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搅拌散气曝气技术原理及设备 刘 星 张兴文 王 栋 于永海 张 硕 大连理工大学环境科学与生命学院, 辽宁 大连 116023 摘要 介绍了一种新型的搅拌散气曝气的技术原理, 并说明其相对传统主流微孔曝气技术的优良性和节能性特点。 搅 拌散气曝气技术具有曝气性能好, 动力效率高, 能耗低, 工艺适应性好的技术特点。 通过标准活性污泥法的工程实例, 实际处理 量为 2. 88 104～ 5. 3104m3 d的污 水处 理厂, BOD 去除 率 达 90, 处 理单 位 水量 的消 耗电 量 为 0. 0732 kWh m3, 与同类曝气设备的应用进展情况对比表明, 搅拌散气曝气技术因其控制的灵活性和节能潜力而具有 广阔的应用及推广的可能性。 关键词 搅拌散气; 曝气设备; 氧传质 THE TECHNOLOGY PRINCIPLE AND EQUIPMENTOF AGITATING AERATION Liu Xing Zhang Xingwen Wang Dong Yu Yonghai Zhang Shuo School of Environmental and Biological Science and Technology, Dalian University of Technology, Dalian 116023, China AbstractThe paper introduced a new technology principle of agitating aeration.Comparing with the traditional mainstream microporous aeration technology, the agitating aeration technology has characteristics of optimal property and energy saving .The agitating aeration technology features good perance of aeration, high oxygen -transfer efficiency, low energy consumption and good process adaptability. Through the engineering example of activated sludge process, the sewage treatment plant spractical throughput is 2. 88104～ 5. 3104m3 d, BOD removal rate is 90, electric quantity of consumption of unit treatmentwater is 0 . 0732 kWh m3. Comparing with developments and application of other similar aerationequipment, the results showsthat the agitating aerationtechnology has wide application and possibility of extension because of its flexibility of control and energy saving potential. Keywordsaerating aeration;aeration equipment; oxygen transfer 0 引言 在污水处理技术领域中, 尤其在城市污水处理方 面,生物法占有非常重要的地位。在各种生化处理过 程中 ,曝气技术又是不可或缺的环节。其对污水处理 效率的高低起着关键作用 , 同时也是生化池 如氧化 沟、 SBR池 、 曝气滤池等 能量消耗的重要因素, 从而 直接影响到氧的利用效率和能耗。据对某城市污水 处理厂调研情况表明 ,目前城市污水处理厂大部分采 用的是各种类型的微孔鼓风曝气工艺, 曝气工艺过程 所用能耗约占整个污水处理厂总用电量的 50～ 70 [ 1] ,是污水处理厂耗能最大的部分 。曝气技术优 良性指标中,单位充氧量的能耗是一个非常重要的评 价指标。 在各种曝气技术中, 搅拌散气曝气技术是较新的 一种。它具有搅拌 曝气双重变频独立控制的特点, 使水 活性污泥 气泡三相接触充分 ,适用于好氧曝气 和搅拌等多种条件 。即可同时达到降低能量耗散率 和提高曝气性能的目的。 1 设备的技术原理及特点 1. 1 技术原理 搅拌散气设备结构示意如图 1所示。 图 1 搅拌散气曝气设备三相流接触原理图 外部空气风机通过输气管道将空气从曝气机下 83 环 境 工 程 2009年 8 月第27 卷第4 期 部输入曝气机叶轮内 见图 1 , 气体从上部扩散口排 出。同时 ,潜水电机带动叶轮强烈搅拌使水也从下部 以强烈对流的形式进入曝气机内。高速喷出的小气 泡将在喷出瞬间被高速旋转的剪切叶片破碎 ,切割撕 裂成无数极细小的气泡, 与水充分混合 。水与从曝气 机扩散口向上鼓出的空气在曝气机内部相互作强烈 的搅拌 、 剪切、 对流作用, 使气泡更加细小 ,体系更加 紊动 。同时叶轮将裹夹在水中的细小气泡随同水流 一起向前推进, 使气泡扩散到更远更宽的水域 ,气泡 随水流一起扩散到反应池的各个部分。 当活性污泥法处于反硝化或放磷工段,设备还可 以单独起到搅拌水体、推流 , 使污泥颗粒细化, 并悬 浮于反应池中, 提高单位处理体积的处理能力 ,并可 防止污泥沉淀淤积在水池底部的作用 。此时关闭风 机停止曝气,并通过变频控制改变潜水电机转数实现 不同水体紊动状态而获得节能效果 。根据需要,其工 作转速与充氧量可设计成恒速恒 流 量与变速变 流 量,变速变量又可根据不同的工艺要求按时间段 由变频器通过 PLC 实行自控, 以获得最佳的污水处 理工艺效果和最低的能耗 。 1. 2 技术特点 搅拌散气曝气技术是近年来比较新的曝气技术, 其具有以下特点 1. 2. 1 曝气性能好 ,动力效率高 溶氧效率高 ,服务面积大 。溶氧效率的高低在同 一工况下与气泡和水接触的比表面积、与水接触的时 间、 水的深度、 在水中移动的距离、在水中扩散的速度 成正比, 与气泡在水中相互碰撞合并的几率成反 比 [ 2- 3] 。气泡经曝气头和叶片两级破碎, 从而气泡比 微孔曝气、 射流曝气更小。气泡在与水充分混合后, 又迅速被推流叶桨向前呈扇面推向远方并扩散开来, 可大大减少喷口附近充氧过饱和及气泡碰撞合并几 率。由于水体在叶轮作用下是呈螺线向前推进的 ,小 气泡在向前移动和缓慢上升过程中也随水流呈螺旋 线形上下翻动, 因此其运动轨迹加长了 , 从而大大延 长了与水接触的时间和在水中的行程, 因此比微孔曝 气 气泡直线上升 、 射流曝气 呈抖线上升 、 离心曝 气 呈水平螺旋上升 具有更高的溶氧效率 。使气泡 先向下,再缓慢上升 ,呈反抛物线轨迹移动,可达到更 深更远的水域, 更加延长了在水下的停留时间 。 1. 2. 2 能耗低 、 能效比高 在推流搅拌时仅叶轮旋转 , 停止供气 ,而射流曝 气机 、 离心曝气机仅仅在曝气时才能起到搅拌作用, 若仅用于搅拌, 则要消耗更大的动力, 故一般不作为 搅拌机使用 。同时搅拌散气设备叶轮的水力搅拌性 能优于幅板式离心叶轮和射流式喷射搅拌,所以其单 位能耗更小 。 1. 2. 3 工艺适应性好、 通用性与便捷性高 相对微孔鼓风曝气技术而言,搅拌散气技术更能 适应不同水处理工艺操作。曝气与搅拌操作可以同 时进行 ,也可以单独搅拌 ,为现场操作的节能和优化 提供更大的控制手段 。曝气与搅拌时间可任意给定, 变速变流可以按设定的水处理工艺曲线要求自动调 整转速与气量, 因此能获得最佳的污水处理效果。 而装置在安装方面也是相对简单的 ,它不用在反 应池底铺设大量管道, 管道给气方式得到简化, 并且 结构紧凑 , 一机多用 , 设备无土建费用, 安装检修方 便。安装 、 提升 、 检修时, 不用排水 ,自备的水下安装 系统和水上起吊系统可方便安装定位与起吊。运行 可靠 ,无堵塞无缠绕 。 2 国内外潜水搅拌曝气机的应用进展 2. 1 新型潜水搅拌曝气机 [ 4] 由日本阪神动力机械株式会社研制的新型潜水 搅拌曝气机 ,工作原理及技术特点如前所述 电机通 过减速箱带动螺旋桨叶轮和散气叶轮旋转,使风机供 给的空气进入散气叶轮, 被破碎成细微气泡 ,与水混 合。再由螺旋桨叶轮搅拌为水气混合液 气泡进一步 细化 ,使其经导流筒出水口喷射出来 ,在池内循环, 实现充氧和搅拌 。该机结构紧凑、 体积小 、 性能可靠、 兼有曝气和搅拌双重功能 。在日本的应用范围 已应 用于 1 千多个处理现场 ,已投入使用 1 万多台。 目前 , 国内安徽中联实业总公司在参考日本 BA50 - A 型水中曝气搅拌机的基础上, 研制了QBG 型 潜水曝气机 ,该机充氧量和动力效率等相应指标达到 和接近日本同类产品 样本标准 的水平 。在水下经 生产试运转中, 该机及其配套潜水电机密封性能良 好,具有充氧和搅拌双重功能 ,使用范围较广 ,即可作 为污水处理的潜水曝气机使用 ,又可单独作为潜水搅 拌机使用, 可以投入批量生产, 以满足日益增加的水 处理的需要 。 2. 2 推流式潜水曝气机 [ 5] 由诸暨市天立机电科技发展有限公司研制的推 流式潜水曝气机 ,包括电机 ,与拦污栅内腔连通的进 气管, 其主要特点为所述的电机为横向潜水电机, 在 84 环 境 工 程 2009年 8 月第27 卷第4 期 电机上方竖置进气管 。使用时 ,电机大致呈横向放置 在水中 也包括等同的斜置方式 , 并将出水口顺着水 流方向放置 ,进气管与出水口不在同一直线 ,大致垂 直于水平面,有利于确保进气管顺利地从水面伸出, 又能使曝气机产生的水流顺着自然水流方向运动 ,对 水流起着推动的作用, 加速其流动, 提高对污水的处 理效果,节省能源。 2. 3 环流式潜水曝气机 [ 6] 环流式潜水曝气机包括环形通道 、 叶轮 ,叶轮上 设置有轮毅,轮毅外周设置有水平面与轮毅中心轴线 垂直的连接板, 连接板上设置有若干副叶片与主叶 片,副叶片 、 主叶片上分别设置有环形后盖板与环形 前盖板,主叶片将后盖板与前盖板之间分隔成若干个 气液混合室 ,环形通道上设置有若干只环流通道, 环 流通道由上下盖板及垂直于盖板水平面且一边相交 成80 至 90 角的两块档板组成,环流通道以所述环形 通道轴心线为中心呈辐射状均布。 2. 4 潜水浮动式曝气机 [ 7] 由南京贝特环保通用设备制造有限公司研制的潜 水浮动式曝气机包括潜水电机 、 由潜水电机带动的叶 轮、 以及进气管 ,进气管为刚性管,垂直安置,下端通过 进气接管与潜水电机固定连接,上端与浮体固定连接 。 由于进气管上部加装有浮体 ,浮体、 进气管、 曝气机连 接成一个整体,依靠水的浮力使曝气机悬吊在水中,因 此不受水底条件的限制。定位时, 浮体可用三根钢丝 绳牵拉,钢丝绳的另一端在池边固定,或在池塘里设三 个锚点固定 。检修时,只需将固定在池边的钢丝绳解 开,把设备拉回池边吊出水面即可,非常方便。 2. 5 复叶推流潜水曝气机 [ 8] 复叶推流潜水曝气机包括风机 、 进气管 、 潜水电 机、 隔污栏 、 出水导流筒和复合叶轮 ,潜水电机 、 隔污 栏和出水导流筒依次首尾相联 ,复合叶轮置于出水导 流筒内 ,其一端与潜水电机轴相连, 进气管一端与复 合叶轮中心进气孔相连通 ,另一端与风机相连通。其 充氧效果好,覆盖面积大 ,能耗低, 而且可以有效地阻 挡污物。 3 工程实例 [ 4,9] 以某标准活性污泥法工程为例, 设计处理量为 5. 3 10 4 m 3 d, 实 际 处 理 量 为 2. 88 104 ～ 5. 3 10 4 m 3 d。采用日本阪神动力机械株式会社研制 的潜水机械式搅拌散气曝气机,规格型号 BA-25A 型 , 3. 7 kW 18台。 3. 1 主要技术指标 实验构筑物及主要设备见表 1。原水水质见 表2。 表 1 实验构筑物及主要设备 设备名称宽长高设备数量 沉沙池1. 3 m18. 0 m7. 35 m 1 . 4 m 14. 5 m8 . 6 m 3 个 2 个 预曝气池7. 5 m27. 5 m水深 4 . 5 m1 个 初沉池6 . 0 m 42. 0 m3 . 0 m4 个 曝气池6 . 0 m 55. 0 m4 . 5 m 3 槽 池2 个 二次曝气池3 . 5 m 55. 0 m4 . 5 m2 个 最终沉淀池4 . 5 m 24. 0 m3 . 3 m18 个 曝气风机多段涡轮鼓风机 100 m3 min, 160 kW 2 台预 备 1 台 表 2 原水水质mg L pH 除外 pHρ SSρ BODρ COD 6 . 34～ 7. 6126 . 0～ 40337. 7～ 220133 . 1～ 776 注 原水水质以生活污水为主, 含工业废水。 3. 2 处理性能评价 本散气式曝气机的电力消耗包括曝气需要的电 量和搅拌需要的电量之和 ,通过操作盘进行计量。曝 气需要的电量通过测曝气量来计算 。 用回转叶片回转计数型流速计测量池内各点的 水平及垂直流速 ,算出平均流速。 同时可测出曝气池内各点的 MLSS 及氧的利用 速率求出单位污泥量的氧的利用速率 Kr 和求出氧 的转移量。 OC SaKr CS CS-CL 10 - 3 氧的利用率 η OC 60 Q 0. 21 32 22. 4 100 式中 Sa 曝气池内污泥量 ,kg SS ; CS 饱和溶解氧浓度 ; CL 池内平均 DO 浓度 ; Q 风机鼓风量 。 3. 2. 1 曝气性能 稳定运行 5 个月 , 处理单位水量的消耗电量为 0. 0732 kWh m 3 , 对比同水质同规格曝气池 ,利用扩 散板式微孔曝气 300 mm 300 mm 厚30 mm 最大 孔径400 μ m ,面积率为 15, 耗电为0. 1045 kW h m 3 , 85 环 境 工 程 2009年 8 月第27 卷第4 期 电力消耗节省 29. 9; 去除单位 BOD 的消耗电量为 1. 19 kW h kg, 相应微孔曝气为1. 66 kW h kg , 对比 电力消耗节省 28. 3。搅拌散气曝气设备的性能明 显高于微孔鼓风曝气设备 表 3 。 表 3 搅拌散气曝气与微孔鼓风曝气的主要曝气性能比较 曝气方式 氧转移率 mgL- 1h- 1 氧的利用率 动力效率 kgkW- 1h-1 搅拌散气曝气14. 521. 12. 4～ 5 . 9 微孔鼓风曝气46～ 606. 70. 7～ 1 . 4 3. 2. 2 搅拌能力 通过对曝气池内 DO 分布状态的测定表明 ,在曝 气池的上、中、下部 , DO 值大致相同; 对曝气池内 MLSS 的分布状态测定结果表明,MLSS 的浓度在池内 分布均匀, 说明搅拌能够有效防止污泥沉降 ,保持污 泥均匀分布。对曝气池内流速分布的测定表明,各测 定点的平均流速约为0. 15 m s, 而传统鼓风曝气平均 流速为 0. 3 m s, 本 散气式 曝气 装置流 场流 速为 0. 15 m s,即可完成搅拌操作,有效防止污泥沉降。 3. 2. 3 水处理性能 BOD容积负荷为 0. 17～ 0. 76 kg m 3d , BOD- SS 负荷为 0. 18 ～ 0. 73 kg kgd , BOD 平均去除率达 90以上 ,出水 SS 达 1～ 17 mg L , 达到处理目标, 处 理出水比较稳定 。 4 结论和展望 本文论述的新型搅拌散气曝气技术和现有的传 统微孔曝气设备相比曝气性能好和动力效率高; 具有 充氧和搅拌双重功能, 使用范围较广, 既可作为污水 处理的潜水曝气机使用, 又可单独作为潜水搅拌机 使用 。 曝气方式节能、高效 、 控制性强 。在处理纺织 、 印 染、 造纸、 食品等行业的工业废水和生活污水 ,具有技 术原理可靠 ,能量效益较高,便于自动化控制等优点。 该项技术可以满足污水的脱氮除磷高级处理工艺的 要求 ,有广阔的推广潜力 。 参考文献 [ 1] 高延耀. 水污染控制工程[ M] . 北京 高等教育出版社, 1999. 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