鼓風曝氣系統的計算、設計及曝氣器工作原理關鍵詞:鼓風曝氣系統曝氣器設計思路計算實例自然界中的生物現象無所不在～對于進入水體中的有機物～水體中的微生物一般都可以和其發生反應～一部分被微生物吸收的有機物分解成簡單的無機物～同時釋放出能量～作為微生物自身生命活動的能量。另一部分有機物則作為其生長繁殖所需要的構成物質～合成新的原生質。廢水的生物處理就是人為地營造一個適于微生物生長的環境～以非常高的微生物濃度消化有機污染物～為了達到這個目的～保證微生物的正常生長～就要滿足微生物的生長條件。在好氧生物法中～供氧是重要的環節,保證高濃度的微生物生長對氧的要求～要有一個曝氣系統。廢水處理有化學方法和生物處理之分～現在的研究及生產實踐多側重于生物處理～以有機污染物作為微生物的食料～達到消耗去除掉的目的～完成有機物的形態轉變,在生物處理中有好氧生物處理法和厭氧生物處理法之分。一、一、鼓風曝氣系統的目的:在生物好氧處理廢水法中～由于生物需氧～必須對水體鼓風送氧～保證處理目的的達到～并起到攪拌作用。二、曝氣系統的組成:鼓風曝氣系統由空壓機、空氣擴散裝置和一系列連通的管道所組成,可以細分為:風機、主風管、干管、支管、曝氣器、底座、支撐～還有清洗系統。設計中包括:風機、風機房、風管系統、空氣擴散裝置,曝氣頭,～并進行布置。,溶解于水中氧以分子態氧存在～見《醫院污水處理》p62,三、三、氣器工作原理:在曝氣系統中最主要的是空氣擴散器也稱為曝氣器。空壓機將空氣通過一系列管道輸送到安裝在池底部的空氣擴散裝置～經過擴散裝置～使空氣形成不同尺寸的氣泡。氣泡在擴散裝置出口出形成～尺寸則取決于空氣擴散裝置的形式～氣泡經過上升和隨水循環流動～最后在液面處破裂～在這一過程中產生氧向混合液中轉移的作用。曝氣器分為許多種～包括大、小氣泡曝氣器、曝氣管、射流曝氣器。現在比較先進的是微孔曝氣器～它的工作原理是利用特制的曝氣膜片產生的微小氣泡～造成較大的氣液接觸面積～獲得較高的氧利用率。曝氣器工作的目的:氧轉移和攪拌水質。為了更好的達到這個目的～必須先了解曝氣原理～根據雙膜理論歸納為:氧傳遞動力是液膜中得氧濃度差～氣膜的氧分壓梯度,阻力來自液膜。對于曝氣器來說～即要求有小的氣泡～保證大的接觸面積～又要有足夠大的氣泡以完成對水質攪拌作用～同時～要考慮高效、安全、簡易、使用、維護方便～等要求～形成了曝氣器設計理論體系～而曝氣器工作原理是設計理論的直觀體現～通過工作實現設計目地～達到設計理論的要求,曝氣器工作原理是在曝氣器通氣情況下～由曝氣器的特殊結構氣泡～與水體混合～達到傳遞氧的目的。曝氣理論:氣體分子通過氣膜和液膜的傳遞理論～為污水生物處理科技界所接受的是劉易斯,Lewis,和懷特曼,Whitman,于1923年建立的“雙膜理論”。這一理論的基本點可歸納如下:1、氣、液兩相接觸的界面兩側存在著處于層流狀態的氣膜和液膜～在其外側則分別為氣相主體和液相主體～兩個主體均處于紊流狀態。氣體分子以分子擴散方式從氣相主體通過氣膜與液膜而進入液相主體。2、由于氣、液兩相的主體均處于紊流狀態～其中物質濃度基本上是均勻的～不存在濃度差～也不存在傳質阻力～氣體分子從氣體主體傳遞到液相主體～阻力僅存在于氣、液兩層層流膜中。3、氣膜中存在著氧的分壓梯度～在液膜中存在著氧的濃度梯度～它們是氧轉移的推動力。、氧難溶于水～因此～氧轉移決定性的阻力又集中在液膜上～因此～氧分4子通過液膜是氧轉移過程的控制步驟～通過液膜的轉移速率是氧轉移過程的控制速率。四、四、設計思路:1、整體設計思路。A、A、首先要了解鼓風曝器系統的組成～原理～參數選擇等一些相關知識～鼓風曝氣和表面機械曝氣的各自優缺點。B、B、工藝設計～根據要求～結合廢水條件及其他要求～選擇最合適的處理工藝,完善實施該工藝所用到的各種設備～各單元操作狀態、設備要求。C、C、根據對曝氣系統的要求～比較選擇合適的池型～處理方式。D、D、針對該種處理方式確定相關工藝參數。E、E、選定鼓風曝氣系統～進行曝氣系統的計算。2、活性污泥曝氣系統與空氣擴散裝置的設計、計算～大致包括這樣幾個主要方面:選定曝氣方式、需氧量和供氧量的計算、曝氣系統的設計和計算。F、F、需氧量、供氧量計算。需氧量計算,Ro=a’QSa+b’VXva’——平均轉化1Kg的BOD的需氧量,Kg/Kg,b’——微生物,以VSSJ計,自身氧化的需氧量,Kg/Kg*d,3Q——處理廢水量m/dSr——BOD去除濃度mg/L3V——曝器池容積m3X——污泥濃度Kg/m以VSS表示,VSS表示每千克活性污泥,氧飽和度計算:Csm=Cs×(Ot/42+P/2.206×105)bO=21×(1-Ea)/[79+21×(1-Ea)]t-3P=P+9.81×10×Hb式中:Csm—擴散器出口和混合液表面兩處飽和溶氧濃度平均值mg/LO—從曝氣池逸出氣體中氧含量的百分率%tEa—氧吸收率%P—擴散器出口處的絕對壓力MPabH—曝氣器浸入水深m在這個公式中有這樣一個假設～認為水體混合均勻～Csm算得是平均值。另外Csw=βρCsm式中β——廢水飽和溶解氧的修正值,?1～β=Csm/Csρ——壓力修正系數～在設備運行地的大氣壓不足標準值時～需要對飽和溶解氧校正。最大需氧量和曝氣設備轉移到脫氧凈水的氧量和實際供氧量是一個概念的不同提法。曝氣設備轉移到脫氧凈水的氧量為:式中:θ——曝氣池實際運行溫度。No——曝氣設備轉移到脫氧凈水的氧量實際供氣量Gs=S/(1.43×0.21)=No/(0.3×Ea)式中:S——實際供氧量,Kg/h,Ea——曝氣設備氧轉移效率31.1.43×0.21——1.43為氧氣容重,kg/m,,0.21為空氣中氧的體積百分含量空氣擴散裝置的各項參數～一般都由該裝置的生產廠家提供～使用單位在使用過程中加以校核。G、G、鼓風曝器系統的計算與設計空氣擴散器的選定～并對其進行布置在選定空氣擴散器時～要考慮這些因素:空氣擴散裝置應有較高的氧利用率和動力效率～具有較好的節能效果,不易堵塞～出現故障方便排除～便于維護管理,構造簡單～便于安裝～工程造價機裝置本身成本都較低,還要考慮廢水水質、地區條件以及曝氣池型、水深等。以曝氣器的通氣量、服務面積、曝氣池低面積等數據～計算曝氣器的數目～并對其進行布置。曝氣器個數計算在以服務面積為參數計算中～對于這個參數現在局限于定性的分析～不能做到定量～這樣不能很好的校核計算的正確性。而且對于曝氣過程中的攪拌作用無法體現～參看一些進口的曝氣器設備參數～已經沒有了服務面積這個指標,應此我認為以每個曝氣器的通氣量來計算個數更為合理～而且可以通過特性曲線圖很方便的進行核算～看到設計點處于特性曲線的什么位置～是否能達到設計要求～調節參數。具體計算實例見第六部分空氣擴散裝置在池底的布置形式有:沿池壁一側布置,擴散裝置相互垂直呈正交式布置,呈梅花形交錯布置。根據對曝氣的特殊要求～可以采用均布或者漸減式布氣方式～滿足由于處理工藝、池形的不同對需氧量在不同地方的要求～使設計達到要求～有不出現對工程投入和運行費用的浪費。H、H、管道計算,空氣管道的流速～干、支管為10~~15m/s～通向空氣擴散裝置的豎管、小支管為4~~5m/s。空氣管道和空氣擴散器裝置的壓力損失～一般控制在14.7kPa以內～其中空氣管道總損失控制在4.9kPa以內～空氣擴散裝置的阻力損失為4.9~~9.8kPa。空氣管道計算～根據流量、流速按排水手冊選定管徑～然后在核算壓力損失～調整管徑。I、I、管道的布置及優化。管道布置:小型廢水處理站的空氣管道系統一般位枝狀～而大、中型廢水處理廠則宜于聯成環狀～以保證供氣安全。空氣管道一般敷設在地面上～接入曝氣池的管道～應高出池水面0.5m,以免產生回水現象。J、J、鼓風機的選定與鼓風機房的設計根據每臺空壓機的設計風量和風壓～結合設計曝氣池的水深和計算的風量～選擇空壓機。各式羅茨空壓機、離心式空壓機、通風機等都可用于活性污泥系統。定容式羅茨空壓機噪聲大～應采用消聲措施～一般用于種、小型廢水處理廠。離心式空壓機噪聲較小～效率較高～適用于大、中型廢水處理廠。在統一供氣系統中～應盡量選用同一型號得空壓機。空壓機的備用臺數:工作空壓機?3臺時～備用一臺,工作空壓機?4臺～備用2臺。每臺空壓機應單設雙電源～供電設備的容量應按全部機組同時啟動式的負荷設計。每臺空壓機應單設基礎～基礎間距應在1.5m以上。空壓機房一般包括機械間、配電室、進風室,設空氣凈化設備,、值班室～值班室與機械間應有隔音設備和觀察窗～還應設有自控設備。空壓機房內、外應采取防止噪聲的措施～使其符合《工業企業廠界噪聲標準》,GB12348——90,和《城市區域環境噪聲標準》,GB3096——93,。K、K、附件設計。管路的支撐設備～排冷凝液管～清洗管路。通過這些設計計算就可以初步設計完成曝器系統的設計。六、六、在學習過程中感覺比較迷惑的問題a)a)曝氣器個數的計算方法我認為以單個曝氣器的通氣量來計算～資料上以服務面積來計算。嚴老師觀點:以服務面積計算～而且在設計中不需要校核～在選用曝氣器時要校核廠家提供的氧轉移率參數～在設計中直接選用就行了。我不同以這樣的觀點～但在設計中會用服務面積來計算曝氣器個數。b)b)攪拌作用與氧轉移率關系33如果攪拌起到混合水質作用需要的氣量在0.1~~0.3m氣/m水就行了～而滿足供氧要求的氣量遠大于這個值～所以只要滿足需氧量的要求～完全能達到攪拌的目的。這是嚴老師的意見～我沒有異議。c)c)水深對氧轉移率的影響現行的表面曝氣理論和深井曝氣理論～在目前學術界沒有定論～無法判斷誰好。淺層曝氣理論認為:氣泡只有在其形成與破碎的一瞬間～有著最高的氧轉率～而與其在液體中移動高度無關。氣泡在形成時～由于濃差大～氧轉移率比穿過水層逸升時高達數倍～即氣泡形成時水中氧的轉移率為最大～半秒種后降到1/10。而深井曝氣理論認為:氣液紊流大～液膜更新快～且氣液接觸時間長～溶解氧飽和度高。表面曝氣理論側重于對同時淺層曝氣理論認為:氣泡只有在其形成與破碎的一瞬間～有著最高的氧轉率～而與其在液體中移動高度無關。氣泡在形成時～由于濃差大～氧轉移率比穿過水層逸升時高達數倍～即氣泡形成時水中氧的轉移率為最大～半秒種后降到1/10。而深井曝氣理論認為:氣液紊流大～液膜更新快～且氣液接觸時間長～溶解氧飽和度高。氣泡產生、破裂瞬間的研究～而且提出的僅式氧轉移率的變化～對于氧轉移的量沒有說明～是否會在氣泡上升的過程中由于時間遠大于氣泡產生、破裂的時間～在氧轉移量上會很大,深井理論側重于氧風壓的變化～對氧轉移率的影響～表述了氣泡上升的時間很長～界面接觸時間長～在上升過程中不斷有界面的更新～會加大容氧量。現在工業上的純氧曝氣池式加蓋的～可加蓋的目的是為了防止氧氣外溢和可燃氣體進入～在操作上池內氣壓略高于池外的以防池外空氣滲入。沒有關于氧利用率的討論。以目前的現狀～我所設計的曝氣器試驗裝置是不能用的。找不到可以被認同的理論根據。d)d)服務面積的定性分析對于服務面積理論上是通過實驗測的～在試驗過程中可以采用目測或者儀器測定的方法～以曝氣器的中心為圓心～以容氧儀探頭向外測定水體氧量的變化～設定以中心處含氧量的90%左右為服務面積的邊界～同時認為服務面積是與曝氣器同心的圓～測定這個值～即為服務面積,服務面積的值是一個范圍值～應該說測定的條件是同一的～這說明是個工程概念～表示一種相對的狀態～在這個范圍內最好～靠上限或下限也可以～只是運行效果可能差些。服務面積與氣量的關系現在還沒有可以計算的函數時～處于研究階段。e)e)有關需氧量計算時的兩種提法在《排水工程》中指微生物對有機物的氧化分解和自身氧化兩個過程。在《廢水處理工程》中指:由于廢水有機物只有一部分被氧化降解～另一部分轉化為新的有機物～合成為新細胞的有機物作為剩余污泥排出～并不消耗水中的溶解氧～因此理論耗氧量應為有機物降解的耗氧量減去轉化為有機物耗氧量。仔細分析一下:前一種提法對不設沉降池合用～后一種提法是對快速曝氣說的。嚴老是沒有作評論。f)對于動力效率的看法f)嚴老師觀點:認為在目前沒有一個可以信賴的國家標準測定的地方～所以在產品上出現的數據可信度不高～而且現在的提法不完善～缺乏可操作性。七、七、計算實例對一個油脂廠的曝氣系統(只到曝氣頭個數計算)對于一個10×10×5(長×寬×高,單位:m)～蓄水量為450T的生化池～污水條件:COD=4700mg/L～生化水,出水,COD=120mg/L,TSS=1.5mg/100ml干泥含量0.6516g/100ml～2BOD=COD～以BOD利用率90%計計算如下:需消耗的BOD為BOD’=1/2,4700-120,×90%=2061mg/l污泥濃度:,干泥中含70~~80%活性污泥,X=6516×0.75=4887mg/l由于被去出的BOD種～一部分被氧化分解～另一部分被轉化成別的原生質～而二種過程都需要消耗氧～曝氣持續氧量為:Ro=a’QSa+b’VXva’——平均轉化1Kg的BOD的需氧量,Kg/Kg,b’——微生物,以VSSJ計,自身氧化的需氧量,Kg/Kg×d,有標重茬的油脂污水a’=0.5b’=0.123Q——處理廢水量m/dSr——BOD去除濃度mg/L3V——曝器池容積m3X——污泥濃度Kg/m以VSS表示,VSS表示每千克活性污泥,-3-3則Ro=0.5×5×2061×10+0.12×450×4887×10=13.14Kg/h系數校核:由于在廢水中含有鹽類影響氧在水中的飽和度(Cs)～廢水Cs值用清水Cs乘以β來修正～β值一般介于0.9~~0.97之間。5對氧分壓修正對于大氣壓不是1.013×10Pa的地區～Cs值應乘以壓力修5正系數～設為ρ～即ρ=所在地區實際氣壓/,1.013×10,水深的影響氧飽和度計算:Csm=Cs×(Ot/42+P/2.206×105),20,(20)bO=21×(1-Ea)/[79+21×(1-Ea)]t3P=P+9.81×10×Hb式中:Csm—擴散器出口和混合液表面兩處飽和溶氧濃度,20,平均值mg/LO—從曝氣池逸出氣體中氧含量的百分率%tEa—氧吸收率%P—擴散器出口處的絕對壓力MPabH—曝氣器浸入水深m335則:P=101×10+9.81×10×4.5=1.4515×10Pab同時應考慮管道阻力對壓力的影響～一般管道對壓降損耗為3~~5%5故:1.4515×105P==1.512×10Pa96%(在一些工程計算種～沒有考慮壓降的影響～在后面的計算中發現數據差別很小)空氣離開曝氣池時～氧的百分比為:O=21×(1-Ea)/[79+21×(1-Ea)]tEa——氧轉移率～對中微孔空氣擴散器～取值10%則:21×(1-0.1)O==19.31%t79+21×(1-0.1)查表得:水腫溶解氧飽和度:Cs=9.17mg/l(20)0設:計算溫度為20C曝氣池中平均氧飽和度的計算:51.512×1019.31Csm=9.17×,+,=11.095,20,52.206×1042由:C=βρCsw()sm(20)θ式中:β——廢水飽和溶解氧的修正值,?1～β=Csm/Cs,ρ——壓力修正系數～在設備運行地的大氣壓不足標準值時～需要對飽和溶解氧校正。,此處不需校核,C=0.9×1×11.095=9.9855sw()θ曝氣設備轉移到脫氧凈水的氧量為:RoCsm(20)No=θ-20(C-C)×1.024αsw()θ式中:θ——曝氣池實際運行溫度。C——混合液溶解氧～當混合液在15~~30?時,保持在1.0~~1.5mg/lα——因混合液含污泥顆粒而降低傳遞系數的修正值,1此處取為0.5No——曝氣設備轉移到脫氧凈水的氧量13.14×11.095No==32.4497Kg/h20-20(9.9855-1.0)×0.5×1.024實際供氣量Gs=S/(1.43×0.21)=No/(0.3×Ea)式中:S——實際供氧量,Kg/h,Ea——曝氣設備氧轉移效率3Gs=32.4497/(0.3×0.1)=1081.16m/h風機軸功率計算:VHNf=3600×9.81×102×η×