五曝气原理与设备讲义

第四节曝气的原理、方法与设备曝气的原理；曝气系统的设计计算；主要的曝气设备有关曝气、供氧的基本概念曝气作用：供氧、搅拌曝气方式：1.鼓风曝气系统2.机械曝气装置（纵轴表面曝气机、横轴表面曝气器）3.鼓风+机械曝气系统曝气的原理与过程：需氧、供氧、曝气（供气）；标准供氧量与实际供氧量一、曝气原理——双膜理论双膜理论：污水生物处理领域中广泛应用的气体传递理论。这一理论的基本点可归纳如下：在曝气过程中，氧分子通过气、液界面由气相转移到液相的过程中（1）在气、液两相接触的界面两侧存在着处于层流的气膜和液膜，在其外侧分别是气相和液相的主体（紊流）。（2）在气、液两相中，不存在传质阻力，气体分子从气相主体传递到液相主体的阻力，主要存在于气膜和液膜中。（3）在气膜中存在氧的分压梯度，液膜中存在氧的浓度梯度，都是氧转移的推动力。（4）气膜中氧分子的传递动力很小，界面处的溶解氧浓度值是氧分压为p条件下的饱和浓度值。（5）氧难溶于水，因此氧转移主要阻力主要来自液膜，O2通过液膜的转移速率是氧扩散转移全过程的控制速率。氧的分压梯度氧的浓度梯度在废水生物处理系统中，氧的传递速率可用下式表示：式中：dm/dt——氧传递速率，kgO2/h；Kg——氧分子在液膜中的扩散系数；A——气、液两相接触界面面积；ρs0——氧在界面上的饱和溶解氧浓度；ρ0——氧在溶液中的实际溶解氧浓度。dm=Vdρ0（V：液相主体的容积），则上式可改写成：)(ddosogAKtm)(ddosogoVAKt式中：dρ0/dt——液相主体中溶解氧浓度变化速度，氧转移速度kgO2/m3h；氧转移过程中的传递速率认为主要是界面上的饱和溶解氧浓度值(ρs0)与液相主体中的溶解氧浓度值(ρ0)之差。通常KgA/V项用KLa（总转移系数）来代替，由此上式变为：KLa：氧总转移系数，此值表示在曝气过程中氧的总转移性，当传递过程中阻力大，则KLa值低，反之则KLa值高。将上式进行积分，可求得总转移系数KLa：1S02S012Lalg13.2ttK)oso(LadodKt)(ddosogoVAKt当混合液中氧的浓度为零时，由于具有最大的推动力，因此氧的转移速率最大。影响氧转移的主要因素水质LaLawKK=0.80.9影响氧总转移系数KLa影响饱和溶解氧浓度ρs0s0sw0.90.97水温20)20()(024.1TLaTLaKK影响氧总转移系数KLa影响饱和溶解氧浓度Cs水温升高，ρs0值会下降;反之，则升高。水温对氧转移速率有两种相反的影响，总的来说，水温降低有利于氧转移)oso(LadodKt修正系数、值，可通过对清水、特定污水的曝气充氧试验予以测定。氧分压：影响饱和溶解氧浓度ρs0气压降低，饱和溶解氧也随之下降，反之则提高。因此，在气压不是标准大气压的地区，ρs0值应乘以压力修正系数ρ20024.1)0(200s0TTLaKdtd)760(510013.1)760()(sPsPs影响氧转移的主要因素综合水质、水温以及分压因素的影响，氧转移速率的表达式为：二、鼓风曝气系统的计算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）；实际氧转移速率——以城市废水或工业废水（实际水质）为研究对象，按当地实际情况（指水温、气压等）进行测定，所得到的是氧转移速率，以R表示，单位为kgO2/h。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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（%）。so)20(LadodKt20024.1)0(200s0TTLaKdtd曝气的原理与过程气泡细胞活性污泥BODDOCO2/H2O空气O221%N279%压力、气量供氧：双膜理论需氧:vrVXbQSaO''2曝气：供气(实际废水)O221%N2=79%DO=1~2mg/L曝气设备：标准状态下供气量、阻力1.鼓风曝气系统中平均饱和溶解氧（ρsm）的计算由于鼓风曝气装置安装在池底，池内的ρs0值以空气扩散装置出口和曝气池表面两处饱和溶解氧浓度的平均值ρsm计算，即：式中：Ot——从曝气池逸出气体中含氧量的百分率，%；510013.121s0212121bPtOsssmEA——氧利用率，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（%），一般在6%12%之间；AAtEEO12179121P——曝气池水面的大气压力，P＝1.013×105Pa；Pb——安装曝气装置处的绝对压力；H——曝气装置距水面的距离，m。HPPb3108.9在稳定条件下，曝气池中氧的实际转移速率应等于活性污泥微生物的需氧速率Rr()，即2.氧转移速率和供气量的计算rRdtd0VORr2220024.1)0(200OVTTmsLaKVdtd2ORVOdtd20结论：氧的实际转移量等于活性污泥需氧量意义：如果已知活性污泥微生物需氧量O2，也就知道了氧的实际需要的氧转移量。2.1氧转移速率的计算2.1氧转移速率的计算标准条件下，转移到脱氧清水的总氧量（R0）：VsmCLaKVsmLaKVdtdR)20()20(0)20()20(00实际条件下，转移到曝气池的总氧量（R）：（引入各项修正系数：压力、温度、水质），即：VTTsmLaKR20024.10)()20(0)()20(024.1)20(0TsmTsmCRR2、氧转移速率和供气量的计算：2.1氧转移速率的计算0)()20(024.1)20(0TsmTsmRR0)()20(024.1)20(0TsmTsmRR制造商提供的曝气设备的性能参数是在标准条件下测得的，因此以上算得的需氧量O2必须换算成标准条件下（水温20℃，标准大气压的脱氧清水）的需氧量，以进行设备的选定。0)()20(024.1)20(20TsmTsmOR2OR2.2供气量的计算式中：EA——氧利用率，通过鼓风曝气系统转移到混合液中的总氧量占供氧量的百分比（%），各种空气扩散装置在标准状态下的EA值，由厂家提供；S——供氧量，kgO2/h；21%——氧在空气中的百分比；1.43——20C时氧的容积密度，kg/m3；Gs——供气量，m3/h。SREA0ssGGS3.043.1%21AsERG3.00sGRAE3.002.2供气量的计算对于鼓风曝气系统，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，按求出的R0值，又称为充氧量，其与叶轮直径及其线速度有关，厂家也会向用户提供其设备的R0值。2.3曝气系统设计计算一般步骤A．鼓风曝气系统设计的一般步骤：计算风量即供气量：求得需氧量O2根据氧转移速率=需氧速率，则有R=O2求取标准氧转移速率R0：lTsmTsmCCCRR)()20()20(0024.1AsERG3.00确定鼓风机的风量2.3曝气系统设计的一般步骤计算要求的风压（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。根据风量与风压选择合适的鼓风机。B．机械曝气系统设计的一般程序充氧能力R0的计算：求得需氧量O2R=O2lTsTsCCCRR)()20()20(0024.1根据R0值选配合适的机械曝气设备。[例题]某城镇污水处理厂，设计流量Q＝10000m3/d，原污水经初次沉淀池处理后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。混合液活性污泥浓度Xv=2000mg/l，曝气池出口处溶解氧ρ0=2mg/l，计算水温T=250C。有关参数为：a’=0.5,b’=0.1,=0.85,=0.95，=1.0，EA=10%经计算曝气池有效容积V＝3000m3，（空气扩散装置）曝气盘安装在水下4.5m处。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、曝气设备定义：曝气系统，又称为空气扩散系统，是活性污泥处理系统的重要设备，也是活性污泥法设计中的重要组成部分。作用：将鼓风机输送来的压缩空气，通过管道系统进入空气扩散装置，利用空气扩散装置将空气粉碎成大小不一的气泡，气泡在上升的过程中将部分氧气转移到水中。曝气装置的分类：按曝气方式可以将其分为鼓风曝气装置和表面（机械）曝气装置两大类。曝气设备鼓风曝气机械曝气鼓风机空气输配管系统扩散器竖式曝气机表面曝气机卧式曝气机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）。鼓风曝气空气净化器鼓风机空气输配管系统扩散器鼓风机供应压缩空气风量要满足生化反应所需的氧量和能保持混合液悬浮固体呈悬浮状态。风压要满足克服管道系统和扩散器的摩阻损耗以及扩散器上部的静水压。罗茨鼓风机：适用于中小型污水厂，噪声大，必须采取消音、隔音措施。离心式鼓风机：噪声小，效率高，适用于大中型污水厂空气净化器的目的是改善整个曝气系统的运行状态和防止扩散器阻塞。鼓风曝气装置组成及各组成作用常用鼓风机形式1.容积式风机:罗茨鼓风机、回转风机2.单级高速离心鼓风机丹麦HV-Turbo风机英国Howden风机常用鼓风机形式常用鼓风机形式鼓风曝气空气净化器鼓风机扩散器空气输配管道系统其作用负责将空气输送到空气扩散器。要求沿程阻力损失小,曝气设备各点压力均衡,空气干管和支管流速符合设计要求，配备必要的手动阀和电动调节阀门。微孔曝气设备鼓风曝气空气净化器鼓风机扩散器扩散器的作用是将空气分散成空气泡,增大空气和混合液之间的接触界面，把空气中的氧溶解于水中。空气输配管系统微气泡扩散器小气泡扩散器中气泡扩散器。。。。。。扩散器的类型a.微气泡空气扩散装置材料：由多孔性透气材料（陶粒、粗瓷、氧化铝、氧化硅或尼龙等）制成的扩散板、扩散盘和扩散管等；主要性能特点：能产生微小气泡，形成的气泡直径在0.2mm以下（在200m以下者，为微孔），气、液接触面大，氧利用率高：EA≥10%，EP=2kgO2/kw.h以上；缺点：易堵塞，扩散阻力大，空气需经空气净化器处理净化。微孔曝气头微气泡空气扩散装置结构：1.扩散板：扩散板沟a；扩散板匣b2.扩散管3.固定式平板型微孔空气扩散器4.固定式钟罩型微孔空气扩散器5.膜片式微孔空气扩散器扩散板扩散管2.扩散管：扩散管管径一般为60~100mm，长度为500~600mm。以组装形式安装，以8~12根管组装成一个管组，便于安装维修，布置形式如同扩散板。氧利用率约10~13%，动力效率为2kgO2/kw.h。微孔曝气设备微孔曝气盘微孔曝气设备微孔曝气设备安装微孔曝气器实际安装情况膜片式微孔曝气器微孔合成橡胶膜片b.中气泡型空气扩散装置1.穿孔管组成管径2550mm的钢管或塑料管制成；在管下部两侧呈45开孔，孔眼直径35mm，气泡直径为2~6mm，间距50~100mm；为了避免孔眼阻塞，穿孔管孔眼的流速应≥10m/s。优点不易堵塞，构造简单，阻力小；氧利用率（EA）低，一般为6~8%（46%排水）；动力效率（EP）亦低