羊寿生 (上海市政设计研究院,上海200002)
摘 要:介绍了开发成功的一种套筒式曝气池,它具有用地少、投资省、经常费用低、维护管理方便等优点,适用于中小型污水处理厂。套筒式曝气池已在多座污水处理厂中应用,效果良好。 关键词:污水处理;曝气池;套筒式;设计 中图分类号:TU992.02 文献标识码:C 文章编号:1000-4602(2001)04-0037-04
曝气池的设计与布置是活性污泥法的关键(占污水处理厂造价的20%~30%,经常费用的70%~80%)。最早的曝气池,平面呈狭长矩形,水池断面的深宽比大约为0.3~0.5,曝气扩散器位于池的一侧,工作时水流呈螺旋推流状。 随着科学技术发展,曝气池断面的深宽比例在不断优化,首先是曝气器采用两侧布置,故宽度要放大,而后根据土建结构分析以及水力学上的考虑,曝气池深宽比逐步变为1~2。目前,曝气池断面深度一般为3.5~4.5m,宽度为3.5~9 m。一般来说,曝气池通常为廊道式,水流为推流式,空气扩散器可布置在一侧或两侧,也可全池布置。当采用表面机械曝气器供氧时,如用竖轴式表面曝气叶轮供氧,曝气池平面可布置成矩形或圆形,池内置一台表曝叶轮;有时呈长方形,池内置多台表曝叶轮,叶轮之间可用墙隔开,水流为完全混合型。若用横轴式转刷或转盘供氧,曝气池平面呈狭长廊道形,称为氧化沟布置形式。在狭长廊道两端,设竖轴式表面曝气叶轮充氧,这也是一种氧化沟布置方式。氧化沟水流为推流式,但当氧化沟污泥负荷低时,具有完全混合式特点。 综上所述,曝气池布置大致分为两种型式,平面呈狭长矩形池,水流为推流式;平面呈矩形或圆形池,水流为完全混合式。从实践中可知,狭长矩形池的充氧不均匀,处理效果易受污水负荷变化影响,污泥易发生膨胀;矩形或圆形池虽能承受污水负荷变化,但有可能发生污水短路,影响处理效率,污泥也容易发生膨胀。为了克服上述缺点,上海市政设计研究院从20世纪80年代开始,研究开发新的曝气池池型,主要从增加水池深度、节省用地考虑,同时要找到一种耗能低、不堵塞、管理方便的空气扩散器。经研究在曝气池中设套筒,利用气提作用,可增加水深,同时利用空气流的高速喷射撞击作用提高氧的利用率。由于池内设提升套筒,故称套筒式曝气池,经过小试、中试、直到工程中应用,取得了良好效果。 1 套筒式曝气池的设计与布置 1.1 布置形式 套筒式曝气池由6座(或6座以上)矩形池(单池尺寸不宜大于9 m×9 m,池单边尺寸应大于水深)组成,每座池内设套筒两个(套筒面积占池面积的5%左右),套筒内密集设置多喷嘴曝气器(见图1)。
污水、污泥从一端进入1号池,依次经过2、3、4、5及6号池出流至二次沉淀池。这种布置的特点是将6座完全混合式水池串联起来,不会发生短路,既能承受污水负荷变化,又改善了污泥沉降性能,处理效果稳定。 套筒式曝气池也可设计成圆池(见图2),其主要尺寸与矩形池类同。 1.2理论分析 假定生物处理中污染物的去除按一级反应降解,处理时间与处理效率关系为: 推流式t=(1/k)ln(C0/C) (1) 完全混合式t=(1/k)[(C0-C)/C)] (2) 式中 C0、C——进水、出水污染物浓度 k——反应速率常数 t——停留时间 当n个完全混合池串联时: T=nt=n/k[(C0/C)1/n-1] (3) 当进水污染物浓度C0=100 mg/L、出水C=5 mg/L时,串联完全混和池容积为: n=1 V=TQ=Q(100/5-1)/k=19(Q/k) n=4 V=4Q[(100/5)1/4-1]/k=4.46(Q/k) 式中 V——容积 Q——流量 由此可算出单个完全混合池、串联完全混合池与推流池的相对容积比,如表1所示。 由表1可知,在相同的去除率下,串联池越多,反应器容积越小。6池串联与单池相比,容积已大大减小,无限增加串联池数,总容积再减小已不明显,故套筒式曝气池串联池数宜采用6~10座为宜。
表1 串联完全混合池的相对容积比形式 | 去除率 | 85% | 95% | 98% | 单个完全混合池 | 5.67 | 19. | 49 | 2池串联 | 3.16 | 6.96 | 12.14 | 4池串联 | 2.43 | 4.46 | 6.64 | 6池串联 | 2.22 | 3.90 | 5.50 | 8池串联 | 2.14 | 3.60 | 5.04 | 推流池 | 1.9 | 3.0 | 3.91 | 1.3 单池的工作特性 一般曝气池水深为4~6 m,鼓风机风压为49 kPa,而套筒式曝气池水深可达7.5 m,风机风压仍采用49 kPa,其主要是利用了套筒提升作用。曝气器位于水面下约3.8~4.0 m处,套筒内设置多喷嘴曝气器,有序排列,每只曝气器四个喷嘴,相邻喷嘴对置。曝气时,喷出的空气形成撞击气流使气泡变小,并使套筒内水流向上起到提升作用。在套筒顶部水面处,设弧形反射板,上升气水混合体经反射板引导,使水流的动能变成水平压能沿水面向四周喷射,形成较大水跃,使全池混合均匀,不产生沉积。 1.4多喷嘴曝气器 多喷嘴曝气器为一球状体,在球体中间水平向设四个喷嘴(每只喷嘴的供气量约为0.28~0.35m3/min,喷嘴直径为5~7 mm,通过喷嘴口的水头损失约为392 Pa),球体上端接空气管,下端设防堵尾管,空气从四个水平向喷嘴以15~20 m/s速度喷出,由于采用对称布置,故相邻两个喷嘴对齐后形成冲击气流,气泡冲击后,形成若干小气泡群向上浮升(曝气器构造及布置如图3所示)。当停止供气时,泥水从防堵管进入曝气器,重新通气时,泥水又从防堵管冲出,故不会发生喷嘴堵塞现象。这种布置在工程中已使用10年以上未发生堵塞。经生产性大池实测,其氧利用率达10%以上。 1.5 防止污泥膨胀 多座完全混合池串联后,由于每座池的基质浓度梯度大,使丝状微生物难以生存,数量减少,污泥不发生膨胀。工程实践也证实了这一研究成果,如上海地区城市污水处理厂有10余座,每到夏天水温升高后污泥常常发生膨胀,污泥体积指数在300~500之间,影响正常运行。而采用套筒式曝气池的闵行污水厂,污泥体积指数在100~150之间,沉降性能良好,10余年来从未发生污泥膨胀。同样,在气温较高的厦门污水处理厂也采用了套筒曝气池,投产后10余年从未发生污泥膨胀。 2 主要参数及实测结果 2.1 套筒 每只套筒平面的长宽比为5∶1,套筒中部设围板,上口及下口不设围板,其比例是上口为0.45~0.5 H,围板为0.25~0.3 H,下口为0.3~0.35 H(见图4,H为水深)。 2.2 反射板 反射板置于套筒上端,其作用是将向上的水气混合液经反射板后迅速转变成水平向压能。经多次试验研究,反射板的构造是采用勾股弦比例,在弦的中垂线上求取其圆心,夹角保持在74°左右(见图5)。 2.3实测结果 对生产性池子进行了实地检测,主要观察套筒曝气池充氧情况及混合情况。选测的矩形池平面尺寸为7.95 m×7.42 m,水深为7.5 m。 2.3.1充氧能力测定 进行了两次测定,采用溶氧仪和化学法,同时测溶解氧值。取样点在水面下约0.5 m、3 m及距池底0.5 m处,测定在清水中进行,供气率为(7.1∶1)~(4.2∶1),经换算至20 ℃时的动力效率为2.8~3.6 kgO2/(kW·h),氧利用率为8.5%~9.5%,上述结果均为各点平均值。实际运行中,气水比<4.2∶1时,估计氧利用率>10%。 2.3.2混和情况测定 投加示踪剂(盐基玫瑰精染料),一次投入约4 kg,水体积为391m3,平均浓度为10.23 mg/L,空气量为10.2m3/min,每5 min取样测光密度。结果显示,染料投入后5 min内已达到完全混和。 2.3.3 MLSS值测定 表2 各点实测的MLSS值取样点 | 水下深度 | 1m | 3.5m | 6 m | 1 | 3225mg/L | 3380mg/L | 3430mg/L | 2 | 3561mg/L | 3479mg/L | 4086mg/L | 3 | 3607mg/L | 3024mg/L | 3720mg/L | 4 | 3520mg/L | 3556mg/L | 3334mg/L | 5 | 3960mg/L | 3970mg/L | 3840mg/L | 6 | 3641mg/L | 3524mg/L | 3910mg/L | A | 3941mg/L | 3912mg/L | 3925mg/L | B | 4085mg/L | 3799mg/L | 3910mg/L | C | 3987mg/L | 3915mg/L | 3136mg/L | 在完全混合型曝气池正常运行时,取样测各点MLSS值,其结果如表2所示,说明整个池内混和情况良好。 2.3.4曝气筒内流速测定 采用螺旋桨式流速仪,安装在筒底以上1/3处,测定筒内上升流速。当供气量为6m3/min时,上升流速为0.43~0.47 m/s;供气量为10.2m3/min时,上升流速为0.56 m/s。按此推算,水池容积为391.1m3,每池两只曝气筒,全池水环流一次,气量为6m3/min时约需7.4 min,气量为10.2m3/min时约需5.9 min。 根据生产性池子的实测结果,套筒式曝气池运行基本上达到预期的设计要求。 3 工程实例 我院自开发成功套筒式曝气池后,在工程中即予以推广应用,已建成的套筒式曝气池工程实例如表3所示。 表3 套筒式曝气池工程实例名称 | 规模(104m3/d) | 曝气池数量 | 池体尺寸: 长×宽×深 (m) | 投产年份 | 上海闵行污水处理厂 二期* 三期* | 2.2 1.5 1.5 | 2组,每组6座,共12座 2组,每组8座,共16座 2组,每组8座,共16座 | 7.9×7.6×7.5 8.6×8.6×7.5 7.8×7.8×7.5 | 1981年 1990年 1998年 | 上海炼油厂污水处理站 | 1.44 | 2座 | 圆池,φ=19.6,H=7.5 | 1981年 | 上海吴淞污水处理厂* | 4 | 2组,每组8座,共16座 | 9×9×7.5 | 1991年 | 苏州城东污水处理厂 | 2.5 | 2组,每组6座,共12座 | 8.5×8.5×7.5 | 1989年 | 厦门员当湖污水处理厂 | 3.7 | 2组,每组8座,共16座 | 8.5×8.5×7.5 | 1988年 | 深圳滨河污水处理厂 (A/B法A段曝气池) | 30 | 4组,每组6座,共24座 | 9×9×7.5 | 1998年 | 注*有生物脱氮功能。 | 上述各污水处理厂运行正常、维护简便、处理出水水质达到排放标准,其中上海闵行污水厂、厦门员当湖污水处理厂、深圳滨河污水处理厂、上海炼油厂污水处理站,分别获部、市级优秀设计一、二等奖。 4 结语 实践证明,套筒式曝气池具有占地省、投资少、运行费用低、管理方便等优点,是我院自主开发的一种曝气池形式,特别适用于中小型污水处理厂。近年来,又进一步研究开发成功在套筒曝气池一侧组建双层矩型平流沉淀池,使曝气池和沉淀池布置更为紧凑,用地更省,管理也更方便。
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