曝气的原理; 曝气系统的计算方法; 主要的曝气设备

第四节曝气的原理、方法与设备曝气的原理；曝气系统的计算方法；主要的曝气设备有关曝气、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曝气的原理与过程：气泡细胞BODDOCO2/H2O空气O221%N279%压力、气量供氧：FICK定律与双膜理论、KLa需氧:vrVXbQSaO''2+=曝气：供气(实际废水)O221%N279%DO=1~2mg/L供氧与需氧供氧与供气实际与标准曝气设备：标准状态下供气量、阻力曝气的原理与过程：供氧＝需氧曝气×EA＝供气×EA=供氧氧的利用率（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（%）O221%N279%O221%，假设其氧含量为Ot%N279%，则氮含量为(100-Ot)%vvOvEtA2121'⋅−=O2的平衡:N2的平衡:vvOt79)1('=⋅−)1(2121ttAOOE−−=)1(2179)1(21211)1(21AAAAtEEEEO−+−=−−=曝气的原理与过程：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的原理与过程（1）气泡细胞BODDOCO2/H2O空气O221%N279%压力、气量供氧：FICK定律与双膜理论、KLaO221%N279%DO=1~2mg/L供氧与需氧供氧与供气实际与标准一、曝气的原理1、氧转移的理论基础：Fick定律双膜理论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。Fick定律式中：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。dydCDvLd−=Fick定律如果以M表示在单位时间t内通过界面扩散的物质数量，以A表示界面面积，则有：AdtdMvd/)(=dydCADdtdML−=dydCDvLd−=氧转移的“双膜理论”边界层紊流紊流层流层流ygCLCiPiPg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•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的浓度梯度，由此形成了氧转移的推动力1923年，Lewis&Whitman氧转移的双膜理论模式图边界层紊流紊流层流层流ClPi气膜Pg液膜气相主体液相主体yl对流扩散对流扩散分子扩散CsCs：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。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：lisyCCdydC−=−⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛−=LLsLyCCADdtdM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；dydCADdtdML−=双膜理论设液相主体的容积为V(m3)，并用其除以上式，则得：)(/LsLLCCVyADVdtdM−⋅=)(LsLCCVAKdtdC−=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。LLLyDK/=双膜理论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：VAKL)(LsLaCCKdtdC−⋅=式中：KLa——氧总转移系数，h-1，（8）VyADVAKKLLLLa⋅⋅==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。其倒数1/KLa的单位为（h），它所表示的是曝气池中溶解氧浓度从CL提高到Cs所需要的时间。提高充氧速率的途径为了提高dC/dt值，可以从两方面考虑：①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。②提高Cs值：提高气相中的氧分压，如纯氧曝气、深井曝气等。VyADVAKKLLLLa⋅⋅==)(LsLaCCKdtdC−⋅=氧总转移系数（KLa）的求定式中：C0——当t=0时，液体主体中的溶解氧浓度(mg/l)；Ct——当t=t时，液体主体中的溶解浓度(mg/l)；Cs——液相主体中的饱和溶解氧浓度(mg/l)。)(LsLaCCKdtdC−⋅=dtKCCdCLas⋅=−tKCCCCLatss⋅=⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛−−0lntKCCCCLatss⋅=−−3.2)lg(0测定KLa值的方法与步骤：c投加Na2SO3和CoCl2，脱除水中的溶解氧；d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；e计算、绘图。tKLa/2.3⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛−−tssCCCC0lg0曝气的原理与过程（2）气泡细胞BODDOCO2/H2O空气O221%N279%压力、气量曝气：供气（实际废水）O221%N279%DO=1~2mg/L供氧与需氧供氧与供气实际与标准曝气设备：标准状态下供气量、阻力二、曝气系统的计算方法实际供（氧）气量＝？×标准供（氧）气量z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）；z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。1、影响氧转移速率的主要因素水质z水温z气压影响氧总转移系数影响氧总转移系数KKLaLaLaLawKK⋅=αα=0.8∼0.85影响影响饱和溶解氧浓度饱和溶解氧浓度CCsssswCC⋅=ββ=0.9∼0.97)20()20()(024.1−×=TLaTLaKK影响氧总转移系数影响氧总转移系数KKLaLa影响影响饱和溶解氧浓度饱和溶解氧浓度CCss水温升高，Cs值会下降;反之，则升高。♠影响饱和影响饱和DODO浓度浓度CCss)760(5)760()(10013.1ssPsCPCC⋅=×⋅=ρ鼓风曝气系统中鼓风曝气系统中CCsmsm的计算的计算鼓风曝气系统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，%；()⎥⎦⎤⎢⎣⎡×+⋅=+=52110013.1212121btssssmPOCCCCEA——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：()()AAtEEO−+−=12179121P——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。HPPb××+=3108.92、氧转移速率的计算：标准氧转移速度（R0）：()VCKVCCKVdtdCRsmLaLsmLa⋅⋅=⋅−⋅=⋅=)20()20()20()20(0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：()VCCKRlTsmTLa⋅−⋅⋅⋅⋅⋅=−)()20()20(024.1ρβα()lTsmTsmCCCRR−⋅⋅=−)()20()20(0024.1βρα一般，R0/R=1.3∼1.62、氧转移速率的计算：()lTsmTsmCCCRR−⋅⋅⋅=−)()20()20(0024.1βρα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。曝气的原理与过程（3）气泡细胞BODDOCO2/H2O空气O221%N279%压力、气量供氧：FICK定律与双膜理论、KLa曝气：供气（实际废水）O221%N279%DO=1~2mg/L供氧与需氧供氧与供气实际与标准3、供气量的计算：c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；cAORE0=sscGGO28.0331.1%21=××=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、供气量的计算：d供气量GsAsERG×=28.00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。4、曝气系统设计的一般程序：A．鼓风曝气系统：c求风量即供气量：求得需氧速率O2根据供氧速率=需氧速率，则有：R=O2求取标准氧转移速率R0：()lTsmTsmCCCRR−⋅⋅⋅=−)()20()20(0024.1βραAsERG×=28.00Gs’(m3/min)4、曝气系统设计的一般程序：d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。e根据风量与风压选择合适的风机。B．机械曝气系统设计的一般程序：c充氧能力R0的计算：求得需氧量O2R=O2()lTsTsCCCRR−⋅⋅⋅=−)()20()20(0024.1βρα根据R0值选配合适的机械曝气设备。[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，Xr=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,α=0.85,β=0.95，ρ=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)三、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。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）。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：¾（微）小气泡型——微孔曝气头¾中气泡型¾大气泡型¾水力剪切型¾水力冲击型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200μm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。扩散管扩散板正常位置提升位置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.hb.中气泡型曝气装置②新型中气泡型曝气装置：气泡