分散式污水工艺跌水曝气装置设计与充氧性能试验研究

分散式污水工艺跌水曝气装置设计与充氧性能试验研究

在郊区村庄、城市郊区、分散分布的村庄和其他地区，很难覆盖城市排水管网，进行集中收集和处理，需要根据土地情况建立分散式废水处理系统。但目前分散式污水处理工艺存在着能耗高、运行费用高等问题，困扰其可持续的运行与维护，据统计跌水曝气是指采用自然或人为方式形成高低水位差，使高位水自由跌落向低位水进行充氧的一种曝气方式。水流在跌落过程中，势能不断转化为动能，形成一定水跃。根据水流流量不同形成水滴、水幕、水柱等形态，并剧烈紊动，带动空气中的氧气向低位水体转移，氧气由气相转移至液相，从而使低位水体溶解氧浓度迅速增加，形成自然充氧状态本文以“双模理论”为理论依据，设计了一套跌水曝气装置，并考察了跌水紊流穿孔板设置、跌水流量、跌水高度、进水COD浓度等因素对充氧性能的影响，以期为跌水曝气工艺技术的应用提供一定参考依据。1材料和方法1.1效容积、支架设计的跌水曝气装置由配水池、跌水池、支架、跌水板、穿孔条、卡槽、三角溢流堰等部分组成，其中配水池、跌水池有效容积分别为6L、60L，跌水板上配有3组卡槽，用于更换不同孔径的穿孔条。支架主要用于固定并调整配水池高度来改变跌水高度。试验过程中，水流通过三角溢流堰由配水池进入跌水组件，通过跌水紊流穿孔板进行跌水，而后高空进入低位跌水池，再由蠕动泵抽回配水池，改变蠕动泵转速大小调节跌水流量。装置由有机玻璃制成，具体见图1和图2。1.2预处理对水中溶解氧的影响试验采用静态启动，开始前在低位跌水池中注入一定量的水，将溶解氧仪探头放置水中固定位点，待溶解氧仪读数降低至0.5mg/L以下，且保持2min时长的读数基本稳定，计时为0时刻，启动蠕动泵开展试验，记录水中溶解氧浓度10min/次。相邻2组溶解氧数据变化幅度<0.1mg/L时，即认为水中溶解氧达到饱和，停止试验。试验分为清水曝气充氧性能试验和污水曝气充氧性能试验。在试验开展前，清水曝气充氧性能试验须在水中添加一定量的脱氧剂（亚硫酸钠）和催化剂（六水氯化钴）以消除水中残余溶解氧。由于采用亚硫酸钠化学消氧法，将导致清水中总固体溶解量（TDS）增加，影响试验结果，因而依据《微孔曝气器清水氧传质性能测定》（CJ/T475-2015)试验通过分别改变跌水流量Q(Q=180、240、300、360、420mL/min）、跌水紊流穿孔板直径D(D=2.5、5、7.5、10mm）、跌水高度H(H=40、55、60、70、85、100cm）探究参数变化对清水跌水曝气充氧性能响应；通过分别改变水体COD浓度（COD=216、303、398、475、562mg/L）、跌水高度H(H=40、55、60、70、85、100cm）探究参数变化对污水跌水曝气充氧性能响应。研究1.3氧传递过程c基于1923年由Lewis和Whitman提出的“双膜理论”(1）水中存在耗氧物质（好氧微生物、浮游生物等），一定条件下，氧传递过程为：式（1）中，K其中存在稳定状态，即当水体中耗氧速率等于供氧速率时，(2）水中不存在耗氧物质（好氧微生物、浮游生物等），即耗氧速率R=0，一定条件下，氧传递过程为：两边同时积分，整理得：由于清水充氧试验中不考虑耗氧物质，根据式（3）分别以ln(C式（4）中，K污水中因含有多种杂质，K2结果与讨论2.1游泳测试通过改变跌水紊流穿孔板、跌水流量、跌水高度等因素，研究其对清水充氧效率的响应。2.1.1穿孔板的穿孔对充氧性能的影响跌水紊流穿孔板孔径与K2.1.2历史上充氧效率与涨水流量的关系跌水流量与K当跌水流量增加，充氧效率随之增大，这与王左良为进一步研究跌水流量与充氧效率关系，试验数据采用Origin进行拟合，分别得到不同穿孔板孔径下Q与K由表1得跌水流量与充氧效率的基本函数关系式为K取任一数据点（Q,K同时，无跌水紊流穿孔板条件下，Q与K2.1.3历史上充氧性能变化在最佳孔径（D=5mm）及流量（Q=240mL/min）条件下，对比有无跌水紊流穿孔板组件，研究跌水高度变化对跌水曝气充氧性能的响应。跌水高度与K对试验数据采用Origin进行拟合，分别得到有无穿孔板孔径下跌水高度H与K参照气泡曝气无跌水紊流穿孔板K2.2废水充氧试验2.2.1cod浓度对充氧性能的影响进水COD浓度与K通过试验测得污水中相应的C2.2.2滴水高度对充氧性能的影响跌水高度与K与清水充氧试验相比，相同跌水高度下污水中对应的K通过试验测得污水中相应K3历史上充氧效率与涨水流量、高度变化对氧转移修正系数的影响(1）清水充氧试验中，在跌水高度40cm，跌水深度20cm，跌水板倾角0°，跌水流量范围（180～360mL/min）内，有跌水紊流穿孔板充试验组的充氧效率明显高于无跌水紊流穿孔板的试验组，并且在试验穿孔板孔径范围（2.5～10mm）内，5mm的跌水紊流穿孔板充氧效率最高。同时，在其他条件不变的情况下，在跌水流量（180～360mL/min）、跌水高度（40～100cm）范围内，充氧效率与跌水流量、高度成正比，跌水流量为240mL/min时，跌水曝气效率增长率最高。(3）污水充氧试验中，充氧效率与进水COD浓度成反比，随COD浓度的升高，修正系数α降低明显，但β基本无变化。随着跌水高度的增加，充氧效率增高但增长率较为缓慢，当跌水高度为55cm时，氧总转移修正系数α以及氧转移增长率都为最大。通过改变COD浓度、跌水高度等因素，研究其对氧总转移修正系数α在最佳孔径（D=5mm）及流量（Q=240mL/min）条件下，保持其余初始条件不变，研究COD浓度（200～600mg/L）变化对跌水曝气充氧性能的响应。在最佳孔径（D=5mm）、流量（Q=240mL/min）以