04水2第三章(2)f_392807583

3 4曝气的原理 方法与设备 3 4 1曝气的原理 3 4 2曝气系统的计算方法 3 4 3主要的曝气设备 2 有关曝气 供氧的基本概念 曝气的作用 供氧 搅拌曝气的方式 鼓风曝气 机械表面曝气 曝气的原理与过程 需氧 供氧 供 曝气 标准供氧量与实际供氧量 3 4 3 鼓风曝气 3 4 4 机械表面曝气 3 4 5 曝气的原理与过程 DO CO2 H2O 压力 气量 3 4 6 供氧 水中 需氧 氧的利用率 EA 又称氧转移效率 是指通过鼓风曝气系统转移到混合液中的氧量占总供氧量的百分比 O2的平衡 N2的平衡 供氧 鼓风机 EA 供氧 水中 3 4 7 实际供氧量 标准供氧量 标准供氧量即曝气设备的技术指标 标准状态下测定 即 1atm 20 C 清水 实际供氧量即曝气池实际运行时所需的供氧量 实际状态下 即 实际大气压与曝气头安装水深 实际水温 实际的废水水质 曝气 供气 供氧 3 4 8 曝气的原理与过程 1 DO CO2 H2O 压力 气量 3 4 9 3 4 1曝气的原理 1 氧转移的理论基础 Fick定律双膜理论 10 Fick定律 氧的传递是一个扩散过程曝气过程中 空气中的氧从气相中被转移或传递到废水的液相中 是一个氧在气液两相之间的扩散过程 即气相中的氧通过气液界面扩散到液相主体中 扩散过程的基本定律 Fick定律 Fick定律认为 扩散过程的推动力是物质在界面两侧的浓度差 被扩散的物质分子会从浓度高的一侧向浓度低的一侧扩散 转移 3 4 1 11 式中 vd 物质的扩散速率 即单位时间内单位断面上通过的物质的量 DL 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 y 扩散过程的长度dC dy 浓度梯度 即单位长度上的浓度变化值 物质的扩散速率与浓度梯度呈正比关系 3 4 1 12 如果以M表示在单位时间t内通过界面扩散的物质的量 以A表示界面面积 则有 3 4 1 13 氧转移的 双膜理论 对于难溶于水的氧来说 分子扩散的阻力大于对流扩散 传质的阻力主要集中在气膜和液膜上 在气膜中存在着氧分压梯度 而液膜中同样也存在着氧浓度梯度 由此形成了氧转移的推动力 1923年 Lewis Whitman 3 4 1 14 氧转移的双膜理论模式图 边界层 紊流 紊流 层流 层流 Cl Pi Pg 液膜 气膜 气相主体 液相主体 yl 对流扩散 对流扩散 分子扩散 Cs Cs 与气相主体中氧分压相当的饱和溶解氧浓度 Cl 液相主体中所要求的溶解氧浓度 氧转移过程中的传质推动力就可以认为主要是界面上的饱和溶解氧浓度值 Cs 与液相主体中的溶解氧浓度值 Cl 之差 3 4 1 15 双膜理论 设液膜厚度为yl 因此在液膜内溶解氧浓度的梯度为 式中 dM dt 氧传递速率 kgO2 h DL 氧分子在液膜中的扩散系数 m2 h A 气 液两相接触界面面积 m2 Cs Cl yl 在液膜内溶解氧的浓度梯度 kgO2 m3 m 3 4 1 16 设液相主体的容积为V m3 并用其除以上式 则得 式中 dC dt 液相主体溶解氧浓度变化速率 或氧转移速率 kgO2 m3 h KL 液膜中氧分子传质系数 m h 3 4 1 17 由于气液界面的面积难于计量 一般以氧总转移系数 KLa 代替 式中 KLa 氧总转移系数 h 1 8 KLa值表示在曝气过程中氧的总传递性 当传递过程中阻力大 则KLa值低 反之则KLa值高 3 4 1 18 提高充氧速率的途径 为了提高dC dt值 可以从两方面考虑 提高KLa值 加强液相主体的紊流程度 降低液膜厚度 加速气 液界面的更新 增大气 液接触面积等 提高Cs值 提高气相中的氧分压或总压 如纯氧曝气 深井曝气等 3 4 1 19 氧总转移系数 KLa 的求定 式中 C0 当t 0时 液相主体中的溶解氧浓度 mg L Ct 当t t时 液相主体中的溶解浓度 mg L Cs 液相主体中的饱和溶解氧浓度 mg L 3 4 1 20 测定KLa值的方法与步骤 投加Na2SO3和CoCl2 脱除水中的溶解氧 当溶解氧完全脱除后 开始曝气充氧 并测定水中溶解氧随时间的变化情况 计算 绘图 0 3 4 1 21 曝气的原理与过程 2 DO CO2 H2O 压力 气量 3 4 1 22 3 4 2曝气系统的计算方法 实际供 氧 气量 标准供 氧 气量 标准氧转移速率 指脱氧清水在20 C和标准大气压条件下测得的氧转移速率 一般以R0表示 kgO2 h 实际氧转移速率 以城市废水或工业废水为对象 按当地实际情况 指水温 气压等 进行测定 所得到的为实际氧转移速率 以R表示 单位为kgO2 h 23 1 影响氧转移速率的主要因素 水质 水温 气压 影响氧总转移系数KLa 0 8 0 85 影响氧总转移系数KLa 影响饱和溶解氧浓度Cs 水温升高 Cs值会下降 反之 则升高 影响饱和DO浓度Cs 3 4 2 24 不同温度下 蒸馏水中的饱和溶解氧浓度 3 4 2 25 鼓风曝气系统Csm的计算 由于曝气装置安装在水面以下 其Cs值以扩散装置出口和混合液表面两处饱和溶解氧浓度的平均值Csm计算 即 式中Ot 从曝气池逸出气体中含氧量的百分率 EA 氧利用率 一般在6 25 之间 Pb 安装曝气装置处的绝对压力 可以按下式计算 P 曝气池水面的大气压力 P 1 013 105Pa H 曝气装置距水面的距离 m 3 4 2 26 2 氧转移速率的计算 标准氧转移速度 R0 水温为T 压力为P条件下的废水中的实际氧转移速率 R 则需对上式加以修正 需引入各项修正系数 即 一般 R0 R 1 3 1 6 3 4 2 27 式中Cl 曝气池 末端 混合液中的溶解氧浓度 一般按2mg L来考虑 3 4 2 28 曝气的原理与过程 3 DO CO2 H2O 压力 气量 3 4 2 29 3 供气量的计算 1 氧转移效率 式中 EA 氧转移效率 一般以百分比表示 OC 供氧量 kgO2 h 21 氧在空气中的百分比 1 331 20 C时氧的容重 kg m3 Gs 供气量 m3 h 3 4 2 30 2 供气量Gs 对于鼓风曝气系统 各种曝气装置的EA值是制造厂家通过清水试验测出的 随产品向用户提供 对于机械曝气系统 按式 24 求出的R0值 又称为充氧能力 厂家也会向用户提供其设备的R0值 3 4 2 31 4 曝气系统设计的一般程序 A 鼓风曝气系统 1 求风量即供气量 求得需氧速率O2 3 4 2 32 2 求要求的风压 风机出口风压 根据管路系统的沿程阻力 局部阻力 静水压力再加上一定的余量 得到所要求的最小风压 3 根据风量与风压选择合适的风机 3 4 2 33 B 机械曝气系统设计的一般程序 1 充氧能力R0的计算 求得需氧量O2 3 4 2 34 例题 一个城市污水处理厂 设计流量Q 10000m3 d 一级处理出水BOD5 150mg L 采用活性污泥法处理 处理水BOD5 15mg L 采用中微孔曝气盘作为曝气装置 曝气池容积V 3000m3 Xv 2000mg L EA 10 曝气池出口处溶解氧Cl 2mg L 水温T 250C 曝气盘安装在水下4 5m处 有关参数为 a 0 5 b 0 1 0 85 0 95 1 0求 1 采用鼓风曝气时 所需的供气量Gs m3 min 2 采用表面机械曝气器时的充氧量R0 kgO2 h 3 4 2 35 解 A 鼓风曝气系统 1 计算需氧量 2 计算20 C和25 C时曝气池内饱和DO的平均值 曝气装置出口处的压力Pb 3 4 2 36 气泡逸出曝气池表面时 氧含量 查表得20 C和25 C时的饱和溶解氧浓度分别为 Cs 20 9 17mg L Cs 25 8 38mg L 有 3 4 2 37 3 标准供氧速率R0 4 按式 27 计算供气量 3 4 2 38 B 机械曝气器求充氧能力R0 3 4 2 39 3 4 3曝气设备 1 曝气装置的分类曝气装置 又称为空气扩散装置 是活性污泥处理系统的重要设备 按曝气方式可以将其分为鼓风曝气装置和表面 机械 曝气装置两种 40 衡量曝气设备的技术性能指标 氧的利用率 EA 又称氧转移效率 是指通过鼓风曝气系统转移到混合液中的氧量占总供氧量的百分比 充氧能力 R0 通过表面机械曝气装置在单位时间内转移到混合液中的氧量 kgO2 h 动力效率 Ep 每消耗1度电转移到混合液中的氧量 kgO2 kW h 3 4 3 41 2 鼓风曝气装置 鼓风曝气系统由鼓风机 空气输送管道以及曝气装置所组成 鼓风曝气装置可分为 微 小气泡型 微孔曝气头中气泡型大气泡型水力剪切型水力冲击型 3 4 3 42 a 微 小气泡型曝气装置 由微孔透气材料 陶土 氧化铝 氧化硅或尼龙等 制成的扩散板 扩散盘和扩散管等 气泡直径在2mm以下 在200 m以下者 为微孔 EA 15 25 EP 2kgO2 kW h 以上 缺点 易堵塞 空气需经过滤处理净化 扩散阻力大 3 4 3 43 3 4 3 44 正常位置 提升位置 3 4 3 45 3 4 3 46 b 中气泡型曝气装置 气泡直径为2 6mm 1 穿孔管 钢管或塑料管 管径25 50mm 在管下部两侧呈45 开孔 孔眼直径3 5mm 间距50 100mm 不易堵塞 构造简单 阻力小 氧利用率 EA 低 一般为4 6 动力效率 EP 可达1 2kgO2 kW h 多用于浅层曝气法 动力效率可达2kgO2 kW h 3 4 3 47 2 新型中气泡型曝气装置 气泡直径接近于小气泡 不易堵塞 布气均匀 空气不需过滤处理 氧利用率高 12 15 动力效率也高 2 7 3 7kgO2 kW h 构造简单 维护管理方便 单个服务面积为0 5m2左右 3 4 3 48 c 水力剪切型空气扩散装置 利用装置本身的构造特点 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 达到提高效率的目的 1 倒盆形曝气器空气由上部进入 由壳体和橡胶板之间的缝隙向四周喷出 由于水力剪切作用 气泡变小 停止曝气时 借助橡胶板的回弹力 缝隙自动封闭 可以防止污泥倒灌 EA 6 9 Ep 1 5 2 5kgO2 kW h 3 4 3 49 3 4 3 倒盆形曝气器 50 2 固定螺旋曝气器 由圆形外壳和固定在内部的螺旋叶片组成 每个螺旋叶片的旋转角为180 相邻叶片的旋转方向相反 空气由底部进入 向上流动 产生提升作用 使混合液循环流动 空气泡在上升过程中 被叶片反复切割 形成小气泡 阻力小 搅拌力强 EA 8 10 分为固定单螺旋 双螺旋 三螺旋等 3 4 3 51 d 水力冲击型曝气器 射流曝气 分为自吸式和供气式自吸式射流曝气器由压力管 喷嘴 吸气管 混合室和出水管等组成 EA 20 噪音小 无需鼓风机房 一般适用于小规模污水厂 3 4 3 52 3 4 3 53 3 4 3 54 3 4 3 55 3 4 3 56 4 机械曝气装置 又称表面曝气装置 曝气的原理 1 水跃 曝气机转动时 表面的混合液不断地从周边被抛向四周 形成水跃 液面被强烈搅动而卷入空气 2 提升 曝气机具有提升作用 使混合液连续地上下循环流动 不断更新气液接触界面 强化气 液接触 3 负压吸气 曝气器的转动 使其在一定部位形成负压区 而吸入空气 3 4 3 57 表面曝气装置的分类 竖轴式表面曝气装置横轴式表面曝气装置 3 4 3 58 竖轴式机械曝气装置 泵型叶轮曝气器K型叶轮曝气器倒伞型叶轮曝气器平板型叶轮曝气器 3 4 3 59 1 泵型叶轮曝气器 3 4 3 泵型叶轮曝气器构造示意图1 上平板 2 进气孔 3 上压罩 4 下压罩 5 导流锥顶 6 引气孔 7 进水口 8 叶片 泵型叶轮曝气器结构尺寸图 60 对于泵型叶轮曝气器 其充氧量和轴功率可按下列经验公式计算 N轴 叶轮轴功率 kW V 叶轮周边线速度 m s D 叶轮公称直径 m K1 池型结构对充氧量的修正系数 K2 池型结构对轴功率的修正系数 3 4 3 61 呈双曲线形 浸没深度为0 10mm 线速度为4 5m s 2 K型叶轮曝气器 3 4 3 K型叶轮曝气器构造示意图1 法兰 2 盖板 3 叶片 4 后轮盘 5 后流线 6 中流线 7 前流