混合曝气系统充氧效率的探讨

出　　自： 《中国给水排水》 1994年第3期第16页
发表时间： ： 1994-3

汪慧贞；沈家杰(北京建筑工程学院)
(北京建筑工程学院)

摘要：介绍了节能的混合曝气系统——在曝气池前端使用机械表曝，接之以鼓风微孔曝气。并根据笔者在英国B.M.污水厂实测的混合曝气系统的 、充氧动力效率等参数，对之作出肯定的评价。

1 混合曝气系统(Hybrid AerationSystem，简称HAS)的特点

　　在一般活性污泥法处理厂中，总运行费用的40%以上用于能耗、而曝气是最大的耗能环节约占总能耗的50%以上，回流污泥泵房所消耗的电能只占曝气消耗电能的5～10%。
　　目前，污水厂的充氧动力效率据统 [1] :鼓风曝气为1.1～2.2KgO 2 /kWh，机械表曝为0.5～1.7kgO 2 /kWh，参差不齐，因此某些污水厂是很有节能的潜力。美国有9000多个活性污泥法处理厂，总能耗为175万马力，每年耗资6亿美元；英国有150个服务人口多于1万的活性污泥法处理厂，若使这些厂的曝气耗能降至最低值，每年可节约950万英磅。因此，在保证出水水质的前提下，提高曝气效率以节能是一很有意义的研究课题。
　　氧的传递是一复杂过程，受许多因素的影响，如:曝气器的种类和布置方式、曝气器已使用的年限、曝气池的形状、输入空气的流率、污水水质及水流状态、泥龄、是否有消化作用和水温等。据21个污水厂65次试验结果得知 [2] :从氧传递的角度，微孔曝气器优于中、粗孔曝气器，曝气器的格形布置优于使水流呈螺旋状前进的池一侧布置，推流式池优于多点进水式池，污泥龄长优于污泥龄短，有消化作用优于无消化作用。
　　英国的“水研究中心(Water Research Center)，推出了混合曝气系统HAS以节能。在清水中，微孔曝气的效率高于机械表曝，图1显示了微孔曝气器在清水中的充氧动力效率约4kgO 2 /kWh，而机械表曝仅为2kgO 2 /kWh。但在污水中，特别是负荷较高时，由于表面活性物质的影响及微孔曝气器的堵塞，微孔曝气的效率下降。在混合液中，池进口处α系数约0.3、池尾处则约为0.8，即其充氧效率从1.2左右增至3.2kgO 2 /kWh，而机械表曝α系数始终接近1，故在混合液中其充氧效率仍接近2kgO 2 /kWh。HAS即为曝气池入口处使用机械表曝，其效率不因水中存在有机物而降低，再接之以微孔曝气，这样就同时吸取了它们的长处，避免了短处。此外，还在很大程度上减少了微孔曝气器堵塞的可能性。

　　笔者在英国实测了Blackburn Mealows污水厂中(简称B.M.厂)HAS的氧总转移系数K Lα 、充氧效率等，以对其能耗情况作出评价。

2 试验方法

　　B.M.厂在英国约克郡的Sheffield，为65 万当量人口服务，在部分改建时采用了HAS。污水先进一占曝气池总容积33%的机械曝气池，再进占67%的机械曝气池。图2为一组曝气池的简图，机械曝气池(长26.4、宽13.2、高6.2m)中设2个表曝机，其高、低速转动时耗电各为55和35kWh。微孔曝气池分为三个廊道(长47.5、宽5.0、高6.2m)，采用渐减曝气，三个廊道中曝气器的数量各为82、60和48个，以维持其DO各为2.0、1.5和1.0mg/L。池中MLSS为3.5mg/L，泥龄为8d。此外，在曝气池前再增设一缺氧池(长10.0、宽13.2、高6.2m)，以改善污泥沉降性能及反硝化脱氮，它能夺回曝气过程中供氧的10～20%以降解进水中的BOD 5 。

　　经初沉池后，污水的BOD 5 、SS和N N各为155、152和22mg/L。
　　对机械曝气池采用非稳定态测定法:停止进水并开启表曝机，曝气4h以使混合液的BOD 5 降至最低，待DO上升至一定值并保持不变时则停止曝气，此时定时间t=0，以后每隔2min测一次DO，直至DO下降至一定值而保持不变为止。同时，取混合液样曝气24h，测其饱和DO值C s ，据方程
　　ln(C s -C)=1n(C s -C 0 )-K La ·t
　　式中C——池中混合液DO值
　　C o ——t=0时混合液的DO值
　　t——时间绘制ln(C s -C)～t线，其斜率即为氧的总转移系数K Lα (1/h)。
　　对微孔曝气池采用了“尾气法”(Off-gas Method)，即用一集气罩收集逸出混合液面的气体，测其中氧气所占的百分比。据David Redmon等的介绍 [3] ，在图3所示的物料平衡条件下，若为稳定状态则有
　　式中ρ——氧的比重，20℃且相对湿度50%
　　时为1.33kg/m 3
　　υ——试验池的体积，L
　　Y in ，Y ou ——在输入空气及尾气中氧所占的比例(体积比或摩尔比)
　　q in ，q ou ——输入空气及尾气的流量，L/s
　　——测试条件下的氧总转移系数，1/h假设在生化过程中所产生CO 2 与所消耗的O 2 的体积相等，则有q in =q ou =Q，此Q值可从空压机流量表上读出。

　　式中θ——温度修正系数=1.024
　　T——混合液温度
　　氧转移效率

　　充氧能力
　　OC=K Lα (20℃)·υ·C s ′(kgO 2 /h)
　　C s ′=20℃清水氧的饱和溶解度
　　动力效率

　　E=供应的电能(kWh)

3 试验结果及讨论

　　机械曝气的 见图4。微孔曝气的测试结果见表1。总计算结果见表2。

　　表2中，机械表曝高速运转时的动力效率为1.6kgO 2 /kWh，与文献所述相符，而微孔曝气的动力效率则高于4kgO 2 /kWh。据分析，这是因为本系统的泥龄较长，水流状态为推流式，有硝化和反硝化作用，各廊道的自动检测设备保证了DO的稳定，具有先进的计算机中心控制系统，而且由于污水先经机械曝气系统的处理，使微孔曝气系统在最佳状态下工作。

　　当然，测试误差是不可避免的，尾气法测试充氧效率的误差在10%以内 [4] 。由于条件限制，本试验所使用的集气罩为0.85×0.35m 2 ，比文献介绍的5.0×0.6和2.67×0.6m 2[3] 要小得多，这是产生误差的重要原因。

　　图5表示了HAS的设计预想和测试结果，两者有一定的差距。微孔曝气器使用3.5年后其效率降低20% [2] ，而本测试时HAS才投入运转7个月，经过一段时间运行其微孔曝气部分的效率还要下降，与设计预想就会更吻合。

　　通过对B.M.厂HAS使用非稳定态法(机械曝气区)和尾气法(微孔曝气区)的测试，认为:其HAS同时发挥了机械表曝和鼓风微孔曝气两者的优点，在充氧动力效率上是节能的。其曝气池中机械曝气区与微孔曝气区的体积比33%:67%，基本合理。
　　混合曝气系统是一值得我国大、中型污水处理厂借鉴的节能运行方法。

4 参考文献

　　1. Marcus J.Healey"Improvements in The Activated Sludge Process in The U.K.and U.S."J. WPCF Vol.61 No.4 (1989)
　　2. Kathy Powell Groves,Glen T. Daigger"Evaluation of Oxygen Transfer Effciency and Alpha-factor on a Vari ety of Diffused Aeration Systems"Water Environment Research Vol.64 No. 5(1992)
　　3. David Redmon, William C. Boyle"Oxygen Transfer Effi ciency Measurements in Mixed Liquor Using Off-gas Techniques" J.WPCF Vol. 55 No.11(1983)
　　4. James A.Mueller,W.C. Boyle"Oxygen Transfer under Process Conditions"J.WPCF Vol.60 No.3(1988)
　　作者通讯处:10004 北京西外展览路1号 北京建筑工程学院给排水教研室