CMD圆盘型弹性微孔膜曝气器的研究

孙哲　李高奇　李　军　王宝贞
(环境工程教研室)　

　　摘　要　通过在对现有曝气器装置分析的基础上,研究开发的ＣＭＤ圆盘型弹性微孔膜曝气器,具有氧转移效率高、经济、节能等特点,并具有广阔的发展前景和实际意义。
　　关键词　废水处理设备;圆盘型;弹性微孔膜;曝气器
　　分类号　Ｘ703

概述

　　曝气设备是城市污水和工业废水处理厂的关键设备之一,它对污水处理厂的节能起着决定性作用。因此,研究、开发和应用新型的高效低能耗的曝气器具有重要意义。
　　80年代初,德国ＩＦＤ公司首次采用微孔橡胶膜片代替硬质微孔曝气器的研究获得成功,并逐步应用于一些污水处理厂中,这种弹性微孔膜曝气器具有氧利用率高,动力效率高,压力损失小,不腐蚀,不堵塞,曝气量可以调节等优点。
　　为此我们进行这种新型高效节能和价格合理的曝气器的研制工作。

1　ＣＭＤ圆盘型弹性微孔膜曝气器工作原理及特点

1.1　工作原理
ＣＭＤ圆盘型弹性微孔膜曝气器,在通入压缩空气时,膜臌起升高,膜上孔口张开并由此释放出细小气泡,其膨胀程度与空气压力有关;当停止通气时,孔口关闭,膜罩以一定的预应力紧贴在圆拱形底盘上,致使该曝气器能长年保持密封。
1.2　工作特点
(1)不会被堵塞。这种曝气器借助其单向闭合机制的构造产生“阀门”效应,弹性膜上的微孔只在曝气时张开,停止曝气时封闭,致使污泥颗粒和污水不会进入曝气器中,因此不会因为微生物增殖而堵塞曝气器。
(2)耐腐蚀、耐用。因底盘和膜罩均由塑料、橡胶等原料制成,耐空气和污水腐蚀。
(3)可调气量大,每个曝气器的通气量可在0～5ｍ3/ｈ之间变动。
(4)安装方便。这种曝气器可直接通过其连接管上的丝扣与布气管相连,更换时不用工具,可成单侧、双侧和全部底面布设。
(5)服务面积大,压力损失小。每个曝气器的服务面积为0 5～1 0ｍ2,出水阻力为326～491ｍｍＨ2Ｏ柱。
(6)很高的氧利用率和动力效率。在5～6ｍ水深时Ｏ2利用率为20 0%～25 9%,动力效率为3 9～4 5ｋｇＯ2/ｋＷｈ。

2 ＣＭＤ圆盘型弹性微孔膜曝气器的构造

ＣＭＤ圆盘型弹性微孔膜曝气器,是由一个呈圆拱形的硬质塑料底盘和一个套于其上打有许多小孔的弹性橡胶罩组成。硬质塑料底盘的主要成分是聚丙烯,并有少量填加剂。包围塑料底盘的橡胶膜罩的主要成份是天然橡胶,掺有少量其它成份。

3 ＣＭＤ圆盘型弹性微孔膜曝气器实验

3.1　充氧性能测定
3.1.1　测定装置
充氧性能测定为单盘清水试验,在φ0.8高7.5ｍ的圆柱形聚氯乙烯曝气池内进行试验,流程如图1所示。

3.1.2　测定方法原理
1.消氧
据2Ｎａ2ＳＯ3+Ｏ2=2Ｎａ2ＳＯ4原理,在清水(自来水)中投放无水亚硫酸钠,并用氯化钴作催化剂,水泵搅拌至清水中的溶解氧为零止。
2.充氧
待水中溶解氧(ＤＯ)为零后,启动曝气器,开始充氧,同时以溶解氧仪测定池中的ＤＯ变化,并记录溶解氧的瞬时变化情况,直至ＤＯ饱和,充氧结束。测定时ＤＯ探头放置水深一半处,与检验取样点在同一断面。流量计前设有稳压阀,稳定气体流量,试验用水只重复一次,每个数据均在相同的条件下重复试验2～3次,使氧转移系数ＫＬａ值相近,并取平均值进行计算。
3.计算公式
(1)ＫＬａ20计算方法:根据怀特曼的双膜理论,考虑气液界面面积难测定,用氧总转移系数ＫＬａ来代替ＫＬ。
故充氧速率

式中:ＫＬ为液膜传质系数;Ｃｓ为水中溶解氧的饱和浓度;Ｃ为水中溶解氧的浓度。
将公式(1)积分得

式中:Ｃ1,Ｃ2分别为ｔ1,ｔ2时刻测得的溶解氧值(ｍｇ/ｌ)。
由于ＫＬａ值与温度有关,工程上均以温度20℃时的ＫＬａ20值为标准,因此对试验温度下的ＫＬａＴ值进行修正,如下式所示:

式中:ＫＬａ20为标准状态下(20℃)下,曝气器氧总转移系数(ｍｉｎ);Ｔ为测试水温,℃;1 024为温度修正系数。
(2)氧利用率ＥＡ

式中:Ｅ为测试条件下曝气器的氧利用率;Ｑ为测试条件下曝气器充氧能力(ｋｇＯ/ｈ);0.28为标准状态下1ｃｍ3空气所含氧的重量(ｋｇ/ｍ3);Ｑ标为标准状态下(0 1ＭＰａ,20℃)曝气器通量(ｍ3/ｈ)
(3)动力效率Ｅｐ
Ｅｐ=Ｑｃ/Ｎ (5)
式中:Ｅ为测试条件下曝气器充氧动力效率;(ｋ/ｋＷｈ);Ｑ为测试条件曝气器充氧能力(ｋｇＯ2/ｈ);Ｎ为曝气器充氧时所耗理论功率(ｋＷ)按式(8)计算。
Ｎ=Ｑ实Ｈ/102 (6)
式中:Ｈ为气体压力表读数均值(ＭＰａ)。
3.1.3　测定结果
本试验进行了在同一水深情况下改变四种曝气量以及在同一气量下改变四种不同曝气水深等16个工况的充氧试验。
(1)氧总转移系数(ＫＬａ20)
ＫＬａ20值是评价曝气器性能的重要指标之一。ＫＬａ20值保持在0 111～0 24ｍｉｎ-1的较高水平;曝气量相同时,水深增加ＫＬａ20值增加;水深一定时,曝气量加大,ＫＬａ20值也随之增大,见图2。
(2)氧利用率ＥＡ
氧利用率亦是评价曝气器性能的另一项重要指标。在水深5～6ｍ,曝气量从2ｍ3/ｈ到5ｍ3/ｈ时,ＥＡ值保持在20 0%到25 9%的较高水平;氧利用率随曝气量的增加而下降,在相同曝气量下,氧利用率随水深增加而增加,见图3。

(3)动力效率Ｅｐ
动力效率Ｅｐ综合了曝气器主要参数成为综合性能的指标。在水深5～6ｍ,曝气量从2ｍ3/ｈ到5ｍ3/ｈ时,Ｅｐ值保持在3 90～4 52ｋｇＯ2/ｋＷｈ的高效值,Ｅｐ值随曝气量增加而减少,见图4。
3.2　阻力测定
3.2.1　测定方法
阻力方法
阻力测定采用2ｍＵ型管测压计,在克服水深压力的情况下,对曝气器进行数次变换不同气量的重复观测,阻力值为数次观测的增均值。

3.2.2　曝气器的局部阻力
曝气器孔隙阻力损失的大小,也是衡量曝气器性能优劣的指标之一。阻力损失大,动力消耗亦将增加。图5表明,曝气器的阻力损失随着气量的加大而上升,且与气量成线性关系。当曝气量为1～5ｍ3/ｈ时,其相应的阻力损失为326～491ｍｍ水柱。

4 技术经济分析

4.1　能耗分析
各种曝气器能耗比较见表1。

4.2　经济效益及推广应用前景
城市污水和工业废水处理建设中每个工程对该产品的需求量从几百至几千个不等,预计该产品国内市场前景很好。该产品进口价为100美元,而国内生产零售价预计仅为100多元。
已研制成功的ＣＭＤ圆盘型弹性微孔膜曝气器已付诸应用于城市污水处理厂与工业废水处理站等处理工程中。实际测试结果与产品指标基本相符合,获得较好的环境效益、社会效益和经济效益。

5 结论

(1)本项目研制的ＣＭＤ圆盘型弹性微孔膜曝气器,是一种新型、高效、节能的曝气器。在清水中测定的主要技术参数是:在5～6ｍ水深时,曝气量在2～5ｍ3/ｈ只曝气器,氧利用率为25 9%～20 0%。在相同水深下,氧利用率随曝气量增加而下降;在相同曝气量下,氧利用率随水深而增加;
(2)其动力效率Ｅｐ很高,在水深5～6ｍ处,曝气量从2ｍ3/ｈ只曝气器增至5ｍ3/ｈ/只时,动力效率为4 52～3 90ｋｇＯ2/ｋＷｈ,Ｅｐ值随曝气量增加而减少;
(3)该曝气器阻力损失小,当曝气量为1～5ｍ3/ｈ/只时,其相应的阻力损失为326～419ｍｍ水柱;
(4)该曝气器因具有弹性和单向闭合作用,特别适用在序批式活性污泥法曝气/沉淀一体化池中和Ａ/Ａ/Ｏ和Ａ/Ｏ三段或二段式曝气池中;
(5)该曝气器还具有耐腐蚀、可调节曝气量、服务面积大、安装方便等优点;
(6)在相同曝气量下,该曝气量的能耗,仅为大孔曝气装置的25%,为中孔曝气装置(如双螺旋曝气器和叶轮表曝机)的50%～55%,为硬质微孔曝气器的65%～70%;
(7)本项目研制成功的ＣＭＤ圆盘型弹性微孔膜曝气器,其价格仅为国外同类产品价格的1/10～1/8,可大大节省曝气池的基建费用。

收稿日期:1996-05-10
孙哲　男　副教授/哈尔滨建筑大学市政环境工程学院(150008)