高原地区污水处理厂供气量计算探讨

2004'全国城镇污水处理工程建设与技术研讨交流会2-86高原地区污水处理厂供气量计算探讨崔健（北京市市政工程设计研究总院，北京，100045）摘要：本文对高原地区污水处理厂工程标准氧转移速率（StandardOxygenRate简称SOR）及供气量（GS）的计算公式进行了较为详细的推导，并阐述温度、压力等因素对清水中饱和溶解氧浓度的影响；探讨了高原地区曝气装置在水下位置处至水面的清水平均溶解氧浓度Csm值的不同计算公式；发现在高原地区实际污水厂设计计算曝气池中饱和溶解氧浓度平均值（Csm）时，现行给排水设计手册[2]及以往文献[4]所阐述的计算Csm值的公式与常规公认理论有矛盾之处，这一结果将导致昀终计算的标准氧转移速率及供气量偏大，使鼓风曝气设备数量偏多、功率偏大，造成工程投资及运行费用的浪费，且有可能会影响污水处理厂的正常运行。同时，通过工程实例对实际应用公式与传统公式的计算结果在鼓风机及曝气装置数量、工程费用、运行费用上做了较为详细的比较。关键词：高原地区饱和溶解氧浓度氧转移速率供气量鼓风曝气1绪论随着我国“西部大开发”政策的实施，西部各大、中城市的基础实施建设步伐也随之加快。为适应经济发展的需要，各地区污水处理厂工程的设计、建设也大都在进行之中。西部地区的大部分地域位于我国的青藏、黄土、云贵三大高原之上，这些地区与我国东部平原地区相比海拔高、气压低、空气中含氧量低，特别是青海、西藏及四川、云南的部分城市平均海拔高度大多在2200m以上，有些城市达到3000m以上。由于海拔高、气压低，这些地区空气中的含氧量一般为平原地区含氧量的70％～80％左右；且高原地区一般气候寒冷，气温较低。这些因素对高原、高寒地区污水处理厂的设计、建设提出了新的课题，特别是在污水处理厂设计过程中，标准氧转移速率（StandardOxygenRate简称SOR）及供气量（Gs）的计算尤为重要，该二计算结果将决定处理厂的出水水质、曝气装置的数量及处理厂的能源消耗量。现行的给排水设计手册[2]、设计规范[3]及文献资料[4]，对污水处理厂标准氧转移速率及供气量的计算给出了常规计算公式和计算方法，这些计算公式和计算方法对污水处理厂的设计计算起着指导性的作用。但在实际工程标准氧转移速率及供气量设计计算中，特别是在高原地区污水厂设计计算过程中，原有公式对影响供气量计算的主要因素――温度选择和压力计算的阐述不是十分详尽，适用条件的界定也未具体划分，这就使得计算过程中的某些计算值与实际常规理论相矛盾，昀终计算结果与实际需要不符，导致污水处理厂运行时出现曝气装置或供气设备能力过大或供气不足的情况，而影响污水厂的出水水质。本文通过在实际工程设计计算过程中所遇到的问题，对高原地区污水处理厂标准氧转移速率及供气量的计算方法做详细的分析和探讨。2曝气的作用及其原理活性污泥法是目前我国城市污水处理厂应用昀为广泛的一种污水好氧生物处理技术。该方法是通过曝气装置向水中供气，以达到供氧目的，提高水中溶解氧（DO）的浓度，从而使污水中的活性污泥（微生物）与空气充分混合，活性污泥通过吸收污水中的氧及有机污染物维持活性并世代繁衍，昀终达到降低水中污染物浓度，满足出水指标要求。水世界-中国城镇水网曝气的作用充氧：向活性污泥微生物提供足够的溶解氧，以满足其在代谢过程中所需氧量，达到净化污水的目的。混合液的溶解氧浓度（以昀终出水为准）应在2mg/L左右。搅动、混合：使活性污泥在曝气池内处于剧烈搅动的悬浮状态，能够与废水充分接触。2.2曝气理论基础空气中的氧向混合液中转移，是氧自气相向液相的传递（质）过程。理论探讨与工程应用都是以双膜理论为基础，即当气、液两相接触并作相对运动时，氧的转移是通过气、液膜间进行的分子扩散和在膜外进行的对流扩散完成的。由气膜中存在着氧分压梯度，液膜中存在着氧的浓度梯度，形成了氧转移的推动力，其数学表达式为：式中dm/dt－氧的转移速率，mg/h；A－气、液界面面积，m2;KL－液膜的氧转移系数，h-1;CS－液体内的饱和溶解氧浓度，mg/L；C0－液体的实际溶解氧浓度，mg/L。将上式各项除以液体的体积（V），得由于气液界面面积难于计量，以氧总转移系数（KLa）代替KLA/V，则上式改写为[4]：式中dc/dt－单位体积内氧的转移速率，mg/（L•h）；KLa－氧的总转移系数，h-1。氧总转移系数（KLa）的求定氧的总转移系数（KLa）是计算氧转移速率的基本参数，一般通过试验求得，在曝气装置选型时设备样本中会给出此参数。2.3氧转移速率的影响因素2.3.1标准氧转移速率与实际氧转移速率脱氧清水在20℃和标准大气压（1.013×105Pa）条件下测得的氧转移速率称为标准氧转移速率（StandardOxygenRate简称SOR），也称为标准供氧量，以N0表示，单位为kgO2/h[2]。在实际工程中，由于充氧介质是生物池内混合液；温度条件为T℃；DO一般为2mg/L；大气压为当地大气压Pa；因此污（废）水混合液中的KLa值与在清水中不同，需要乘以修正系数，由此所得到的氧转移速率称为实际氧转移速率（ActualOxygenRate简称AOR），也称为实际供氧量，以N表示，单位亦为kgO2/h[2]。2.3.2影响氧转移速率的主要因素影响氧转移速率的主要因素有：（1）水质对氧总转移系数（KLa）的影响)12()(0−−=CCAKdtdmSL)22()(10−−==•CCVAKdtdcdtdmVSL)32()(0−−=CCKdtdcSLa水世界-中国城镇水网全国城镇污水处理工程建设与技术研讨交流会2-88污（废）水中存在的污染物质将增大氧分子的转移阻力，使KLa值降低，为此引入修正系数α，对KLa值进行修正：所以KLaw＝αKLa（3－2）式中：KLaw——标准状态下，污（废）水中的氧总转移系数，h-1KLa——标准状态下，脱氧清水中的氧总转移系数，h-1给排水设计手册及文献资料记载，α值应通过试验确定，在缺乏试验资料情况时，一般α＝0.8－0.85[2][4]。但在实际工程中发现，α值的确定应根据污水处理厂的进水水质、所采用的处理工艺及曝气方式而选择不同的数值。当进水污染物浓度越高时，氧分子的转移阻力越大，KLa值越低；采用鼓风曝气时，KLa值也比采用表面曝气时低；这是由于鼓风曝气的生物池水深较深，加大了水中氧分子的转移阻力，而采用表面曝气则不会由于水深影响，而使KLa值发生变化。因此，在相同的进水条件下，鼓风曝气和表面曝气所测定的KLa值应是不同的。根据笔者工程设计经验，为保证生物处理池必要的供气量，当采用鼓风曝气时，选用α＝0.65～0.75；当采用表面曝气时，选用α＝0.80～0.85。（2）水质对饱和溶解氧浓度（CS）的影响污水中含有的无机盐将使其饱和溶解氧浓度（CS）降低，为此引入系数β，对CS加以修正：所以CSF(T)＝βCS(T)（3－4）式中CSF(T)－温度T℃时，污水中的饱和溶解氧浓度，mg/L；CS(T)－温度T℃时，清水中的饱和溶解氧浓度，mg/L；β值一般介于0.90～0.97之间[2][4]。（3）水温对氧总转移系数（KLa）的影响水温升高，液体的粘滞度降低，有利于氧分子的转移，KLa值将提高；水温降低则相反。温度对KLa值的影响以下式表示[4]：式中KLa(T)和KLa(20)——分别为水温T℃和20℃时的氧总转移系数；T－设计水温，℃；1.024－温度修正系数。（4）水温对水的饱和溶解氧浓度（CS）的影响水温升高，气体会从水中逸出，水的饱和溶解氧浓度CS值下降。表3－1列出了不同温度时蒸馏水（清水）中的饱和溶解氧浓度。水温与水的饱和溶解氧浓度关系也可用下式表示：式中CS(760)－标准大气压条件下，温度T℃时的CS值，mg/L；)13(1−=LaLaWKKα)33(1)()(−=TSTSFCCβ)53(024.1)20()20()(−×=−TLaTLaKK)63(5.3365.2475),760(−+−=TTCTS水世界-中国城镇水网－设计水温，℃。由（3－5）和（3－6）式可以看出，水温对氧转移速率的影响是非常大的。水温升高则氧总转移系数（KLa）值将提高，氧的转移速率加快，标准供氧量（SOR）减少；与此同时水中的饱和溶解氧浓度（CS）值下降，氧的转移量减少，标准供氧量（SOR）却增加。所以正确计算标准供氧量（SOR）并昀终合理确定曝气装置的性能与数量。在工程设计计算时，应注意收集当地污水管渠中常年水温实测资料，当缺乏该资料时，可根据当地气象资料、供水厂加压泵出口的水温记录及污水管渠的长度推算全年不同月份的污水温度，计算相应的标准供氧量（SOR）值。为保证各季节污水中供氧量的充足，昀终确定的标准供氧量应以实际计算的昀大值为准。表1不同温度时蒸馏水中饱和溶解氧浓度[4]水温(T)饱和度(CS)水温(T)饱和度(CS)水温(T)饱和度(CS)（℃）（mg/L）（℃）（mg/L）（℃）（mg/L）014.621111.08228.83114.231210.83238.63213.841310.60248.53313.481410.37258.38413.131510.15268.22512.80169.95278.07612.48179.74287.92712.17189.54297.77811.87199.35307.63911.59209.171011.33218.99（5）压力对水中饱和溶解氧浓度（CS）值的影响污水在生物处理池中曝气时，气相中的压力增高，水中饱和溶解氧浓度（CS）值提高，有利于氧向水中转移，压力降低则相反。CS值与压力P之间的关系可用下式表示：式中Csw(P,T)－脱氧清水在大气压力P，温度T℃条件下的CS值，mg/L；CS(760,T)－脱氧清水在标准大气压力，温度T℃条件下的CS值，mg/L；Pa－所在地区的大气压力，105Pa；ρ－压力修正系数[4]；T－设计水温，℃。在工程设计计算时，应收集当地常年气压实测资料，特别是在高原地区，由于当地大气压与平原地区的大气压相差很大，例如：在海拔3000m的高原地区，大气压为平原地区（海拔高度300m）大气压的70％左右。因此，污水处理厂所在地大气压值是计算标准供氧量（SOR）的基础数据。在缺乏当地大气压实测资料时，可根据当地平均海拔高度推算当地大气压。海拔高度与大气压力的关系见表2。)73(013.1),760(),760(),(−•==ρTSaTSTPswCPCC013.1aP=ρ水世界-中国城镇水网全国城镇污水处理工程建设与技术研讨交流会2-90表2海拔高度与大气压力的关系[1]海拔高度大气压海拔高度大气压（m）m水柱kg/cm2105Pa（m）m水柱kg/cm2105Pa-60011.31.131.118009.40.940.92010.31.031.019009.30.930.9110010.21.021.0010009.20.920.9020010.11.010.9915008.60.860.8430010.010.9820008.40.840.824009.80.980.9630007.30.730.725009.70.970.9540006.30.630.626009.60.960.9450005.50.550.547009.50.950.93对于采用鼓风曝气的污水处理厂，曝气装置（空气扩散装置）安装在生物池水面以下，其饱和溶解氧浓度（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，现行给排水设计手册、设计规范及以往文献所记录的表示公式为[2][3][4]：式中Csm——曝气