（环境工程专业论文）城市污水处理厂曝气系统节能降耗影响因素及控制模式研究.pdf

a c a d e m i cd e g r e ea p p i i e df 0 1 ：m a s t e ro fe 1 1 9 i 1 1 e e r i l l g s p e c i a i t y ： d a t eo f0 r a le x a n l i n a t i o n ： u l i v e r s i t y ： e n v i r o n m e n t a le n g in e e r in g j u n e ，2 0 1 0 q i l l g d a j e c i l l l u i u g i c a lu 1 1 i v e r s i t y 学位论文答辩日期： 指导教师签字： 答辩委员会成员签字： 1 2 1 曝气方式2 1 2 2 曝气设备3 1 2 3 微孔鼓风曝气系统6 1 3 污水处理厂曝气系统能耗及自动控制1 2 1 3 1 曝气系统能耗”1 2 1 3 2 曝气系统自动控制现状“1 2 第2 章课题来源及研究思路 1 5 2 1 课题来源15 2 2 课题研究的背景：1 5 2 3 课题研究的目的1 5 2 4 课题的研究思路及研究内容1 6 第3 章影响曝气设备氧转移速率的关键因素研究 3 1 试验原理及试验装置1 7 3 1 1 试验原理17 3 1 2 试验装置及操作方法18 3 2 氧转移速率影响因素试验结果与分析。2 0 3 2 1 水温对氧转移速率的影响2 0 3 2 2 通气量对氧转移速率的影响2 2 3 2 3 盐度对氧转移速率的影响2 3 3 3 本章小结2 5 第4 章典型城市污水处理厂曝气系统及控制模式问题分析2 6 青岛理二大学工学硕士学位论文 4 1 试验条件与试验设备2 6 4 1 1 试验条件2 6 4 1 2 试验设备2 6 4 2 污水处理厂曝气系统问题分析2 7 4 2 1 安丘市污水处理厂悬挂链曝气系统问题分析“2 7 4 2 2 青岛市李村河污水处理厂曝气系统问题分析“3 7 4 2 3 青岛市团岛污水处理厂曝气系统问题分析研究”4 2 4 3 污水处理厂曝气系统优化控制4 9 4 4 本章小结5 l 第5 章污水处理厂曝气设备运行成本分析5 3 5 1 新旧曝气器对比试验5 3 5 2 现值法j 5 5 5 3 现值法在曝气系统中的应用5 6 5 4 新旧微孔曝气器现值法经济分析计算5 6 5 4 1 李村河污水处理厂运行数据、曝气设备参数5 6 5 4 2 经济分析计算”5 7 5 5 曝气设备经济分析结果6 0 第6 章结论及建议 6 1 6 1 结论6 1 6 2 建议j 6 2 参考文献 攻读硕士期间发表的学术论文 致谢 6 3 6 6 6 7 青岛理工大学工学硕士学位论文 摘要 污水处理是解决水环境污染的重要途径，但目前绝大多数污水处理厂存在运 行能耗与处理成本高等问题，其主要是由于污水处理厂主要耗能单元鼓风曝 气系统效率低、能耗过高造成的。在国家提倡“节能减排”的背景下，对污水处理厂 主要耗能单元鼓风曝气系统进行系统的研究，分析问题所在，提出解决方法 与对策，有助于实现污水处理厂的节能降耗，并且对提高污水处理效率与降低运 行成本具有重要意义。 本研究以典型污水处理厂的曝气系统作为研究对象，对污水处理厂的微孔曝 气设备氧转移速率影响因素进行研究，分析影响微孔曝气器充氧能力的因素以及 影响程度；对曝气系统中曝气设备及控制模式所存在的问题进行玢析，为污水处 理厂节能降耗以及优化控制模式提供参考；对新旧微孔曝气器氧转移速率( o t r ) 进行测试，分析了微孔曝气器充氧性能下降程度以及下降原因，对曝气设备运行 能耗与成本进行分析，为污水处理厂曝气设备日常运行和降低运行成本提供理论 指导。论文的王要结论如下： ( 1 ) 典型微孔曝气器充氧性能关键因素试验研究结果表明：1 ) 水温对氧转移速 率具有两面性影响。在1 5 水温条件下，试验所用微孔曝气器氧转移速率最高； 当水温大于1 5 时，随着水温的升高，微孔曝气器氧转移速率降低；当水温小于 1 5 时，随着水温的升高，微孔曝气器氧转移速率增高；2 ) 鼓风通气量对微孔曝气 器氧转移速率有一定影响。当微孔曝气器在额定流量下1 3 m 3 m 范围内变化时，鼓 风通气量的增加会使微孔曝气器的氧转移速率有较大幅的增大，当微孔曝气器鼓 风通气量超过3 m 3 h 时，随着鼓风通气量的增加微孔曝气器氧转移速率没有明显增 大；3 ) 水鹊鞠盐度对微孔曝气器氧转移速率有一定的影喊。当水中盐度在 弘。 o 2 5 0 0 m g l 范围内，水中盐度的变化对微孔曝气器氧转移速率影响较小；当水中 盐度超过2 5 0 0 m g l 时，随着水中盐度的增加，微孔曝气器氧转移速率增大。 ( 2 ) 典型污水处理厂曝气系统问题诊断及控制模式优化研究结果表明：1 ) 部分 污水处理厂存在曝气设备老化漏气、曝气器表面堵塞、曝气不均匀、曝气池在线 溶解氧仪数量不足等问题；2 ) 在污水处理厂曝气系统的运行方面：试验所在污水处 理厂存在曝气系统控制指标单一、对进水量及进水浓度变化反应不及时的问题； 毒岛理工大学工学硕士学位论文 3 1 污水处理厂可以通过对污水处理厂曝气池曝气效果的观察、曝气池污水中溶解氧 以及其他数据的连续监测，能够分析出曝气设备运行的状态，运行方式的不足、 控制模式的优劣。 ( 3 ) 在青岛市李村河污水处理厂一期工程曝气系统中，选取运行1 0 年的微孔曝 气器与同型号的新曝气器作为研究对象j 结合其氧转移速率的测试结果，进行成 本分析，得到以下结论：1 ) 运行1 0 年的微孔曝气器的曝气充氧能力会有所下降， 下降程度约为l o ；2 ) 如果将运行十年的曝气器更换为同型号新曝气器，李村河 污水处理厂将会每年节省电耗费用9 0 万元，投资回收期约为1 4 个月。 关键词污水处理厂；氧转移速率；曝气系统问题分析；曝气系统控制模式；曝气 设备运行成本分析。 青岛理二大学工学硕士学位论文 a b s t r a c t t h ei m p o r t a n tw a yo fs 0 1 v i n gw a t e rp o l l u t i o no f 也ee n v i r o 姗e n ti ss e w a g e 仃e a n n e 咄b u tm o s tw a s t e w a t e r 仃e a _ 1 1 e n tp l a n t s ( w w t p ) e x i s tp r o b l e m so fc o s t i n gk 曲 o f 仃e 咖e n ta 1 1 do p e 陬i o n t h ei n l p o r t a n tr e a s o ni s1 0 we 伍c i e n c ya i l dm 曲e n e r g yo f a e 洲o ns y s t e mm a ti sm a i nc o l l s 岫gd 印a r t m e n t u n d e rb a c k g r o 曲do f “e n e r g y c o n s e n ，a n o na 1 1 de 血s s i o nr e d u c t i o n ”，t h r o u 曲也e 删y s i so ft 1 1 ea 钉a t i o ns y s t e m p r o b l e m ，s l o u t i o na n dc o u n t e 衄e a s u r ea r ep r o p o s e d t h a ti sv e 巧i m p o r t a n ts i g n i f i c a l l c e f o ri i i l p r o v i i l ge f ! f i c i e n c yo fw a s t e w a t e r 仃e 锄e n t 龇l dr e d u c i n g 也eo p e r a t i l l gc o s t w i 也a e r a t i o ns y s t e mo f 聊i c a lw w t p 嬲也er e s e a r c ho b j e c ti n t h i s p 印e r ， t h r o u 曲r e s e a r c gi l m u e n c e 觚o r so fo t ro fr n j c r o p o r o u sa e 瞰i o ne q u i p m e 畦也e f a c t o r sa i l de x 确吐a r ea n 出y s e d t h r o u 曲a n a l y s i n g 也ee ) 【i s t i n gp r o b l e m so fa e r a t i o n s y s t 触o fe 舢p m e n ta n dc o n 仃0 l lm o d e ，m er e f e r e n c e s o fe n e r g yc o n s u d 锄p t i o n 粕d c o n 仃o lm o d eo p t i 血z 撕o ni l lw w t pa r ep r o v i d e d n r o u 吐o t rt e s te x p e 血】e n to f n e w 锄do l da e r a t o r ，n l er e 舔o n so fd e c l i n ea i l do p e r a 瞳o nc 0 妇ga r ea n a l y s e d ，h a t 谢1 1 邓v i d e 也e o r e t i c a j 鲥d a n c eo fm v t p a e r a t i o ne q l l i p m 啦越1 yo p e r 撕o na n d r e d u c i i l g 也e0 p e r a t i n gc o s t t h em a i l lc o n c l u s i o n sa r ea sf o l l o w s ： n l er e s u no fe x p 耐m e n to f 盘c 血g 也e 咖i c a lw w t p 嬲咖r k e yf a c t o r so f 0 x y g e n - s u p p l e m e n ta b i l 毋i 1 1 d i c a t e d 恤t ：1 ) t e m p e 劬l f ei n n u e n c eo fo t rh a s 铆os i d e s w h e n 吐l et e i n p e r a n 职o fw a 嗡i s1 5 ，o t ri s 廿1 et l i 曲e s t i n 也em e d i 眦a n dl l i 曲 t e n ：l p e r 锄l r e ：c o n d i t i o i l s ，惭吐1t h ei i l c r e a s eo ft e 玎1 p e r a t u r eo t ri sr e 山l c e i nt h e1 0 w t e 】叫崩锄i ec o n d i t i o n s ，谢吐lt h ei i l c r e a s eo f 咖e r a ：t u r eo t ri s i i l c r e a s e m 吐1 e c o n d i t i o no f1 1 i 曲e ra i rn o w ，e x t e n to fi n c r e a s eo rr e d u c t i o no fo t ri si 1 1 c r e a s e 2 ) a i r n o wi 1 1 n u e n c eo f o t rh a sac e r t 如c o n d i t i o n i ns c o p eo f1t o3 m 3 仳吐1 ei n c r e a s eo f a i r 蠡o ww i l lm a k eo t ri n c r e a s e b u tb e y l d3 m 3 乜、蠢出也e 血r e a s eo fa i rn o w 也e ：，： e x t e n to fi n c r e a s eo fo t r 晰1 1b er e d u c e d 3 ) n ee x p e 渤e n t a la r l a l y s i si i l d i c a t e dt l l a t 1 es a l i l l i 够e 虢c tf o ro t ri sn o tn e g l 蜮b l ei i lac e r t a i l lr a i l g e i ns a l 越t ) ，s c o p eo f 0t o 2 5 0 0 m g l ，n l e 砌u e n c eo ft h es a l i n i 够c a nb ei 弘o r e w h e n 蹦i n i 够e x c e e d2 5 0 0 m g l ， w i t l l 也e 访c r e a s eo fs a l i l l i t y ，o t rg e t1 1 i g h e r s o 吐l ei i m u 规l c eo ft h es a l i i l i 够c a n n o tb e i 印o r e n er e s m t so f 删y s i so fa e 枷o ns y s t e mp r o b l e m 觚dt h ec u r r e n tc o n n 0 1m o d em 帅i c a lm i i l d i c a t e d 趾： 1 ) m a n yw w t pm e嘲s t e ds o m ep r o b l e m so f t h er e s u l to fa n a 】y s i so fm ea e r a t i o ne q u i p m e n t o p e r a t i o n sc o s ti n d i c a t e dt ：h a t ：1 ) t h ec o 删e x p 洳e n to fo t ro fn e w 鳓眦0 ra n dn m n j 崦t e ny e a r s a e r a t o ri n d i c a t e d m 鸡心e rap e 五0 do ft i m e 也e0 x y g e n s u p p i e m e n ta b i l i t ) ，o fa e r a t o r 谢l ld e c r e a l s e t h e o t rd r o p so fa b o u t10 2 ) i fa e r a t o r 也a tm n st e ny e a r si i l f i r s t s t a g ep r o j e c to f l i c u n h ew m i 1 1 恤q i i l g d a oc 时r e p l a c ef o r 也en e wa e r a t o ro f 位s 锄e 卯e ，“ 丽us a v e9 0 0 0 0 0y u a i le v e 巧y e a ra n d 廿1 ec o s to fr e p l a o e m e n t 诚ub er e c o v e r e di i l1 4 m o n 幽s1 a t e r k e yw o r d sw w t p ；o t i a n m y s i so fa e r a t i o ns y s t e mp r o b l e m ；c o n t r o lm o d eo f r a t i o ns y s t e m ；a i l a l y s i so f 嬲眦i o ne q u i p m e n to p 训o n sc o s t i v 青岛理工大学工学硕士学位论文 第l 章绪论 1 1 水污染问题及污水处理现状 目前，全世界每年约有4 2 0 0 多亿m 3 的污水排入江河湖海，污染了5 5 万亿 m 3 的淡水，这相当于全球径流总量的1 4 以上。第四届世界水论坛提供的联合国 水资源世界评估报告显示，全世界每天约有数百万吨垃圾倒进河流、湖泊和小溪， 每升废水会污染8 l 淡水。 水污染对人类健康造成很大危害。发展中国家约有1 0 亿人喝不清洁水，每年 约有2 5 0 0 多万人死于饮用水不清洁，全世界平均每天5 0 0 0 名儿童死于饮用不清 洁水，约1 7 亿人饮用被有机物污染的水，3 亿城市居民面临水污染。在肝癌高发 区流行病的调查表明，饮用藻茵类毒素污染的水是肝癌的主要原因。 我国的水环境现状不容乐观。2 0 0 8 年中国环境状况公报【1 】显示，全国地表水 污染依然严重。七大水系水质总体为中度污染，浙闽区河流水质为轻度污染，西 北诸河水质为优，西南诸河水质良好，湖泊( 水库) 富营养化问题突出。七大水 系的2 0 0 条河流4 0 9 个断面中，i 类、v 类和劣v 类水质的断面比例分 别为5 5 、2 4 2 和2 0 8 。其中，珠江、长江水质总体良好，松花江为轻度污染， 黄河、淮河、辽河为中度污染，海河为重度污染。2 8 个国控重点湖( 库) 中，满 足i i 类水质的4 个，占1 4 3 ；类的2 个，占7 1 ；类的6 个，占2 1 4 ； v 类的5 个，占1 7 9 ；劣v 类的1 1 个，占3 9 3 。 建造城镇污水处理厂被认为是解决水污染问题最重要和最有效的技术措施。 美国是目前世界上建有污水处理厂最多的国家，平均每5 0 0 0 人就拥有1 座污水处 理厂，其中污水二级生物处理厂占7 8 ；英国共建有处理厂约8 0 0 0 座，平均每7 0 0 0 人l 座，几乎全部是污水二级生物处理厂；英国共建有处理厂约8 0 0 0 座，平均每 7 0 0 0 人1 座，几乎全部是污水二级生物处理厂：日本城市污水处理厂约6 3 0 座， 平均2 0 万人l 座，其中9 8 6 为污水二级生物处理厂；目前污水处理设施最普及 的国家当属瑞典，下水道普及率9 9 以上，平均5 0 0 0 人共用1 座污水处理厂，其 中污水二级生物处理厂占9 1 。 近年来，在水资源日益紧张、水污染持续恶化的情况下，我国环保事业发展 步伐也在加快。2 0 0 7 年，中国水污染治理投资达到3 3 8 7 6 亿元，比上年增加3 2 ， 青岛理工大学二学硕士学位论文 占当年g d p 的1 3 6 。中国水环境质量总体保持稳定。至2 0 0 8 年1 0 月，全国设 市、县及部分重点建制镇共建成污水处理厂1 4 5 9 座，日处理能力8 5 5 3 万吨( 3 6 个大城市共建成2 8 8 座，日处理能力为3 4 9 7 万吨) ，分别比“十五”末期增加6 0 5 和4 2 6 。 尽管近年来我国城市污水处理发展很快，城镇生活污水处理率也有较大提高， 但和世界其他发达国家相比，差距仍然很大。德国，瑞士、英国、荷兰等西欧发 达国家的城镇生活污水处理率都超过9 0 以上，我国近邻的日本和韩国的城镇生 活污水处理率分别达到了6 7 和7 8 8 【2 】。 目前，我国的城市污水处理设施平均运行负荷率在7 0 左右，还有一定的提 高空间，造成运行负荷率不高的主要原因有两个：( 1 ) 城镇生活污水收集系统建设 滞后，管网配套工程覆盖率低，污水不能全部收集进入污水处理厂，这是全国各 地普遍存在的现象；( 2 ) 城市污水处理设施设计规模过大，导致管理运行费用过高， 或者是设计处理规模超过了实际的处理需求，造成“大马拉小车”的现象，直接导致 污水处理运行负荷率不高f 3 。8 1 。 决定污水处理厂运营费用一个很重要的因素是污水处理工艺以及工艺中各系 统的能耗。现阶段，我国绝大多数城镇污水处理厂都采用活性污泥法工艺来处理 生活污水。而活性污泥法中最重要的处理系统为鼓风曝气系统，它很大程度上决 定了污水处理效果的好坏以及运行成本的高低。 1 2 污水处理厂曝气方式及曝气设备 在污水治理工艺中，生化处理是诸多方法中既经济又有效的方法。而在活性 污泥法处理污水的工艺中，曝气系统是活性污泥法工艺中的关键处理系统，因为 充足的溶解氧是保证活性污泥中微生物正常代谢的必要条件。 1 2 1 曝气方式 常用的曝气方式有鼓风曝气和机械曝气。鼓风曝气的过程是将压缩空气通过 管道系统送入池底的空气扩散装置，并以气泡的形式扩散到混合液中，使气泡中 的氧迅速转移到液相供微生物需要。机械曝气则是通过安装在曝气池内的叶轮快 速转动，剧烈地搅动水面，使液体循环流动，不断更新液面并产生剧烈水跃，从 而使空气中的氧与水滴或水跃的界面充分接触而转移到液相中去网。 青岛理工大学二学硕士学位论文 1 2 2 曝气设备 1 2 2 1 曝气设备在曝气池内的主要作用 ( 1 ) 充氧，将空气中的氧( 或纯氧) 转移到混合液中的活性污泥絮体上，以供 应微生物呼吸之需。 ( 2 ) 搅拌、混合，使曝气池内的混合液处在剧烈的混合状态，使活性污泥、溶 解氧、污水中的有机污染物三者充分接触。同时，也起到防止活性污泥在曝气池 内沉淀的作用。 1 2 2 2 曝气设备技术性能的主要指标 表示曝气装置技术性能的主要指标如下。 ( 1 ) 氧转移速率( o t r )o x y g e n 仃a m s f ；贸r a t e 指微孔曝气器在测试条件下单位时间向溶解氧浓度为零的水中传递的氧量， 单位k g 1 1 。 ( 2 ) 标准氧转移速率( s o t r ) s t a l l d a r do x y g e n 廿独s f e rr a t e 指微孔曝气器在标准状态( 大气压0 1m p a ，水温2 0 ) 时的测试条件下单位 时间向溶解氧浓度为零的水中传递的氧量，单位k g h 。 ( 3 ) 标准氧转移效率( s o t e ) s t a n d a r d0 x y g e n 衄l s f 打e 伍c i e n c y 在标准条件下溶入水中的氧量与曝气器供气量之比，单位。 ( 4 ) 比标准氧转移效率( s s o t e ) s p e c i f i cs t a n ( k 而o x y g e n 口a n s f e re 筋c i e n c y 在标准条件下每米水深吸收氧的百分数或供气1 m 3 所吸收的氧量，单位m 或g0 2 n m 3 m 。 ( 5 ) 标准曝气效率( s a e ) s a l l d a r da e r a t i o ne 伍c i e n c y 标准氧转移速率与总输入功率的比值，单位k g l ( w h ( 6 ) 理论动力效率( e ) 廿l e o r e t i c a lp o w e r e m c i e n c y 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，单 位k g 瓜w h 。 1 2 2 3 鼓风曝气系统的曝气设备 鼓风曝气装置根据产生气泡大小的不同可分为：微气泡曝气设备、中气泡曝 气设备、大气泡曝气设备；根据产生气泡产生方式的不同可分为：水力剪切型， 水力冲击型和空气升液型等类型。 ( 1 ) 微气泡曝气装置 青岛理二大学工学硕士学位论文 微气泡曝气装置即微孔曝气装置，是用微孔透气材料( 陶土、橡胶膜和聚乙烯 等) 制成的扩散板、扩散盘和扩散管等，所产生的气泡直径在2 n n 以下。气泡细小， 氧转移效率高，约为3 0 5 0 ，理论动力效率大于7k 9 0 2 k w h 【1 0 】。微孔曝气设 备的产生促进了鼓风曝气系统在污水处理厂的应用。 ( 2 ) 中气泡曝气装置 这种装置产生的气泡直径为2 “i 砌，在过去主要是穿孔管。穿孔管由钢管或 塑料管制成，管径2 5 5 0 珊【1 1 ，在管壁两侧下部开直径为3 5 m m 的孔径，间距 5 0 1 0 0 n u n 。穿孔管不易堵塞，构造简单，阻力小，但氧转移效率低，只有4 。6 ， 理论动力效率较低，约为1 k 9 0 2 瓜w h 。为了提高氧的利用率，近年来，国内某些科 研和设计单位研制开发了几种中气泡型的曝气装置。如w m 1 8 0 型网状膜曝气器 和套袖式曝气器为这类曝气装置中具有代表性的产品。 ( 3 ) 水力剪切型曝气装置 利用装置本身的构造，产生水力剪切作用，将大气泡切割成小气泡，增加气 液接触面积，以达到提高充氧效率的目的这些曝气器分别采用玻璃钢或热塑性 硬质材料制成，耐腐蚀性较好，其氧转移效率均比常用的穿孔管曝气装置有不同 程度的提高。属于此型的有倒盆形曝气器、散流型曝气器等。 ( 4 ) 空气升液型曝气装置 利用空气升液的原理，将曝气简置于曝气池混合液中，在筒内曝气，使筒内、 外产生密度差，形成水的提升和搅拌属于此类型的曝气器有固定螺旋曝气器。 固定螺旋曝气器由圆形外壳和固定在外壳内部的螺旋叶片组成，每个螺旋叶片的 旋转角为1 8 0 度，相邻叶片的旋转方向相反。空气从底部进入筒内，向上流动， 由于筒内、外混合液的密度差，产生提升作用，使混合液在筒内、外循环流动。 空气泡在上升过程中，被螺旋叶片反复切割形成小气泡。当前，固定螺旋曝气器 有三种类型：固定单螺旋曝气器，固定双螺旋曝气器，固定三螺旋曝气器。 1 2 2 4 机械曝气系统的曝气设备 ( 1 ) 泵型叶轮表面曝气机 泵型叶轮表面曝气机由电动机、传动装置和曝气叶轮三部分组成。按整机安 装方式分为固定式和浮置式两类。按电动机输出轴的位置分为卧式安装与立式安 装。泵型表面曝气叶轮运转时的作用原理为：1 ) 水在转动的叶轮作用下，不断地从 叶轮周边呈水幕状被抛向水面，并使水面产生波动水花，从而带进大量空气，使 4 青岛理二大学工学硕士学位论文 得空气中的氧迅速溶解于水中。2 ) 由于叶轮的离心抛射和提升作用，水体快速上下 循环产生一个强大的回流，液面不断更新，以充分接触空气充氧。 ( 2 ) 倒伞形叶轮表面曝气机 倒伞形表面曝气机由电动机、传动装置和曝气叶轮三部分组成。按整机安装 方式有固定式与浮置式两种。按电动机出轴轴线的位置可分为卧式安装与立式安 装。其结构形式与泵型叶轮表面曝气机类同。叶轮作用原理：1 ) 当倒伞形叶轮旋转 时，在离心力作用下，水体沿直立叶片被提升，然后呈低抛射线状向外甩出，造 成水跃与空气混合、进行充氧。2 ) 叶轮旋转时，叶片后侧形成低压区，吸入空气充 氧。3 ) 叶轮旋转时，产生离心推流作用，不断地提水和输水，使曝气池内形成环流， 更新气液接触面，进一步进行氧传递。有些倒伞形叶轮上钻有吸气孔，可以提高 叶轮的充气量。 ( 3 ) k 形叶轮表面曝气机 k 形曝气叶轮结构主要由后轮盘、叶片、盖板和法兰组成。后轮盘近似于圆 锥体，椎体上的母线呈流线型，与若干双曲率叶片相交成水流通道。通道从始端 至末端旋转9 0 0 。后轮盘端部外缘与盖板相接，盖板大于后轮盘及叶片，其外伸部 分与后轮盘出水端构成压水罩，无前轮盘。叶轮作用原理：1 ) 水体在旋转的叶轮叶 片作用下流经叶片通道，从叶轮进口处至叶轮出口处能量不断增加，不断地从叶 轮周边呈水幕状射出水面，并使水面产生水跃，从而大量裹进空气，使空气中的 氧迅速溶于水中。2 ) 由于叶轮的输水及提升作用，水体迅速上下循环，液面不断更 新以接触空气而充氧。 ( 4 ) 转刷曝气机 转刷曝气机由电动机、减速传动装置和转刷主体等主要部件组成。敞开式转 刷主体顶部不设钢板罩，刷片旋转时，抛起的水滴自由飞溅。罩式是转刷主体顶 部设置钢板罩，当刷片旋转溅起的水滴与壳板碰撞时，会加速破裂和分散，增加 和空气的混合，可以提高充气量。转刷曝气机具有推流能力强、充氧负荷调节灵 活、效率高且管理维修方便等特点。在氧化沟技术发展的同时，转刷曝气机得到 广泛的应用。转刷主体是在传动轴上，安装有组合式箍紧的矩形窄条片。作用原 理：1 ) 水在不断旋转的转刷叶片作用下，水滴飞溅出水面与裹入空气强烈混合，完 成空气中的氧向水中转移。2 ) 曝气机运转时，其下游水位被抬高，推动混合液以一 定流速在氧化沟中循环流动。 技术明显提高。我国加入w t o 以来许多国家的产品纷纷进入我国市场并应用于工 程中，如美国的e d i 公司、芬兰的n o p o n 公司、德国的威德公司、帕萨旺公司、 g v a 公司等。根据资料及实际工程考察，绝大部分国外产品性能良好、使用寿命 长。如云南昆明第三污水处理厂日处理2 0 1 0 4m 3 d 污水，采用i c e a s 工艺，橡胶 膜微孔曝气器自1 9 9 7 年投入运行，使用八年后才开始更换。保定的银定庄、鲁港 污水处理厂的橡胶膜微孔曝气器运行至今已达十年。又如应用于银川市第一污水 处理厂二级生物处理c a s s 工艺中的管式橡胶膜微孔曝气器，使用已达五年之久。 但是它们的单价高于国内产品。 国内自9 0 年代初即已开发橡胶膜微孔曝气器，技术方面的提高很快。结构方 面从单一的盘式发展到现有的管式、球冠式、悬挂链式等。规格已由上世纪九十 年代初的直径为2 1 51 1 1 i i l 、1 9 2i 姗的盘式、球冠式橡胶膜微孔曝气器，发展到目 6 青岛理工大学工学硕士学位论文 前己开发并拥有自主知识产权的多种规格微孔曝气器，如直径为2 5 0m m 、3 0 0m m 、 318m m 的盘式、球冠式橡胶膜微孔曝气器和0 7 0 l l0 0 0 咖、0 6 2 l 6 5 0m m 、 6 5 x l l 0 0 0m m 、9 3 l 1 0 0 0r 姗、6 7 l 1 0 0 0m m 等多种规格的管式橡胶膜微孔 曝气器，并广泛应用于用于污水处理工程中。例如，处理规模为1 0 0 万m 3 d 的浙 江绍兴污水处理厂，处理规模为6 0 万m 3 d 的杭州七格污水处理厂，处理规模均为 4 0 万m 3 d 的杭州四堡污水处理厂和南京江心洲污水处理厂均采用国产橡胶膜微 孔曝气器，已使用3 6 年，微孔曝气系统运行基本正常，达到设计要求。实际应 用及考察结果证明，国内产品完全可以代替国外产品，其充氧性能已达到国外同 类产品水平( 见表1 1 、1 2 ) 。 图1 1 橡胶膜管式曝气器 图1 2 橡胶膜板式曝气器 f i g1 - 2p i a t ea e i ? a t o ro fr u b b e rm e m b r a n c e 青岛理工大学工学硕士学位论文 ”一之誓? ? 夏多秽黧罗翟孽 一-9 9p 图1 3 橡胶膜盘式曝气器 f i gl 一3d i s ca e r a t o ro fr u b b e rm e m b r a n c e k，瘁f疋譬辂“r 。*状露醛*嚣嚣牛g n0状霹器营球苍武客肇蒹罂蟹。蜒 牛一e一器国昧爱v量暑ic旺_覃剽o医始牛、，一器喧昧苍v ui置ic躅副、，o匝始e暑oon犍妊一钕警匣始量e oon聪掘避镁匣豫v嵌棼赡 叫o ui暑口一n熙硼r_非稔疑；蚕o()n也硼墨謦餐浆徊量uj onn是删一o，d匝楸二；c n瓮也涮嚣凑暑善nn g矧111墨长o)匠粼置置n石距埘冥擎一嵌区e 蒉羚 金 丙篱 宗 卜 9 一c ； 一d 瓮 一寸 一 器 导 譬 _ 一 2 口 。6 冀 譬 o 寸n 卜岔 g eo n 一 n 高吕罱 荨 赛 n 够 哂 一 峥 6 o o寸n 卜 一 n 蜜赛r 竺 衣 导 甘 号萌式 弱 6 戈 o 寸 一 一 o 一 卜卜 卜一 _ | 、 o o 一一一o 岔nn 寸 寸 岔口 o o 卜n 卜 寸也口 n 一o on n 量 寸n寸口”西 寸n o o e竺 n 寸。卜岔心 n 岔 n 岔卜 o? i n o n n 寸 n n卜卜 岔 o呐 o o nn n 寸 n一 犁 燃 l j 宣 粼 垡 n oo 卜onn 岔 o nn oo2o oo d 岭nnnn n寸卜 o 。n 、 o nn ：暑 墅 寸 n 寸口 寸no口n 一 虮n 卜 廷盎2 o 。口 nn 一 -佰 o oo nn 寸一一n 盈 辐 n 昏 oo n o o n寸卜 o o 寸一 nnn 凸 n o。岔 o 卜 寸l n n 卜 甘一口 甘心 n 口卜 寸n o of 、n 葺 量 2 n 岔nov 、n n 。on竹岔 一卜 寸oo n 一 n nn 一口 ”卜n卜n ” nv 、 o7 n寸n 寸口寸o 。o 卜 n 卜 寸卜一 v 、 一 o o on nn nn 、 n _ i nn 一o onn 卜nnn 西 o 寸寸。一 一o 。岔岔卜n ”ono 卜卜卜口口卜口 n n n 口一o n n 岔。o 岔 卜啦西o o n n n o oo寸寸 r q 一一 葛导 2 芝 长 冷 甘 寸 寸诘 “o 导 o 、 g 豁导 罨g8 次 1b 6晶 昌 nnn o、 岔卜 一 i 豁客g ：3瓮 2 n q 承裔 b舀 禽 on 导 善 一遥曼 装 蔷 桨g 艿 鼍 山 ：睇 g 暑l 亳 x _ 送 镁l觯 模。 口正 蜊 瑙 较 校槲 删蹬幺 龄 簿 较状 心。 r 骚蟋 廷糕1 7心 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城市污水处理厂电耗约占总能耗的6 0 9 0 【1 2 1 ，主要用于污水、污泥的提升， 生物系统的供氧以及污泥处理这几个工艺过程。曝气系统是污水处理系统的核心， 其能耗在整个污水处理厂运行中的比例最大，消耗的电量大约为全部耗电量的 5 0 7 0 【1 3 14 1 。曝气系统的节能空间很大，也最为人们所关注【1 5 1 7 1 。 曝气系统的节能途径主要是解决曝气系统效率不高和过度曝气两类问题。对 于前者，选择效率较高的曝气充氧设备和高效鼓风机是主要手段。对于后者，普 遍认为采用d o 控制可有效减少氧的过量供给。自动控制系统的应用为污水处理 节能开辟了新的思路。例如o l s s o n 等人【1 8 】最早开展了对曝气池d o 控制的研究， 这也是控制供氧量最直接的办法。但近几年，d o 控制和曝气池供氧转向采用模糊 逻辑控制策略【1 7 1 ，以精确控制曝气池内溶解氧浓度，收到更为显著的处理效果和 节能效果。 1 3 2 曝气系统自动控制现状 1 3 2 1 曝气系统自动控制方式 1 ) 模糊逻辑控制 模糊逻辑控制是以模糊数学为基础，采用模糊语言控制规律，把基于专家知 识的控制策略转换成为自动控制的具体策略的控制方法，基本思想就是把专家把 一些特定的被控对象或过程控制的经验总结成一系列“i f ( 条件) t h e n ( 作用) ”形式 表示的控制规律，通过模糊推理得到控制作用集，作用于被控对象或过程。模糊 逻辑控制是在对操作人员经验总结的基础上实现对系统的控制，无需建立数学模 型；具有较强的鲁棒性，被控对象参数的变化对模糊控制的影响不明显，可用于非 线性、时变和时滞系统的控制；控制的实时性较好；控制机理符合人们对过程控制的 直观描述和思维逻辑，目前已经成为污水生物处理系统的研究热点之一。 推流式曝气池的曝气控制较为复杂，k a l k e r 等【1 9 】对推流式曝气池进行间歇曝 气研究，开发了2 种模糊逻辑控制器，其中低级模糊逻辑控制器用于d o 的控制， 高级模糊逻辑控制器用于除氮的控制。研究采用s i m u l i n k s i m b a 模型进行控制器 的设计、优化和比较。低级模糊逻辑控制器以控制区d o 浓度为输人变量，可以 将d o 浓度保持在设定水平上，由于模糊逻辑控制器对阶跃的响应时间短，巨超 青岛理工大学工学硕士学位论文 调量比比例积分( p i ) 控制小得多，因此通气量比p i 控制明显减少。高级模糊逻 辑控制器以出水中n h 4 + - n 的测量值与期望值之差( e - n h 4 + 却和其随时间的变化 量( 叫- n ) 为输人变量，以间歇曝气时间与循环步长的比为输出变量，来控制出 水中氨氮的浓度。通过改变间歇曝气时间比可将出水氨氮控制在要求的水平上， 但其影响仅在一定的流量范围内有效；d o 设在o 6m 班比1 0m g l 时的出水水 质好，可能是由于低d o 曝气条件下发生同步硝化反硝化的结果；曝气循环步长 增加，引起出水中无机氮的增加。并且高级模糊逻辑控制器控制与传统的继电器 控制和定比例控制的仿真结果比较表明，前者的能耗可以减少1 0 2 3 ，出水水 质也略好于后者。 2 ) 神经网络控制 神经网络控制是通过模拟人脑的某些结构机理以及利用人的知识和经验对系 统进行控制。神经网络能够充分逼近任意复杂的非线性关系，学习和适应不确定 系统的动态稳定性，具有很强的容错性及鲁棒性，采用信息的分布式并行处理， 可以进行快速大量的运算口o ，2 1 1 。因而，近年来神经网络在污水生物处理中的应用 引起了人们的极大兴趣，在短期内发表了许多文章，如用神经网络模拟和预测生 物处理工艺、对污水处理厂的运行进行评价及水厂的控制和优化等。 3 ) 专家控制系统 专家控制系统是一个智能计算机程序系统，其内部具有大量专家水平的领域 知识与经验，能够利用专家的知识和经验来解决该领域的问