学模型般为一阶模型或者指数模型【3 8 1 。相比而 言，在液下曝气的研究中已经引入了经典的湍流模型【3 9 1 。所以，液下曝气的基础 研究是比较先进的。液下曝气的经典c f d 分析选取液下曝气机周围的一个有限区 5 1 。1 江苏大学博士学位论文：双叶轮液下曝气机开发研究 为计算区域，在计算中不考虑气相，并且忽略了气相对液相的作用。氧气输 区域通过一个系数做假设。通过固定曝气量、变化水的回流量进行研究。速 的计算应用n - s 方程。氧气的输送按源项引入方程中。国外这样的计算结果 业应用中的报告是一致的，因此，这种计算模型是成功的。 2 国内研究情况 国内对曝气机的研究在上个世纪末还基本上是空白，对于城市生活污水和工 水的处理，以前基本上是采用溶气气浮d a f ( d i s s o l v e ；( 1a i rf l o t a t i o n ) i 潞t 2 h 6 】。 逐步开始进口国外的产品【刀。现在在污水处理行业中仍然有应用其它替代设备 子【引。进a - 十一世纪以后，国内开始有企业进行相关产品的生产吲，但是对 气机的设计理论和曝气机理的研究尚需进一步深入。 1 1表面曝气 如前所述，曝气分为表面曝气【l o l 、浅层曝气和深层曝气等，表面曝气常用的 刷曝气和转盘曝气。转刷曝气主要用于氧化沟的曝气【l i 】，对污水进行充氧。 由碳钢或不锈钢材料制成，具有曝气、水平推流以及混合等作用，是理想的 设备。其工作原理是在一个主轴上均匀布置着刷体，刷体在驱动装置的作用 着主轴一起旋转，刷片与水接触，将水抛入空中，形成水跃，充分与空气接 触，空气迅速溶入水中，完成充氧过程。转刷曝气机的主要特点有：采用专用 机构以及调心轴承，自动保持轴及刷片的平稳运行；刷片采用不锈钢或者碳钢 镀锌材料，耐腐蚀，寿命长达1 0 年以上；安装维护方便，投资小，运行费用低 廉；可根据氧化沟宽度灵活布置，并可根据溶解氧自动控制运行。 同转刷曝气机一样，转盘曝气机也是主要用于氧化沟的曝气，对污水进行充 氧。这种曝气机的转盘上均匀布置着无数的轮牙、泼水瓢、储氧沟和离心槽，盘 片在传动装置的驱动下快速旋转，将水抛入空中与空气接触，空气迅速溶于水中， 达到充氧的目的。具体各个部件的作用为：轮牙主要起推动作用；泼水瓢使水雾 与氧气充分混合，处于饱和状态，再落入池中，它形成流线型，阻力小，泼水效 果好，充分起到泼水的作用。储氧沟强制将沟内的气泡代入水中并切割打碎，使 之充分与池内的水混合。离心槽则使停留在盘片处的“死水 在离心力的作用下 沿离心槽射出，并和氧气充分接触。这种曝气机的特点为：传动机构运行可靠； 6 第一章绪论 盘片采用复合玻璃钢模压成型，耐腐蚀，寿命长达l o 年以上；安装维护方便， 运行费用低；充氧能力不够时，可以加装盘片，增加充氧能力；可以用一台 驱动电机拖动两台转盘，中间采用双出轴减速机拖动，负荷平衡；可根据氧化 沟宽度灵活布置，并可根据溶解氧自动控制运行。 1 2 1 2 浅层曝气 浅层曝气主要用于印染、石油化工、煤气、农药、造纸、制革等工业废水及 城市污水的净化处理，可以安装在活性污泥法的生物化学处理的曝气池中，集搅 拌、混合、充氧为一体，高效繁殖好氧菌。图1 1 和图1 2 为两种不同的浅层叶轮 曝气机。从图可中以看出，两种浅层曝气机的淹没深度只有1 0 c m 和4 c m 。 图1 1 为倒伞形曝气机，其工作原理是污水在旋转叶轮叶片的强力推进作用 下，水幕从叶轮周边甩出，形成水跃，裹进大量空气，叶轮由下向上呈锥形扩大， 运行时迫使污水上下循环流动，不断更新液面，致使污水和空气进行大面积混合， 溶解大量氧气，供给微生物吸收，达到净化污水的目的。这种曝气机广泛适用于 活性污泥处理污水的各种曝气池等工业废水和城市生活污水的处理，特别适用于 卡鲁塞尔氧化沟中。图1 2 为e 形叶轮曝气机【12 1 。 ， i 一 隧二o 一浏 l j 蓑二 图1 1 倒伞形曝气机 f i g 1 1 a e r a t o ro fd o w n - u m b r e l l a 1 2 1 3 深层曝气( 液下曝气) 7 磁狐，l7 冕砺 图1 2e 行叶轮曝气机 f i g 1 2 a e r a t o ro fe t y p ei m p e l l e r 江苏大学博士学位论文：双叶轮液下曝气机开发研究 深层曝气包括射流曝气和叶轮曝气两种，主要特点就是曝气设备在液面以下， 气体是通过引气管导入的，这种曝气设备由于是在深水处，噪音小，是目前广泛 采用的曝气方法。 目前的曝气设备已经广泛的采用这种曝气方式。因为本论文主要是研究双叶 轮液下曝气机，主要介绍叶轮式深层曝气，叶轮式深层曝气又根据电机是否在液 下，分为液下曝气机和潜水曝气机两类。 图1 3 是两种节能型液下曝气机，图1 3 为增压节能曝气机，这种曝气机的 工作原理是：电动机带动导气管内的送风增压叶轮高速旋转，通过高速旋转的两 级( 或多级) 送风增压叶轮，使进气的流速和压力得到提高，气流再经加速导向 锥作用速度得到更进一步提高。同时搅拌推流叶轮高速旋转，在叶背和叶前中心 尾流区产生较强负压，空气通过导气直管和多级空气传动增压加速装置直接吸入。 水从叶背进入，水和气在混合室内混合并被强烈搅拌，混合液在叶轮的推力作用 下进入混液区，重新被压力水渗透乳化，通过导向分配器形成高速水柱，定向辐 射到水池的纵深服务面上，乳化后的空气，因失压迅速分离成微小气泡，从而提 高了氧的转移率，达到了充氧净化污水的目的。 图1 3 液下曝气机 f i g 1 3u n d e r w a t e ra e r a t i o nm a c h i n e 图1 3 为国内某代理公司引进的美国专利曝气技术美国a e r o m i x 公司 生产的微风微细曝气器。美国专家设计的引气曝气机，微气泡总量和直径可方便 调节，可适应不同粒径悬浮物的去除。同时，避免了泡沫和浮渣的外溢。引气曝 8 第一章绪论 气机微气泡的产生是利用电机带动周边有微孔的散气盘高速旋转。在水中形成一 个负压区，液面上的空气被吸入水中去填补真空。空气进入水中，被转盘割成直 径1 0 - 1 0 0 微米的气泡。其工作原理是：待处理的污水首先经进水口进入装有引气 曝气机的小型充气段，在充气段内污水上升过程中与曝气机产生的微气泡混合， 形成气水混合物。由于气水混合物和液体之间密度不平衡产生了一个垂直向上的 浮力，上浮过程中，微气泡附着在固体悬浮物物上，将固体悬浮物浮到水面并在 气泡的支撑下维持在水面上，间歇地被链条式割渣机从气浮槽的进口推倒出口端， 通过螺旋输送器将其排出，净化的污水经溢流槽排放或去下一级处理设施。 采用潜水电机，也就是电机也淹没于水下的曝气机组称为潜水曝气机。潜水 曝气机有效利用流体喷射及离心泵工作原理，采用潜水电机直接驱动叶轮高速旋 转，充满叶轮中的水随着叶轮高速旋转，在离心力的作用下甩出叶轮，从而使叶 轮中心形成真空以吸入空气，空气随水混合经叶轮、混合室，在离心力作用下高 速喷出。水流喷射极强，造成有效的对流环扰动，使空气泡更进一步分割成众多 细小气泡。由于气泡直径小，上升速度缓慢，潜水曝气机一般安装于池底，气泡 到达水面距离远，从而增长了大气中氧气溶解于水的时间，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，使空气中氧更易溶解于水中。 促其污水和氧气充分混合接触，完成生化过程，进而达到净化污水的目的。潜水 曝气机，广泛应用于普通活性污泥法、氧化沟法、生物接触氧化s b r 法等污水处 理工艺。 9 。 _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ - 。_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - 。 江苏大学博士学位论文：双叶轮液下曝气机开发研究 图1 4 潜水曝气机 f i g 1 4 s u b m e r s i b l ea e r a t i o nm a c h i n e 图1 4 为导叶式潜水曝气机，这种曝气机的工作原理是：配气轮将空气和水混 合后输送到推流转轮的入口，在入口处与大水流混合，经导流叶片后由喷嘴喷出。 其它的曝气机有飓风曝气机( 图1 5 a ) 、散流式曝气机( 图1 5 b ) 、膜片式曝 气机( 图1 5 c ) 以及提水曝气机等掣b h 2 0 。 l o 第一章绪论 图1 5 其它类型曝气机 f i g 1 5 o t h e rt y p ea e r a t i o nm a c h i n e 1 3 本文的主要研究内容 本文的主要研究内容就是开发研制双叶轮液下曝气机，包括风叶轮、水叶轮 结构设计及推导其充氧能力与转速的关系。