給水生物接觸氧化池兩種不同曝氣系統(tǒng)的比較研究

1、給水生物接觸氧化池兩種不同曝氣系統(tǒng)的比較研究                        摘要：生物接觸氧化法作為給水生物預(yù)處理工藝，近年來得到了日益廣泛的工程實(shí)際應(yīng)用。本文對給水生物接觸氧化法預(yù)處理工程中常用的兩種曝氣系統(tǒng)（微孔曝氣器曝氣和穿孔管曝氣），作了充氧性能、系統(tǒng)造價、運(yùn)行成本及運(yùn)行管理等方面的比較研究。研究表明，在實(shí)際工程應(yīng)用中，采用微孔曝氣器

2、的曝氣系統(tǒng)優(yōu)于采用穿孔管的曝氣系統(tǒng)。 關(guān)鍵詞：微孔曝氣器 生物接觸氧化池 穿孔管 充氧性能 運(yùn)行成本  近些年來，隨著工農(nóng)業(yè)的迅速發(fā)展，城市化建設(shè)加快，城市人口膨脹，引起了城市工業(yè)與生活用水大量增加；同時，相應(yīng)的污染排放量也在逐年增加，導(dǎo)致了飲用水水源普遍受到污染，飲用水水質(zhì)惡化。在給水處理領(lǐng)域中引入生物預(yù)處理，已成為微污染水源水處理的技術(shù)發(fā)展方向和有效手段之一。在我國，給水工程實(shí)踐中常用生物接觸氧化法作為生物預(yù)處理工藝。在該方法中，曝氣系統(tǒng)的選擇直接關(guān)系著整個生物預(yù)處理工藝的充氧性能、處理效果、運(yùn)行成本和管理操作。本文結(jié)合中試試驗(yàn)和工程實(shí)踐對這兩種不同曝氣系統(tǒng)作了多方面的比較與分析

3、。1 生物接觸氧化池的兩種曝氣系統(tǒng) 為提高氧的利用率，生物接觸氧化池宜采用氣水逆向流設(shè)計(jì)。一般用鼓風(fēng)機(jī)鼓風(fēng)曝氣，曝氣設(shè)備分布于池底；氣流自下向上流經(jīng)填料區(qū)，水流自上向下流經(jīng)填料區(qū)。曝氣系統(tǒng)一般采用微孔曝氣系統(tǒng)或穿孔曝氣系統(tǒng)。微孔曝氣系統(tǒng)一般采用膜片式微孔曝氣器作為曝氣設(shè)備，池中填料一般采用彈性填料，設(shè)計(jì)氣水比一般取0.7左右。 穿孔曝氣系統(tǒng)采用穿孔管作為曝氣設(shè)備，池中填料可采用顆粒填料或彈性填料，設(shè)計(jì)氣水比一般取1左右。 2 充氧性能比較 通過對中試裝置的清水充氧試驗(yàn)，對兩種不同曝氣方式的標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)充氧性能作了測試，并對以下幾項(xiàng)充氧性能評定指標(biāo)作了比較與分析。 (1) 標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的氧總轉(zhuǎn)移系數(shù)K

4、Las（h-1）曝氣器在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)(水溫20、1atm大氣壓強(qiáng))的測試條件下，在單位傳質(zhì)推動力作用時，單位時間向單位體積水中傳遞氧的數(shù)量； KLas=KLa(T)·1.024(20-T) (1） 式中 KLa(T)水溫為T條件下，氧氣的總轉(zhuǎn)移系數(shù)（h-1）； T測定時的實(shí)際水溫（）。 KLa(T)=2.303lg(c3-c1)/(c3-c2)×60/(t2-t1) （2） 式中 Cs液體中的氧氣溶解度（mg/L）； C1、C2在t1、t2時間（以min計(jì)）所測得的氧氣濃度（mg/L）。 (2) 氧氣轉(zhuǎn)移率dc/dt（mg/L.h）曝氣器在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)的測試條件下,單位體積內(nèi)氧氣的

5、轉(zhuǎn)移速率； dC/dt=KLas·Cs(20) （3） 式中 dC/dt 單位體積內(nèi)氧氣的轉(zhuǎn)移速率，簡稱氧氣轉(zhuǎn)移率（mg/L.h）； Cs(20)標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的氧氣在清水中的溶解度，Cs(20)=9.17mg/L。 (3) 充氧能力R0(kgO2/h)曝氣器在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)的測試條件下，單位時間向溶解氧為零的水中傳遞的氧量: R0=KLas·V·Cs(20)·10-3 ,（kgO2/h） (4) 式中 V液體體積（m3）。 (4) 氧利用率EA（）曝氣器在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)的測試條件下，傳遞到水中的氧量占曝氣器供氧量的百分比: EA=(R0/S)×100% （5

6、） 式中 S供氧量(kgO2/h)； S=0.21·1.331·GS 其中 0.21空氣中氧所占比例； 1.331標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下氧的容重(kg/m3)； GS供給空氣量(m3/h)。 (5) 充氧動力效率EP（kgO2/kW.h）曝氣器在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)的測試條件下消耗1kW.h有用功所傳遞到水中的氧量。 Ep=R0/N （kgO2/KW.h） （6） 式中 N 消耗功率計(jì)算值； N=HGs/102 （kW） 其中H 空氣壓力(kg/cm2)； 標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的空氣容重， =1.205(kg/m3)。 2.1 清水充氧試驗(yàn) 本試驗(yàn)直接利用A型和B型生物接觸氧化中試裝置（見圖1）為測試裝置：

7、A型生物接觸氧化池的填料區(qū)下方設(shè)微孔曝氣器(微孔直徑0200m范圍內(nèi)變化)，直接向彈性填料區(qū)鼓風(fēng)曝氣，池中水深4.5m，填料區(qū)高度4m，并采用兩級串聯(lián)的方式運(yùn)行。B型生物接觸氧化池的填料區(qū)下方設(shè)置穿孔曝氣管(孔徑1mm)，直接向顆粒填料區(qū)鼓風(fēng)曝氣，池中水深4.1m，填料區(qū)高度2m。 試驗(yàn)用水為自來水，水溫28，供氣量以轉(zhuǎn)子流量計(jì)計(jì)量換算。試驗(yàn)方法采用靜態(tài)啟動的間歇非穩(wěn)態(tài)法；用亞硫酸鈉為消氧劑，氯化鈷為催化劑；溶解氧采用溶氧儀直接測定。 試驗(yàn)條件和測試結(jié)果見圖2和表1。 表1 兩種曝氣系統(tǒng)的清水充氧試驗(yàn)結(jié)果序號 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 比較項(xiàng)目 水溫 水深 池表面積 氣壓

8、 氣量* 孔眼直徑 KLaS dc/dt R0 EA Ep m m2 kg/cm2 m3/h m h-1 kgO2/m3.h kgO2/h % kgO2/kW.h A型 28 4.5 1.28 0.714 5.0 0200 6.01 0.055 0.32 22.9 5.42 B型 28 4.1 0.76 0.714 3.0 1000 4.04 0.037 0.12 15.0 3.39 *注：氣量均采用設(shè)計(jì)工況下的曝氣量，曝氣強(qiáng)度均控制在4m3/m2.h左右。 2.2 試驗(yàn)結(jié)果分析和結(jié)論2.2.1 由表1可以看出： （1） 由于氧的溶解度?。ㄒ蚨醯霓D(zhuǎn)移也慢），通過正常的氣水交界面難以獲得足夠的

9、氧量來進(jìn)行好氧生物處理，必須要人為地增加氣水的交界面。鼓風(fēng)曝氣就是增加氧轉(zhuǎn)移交界面的一種方法。依據(jù)雙膜理論，膜的厚度反映了阻力的大小。在濃度差相等的情況下，鼓風(fēng)曝氣氣泡愈小，氧的轉(zhuǎn)移量也愈多。由表1第6項(xiàng)可知，A型生物接觸氧化池的氣泡直徑遠(yuǎn)小于B型；從第7、8項(xiàng)可看出，其相應(yīng)的KLaS值和dc/dt值高于B型。（2） 一個曝氣裝置的KLaS值大，吸收的氧量雖可多些，但未必經(jīng)濟(jì)。所以在實(shí)際工作中常用氧利用率EA和充氧動力效率Ep來作為比較曝氣裝置效率的指標(biāo)。從表1第10、11項(xiàng)可明顯看出，A型生物接觸氧化池的EA值和EP值均高于B型。這說明在同等的充氧能力下，A型生物接觸氧化池所消耗的能量小于B

10、型。 2.2.2 在后來試驗(yàn)穩(wěn)定工況的連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)中，曾多次測定A、B型生物接觸氧化池中水體的溶解氧，結(jié)果見表2： 表2 A、B型生物接觸氧化池中溶解氧的分布DO測點(diǎn)位置 原水 A型第一級 A型第二級 B型 DO(mg/L) <0.5 >6.0 >7.0 4.0 由表2可知，A型生物接觸氧化池中各部位的溶解氧值均高于B型。這說明了A型生物接觸氧化池具有較高的充氧效率，能提供足夠的氧氣以保證生物膜進(jìn)行生化反應(yīng)。 綜上所述，可認(rèn)為：從充氧性能的上述五項(xiàng)評價指標(biāo)來比較，A型生物接觸氧化池的充氧性能明顯優(yōu)于B型生物接觸氧化池。      

11、                        3 曝氣系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)比較 參考某地一座4萬m3/d產(chǎn)水量的生物接觸氧化池的實(shí)際工程設(shè)計(jì)，假定池表面積560 m2，有效水深為4.5m；并假定填料均采用YDT彈性波紋立體填料，曝氣用鼓風(fēng)機(jī)均采用國產(chǎn)羅茨風(fēng)機(jī)，水下空氣管道采用ABS管材（水上空氣總管采用鋼管）。在此假定前提下，對可能用的兩種曝氣系統(tǒng)方案進(jìn)行了經(jīng)濟(jì)上的比較與分析。

12、 3.1 曝氣系統(tǒng)造價比較 （1） 微孔曝氣系統(tǒng)的氣水比為0.7，總供氣量為2.8萬 m3/d。采用鼓風(fēng)機(jī)的額定空氣流量為19.4 m3/min，出口靜壓49kPa，配套電動機(jī)功率30kW。 空氣總管管徑300mm，采用鋼管。為曝氣均勻，將整個生物接觸氧化池分為四個曝氣區(qū)。位于生物接觸氧化池底部的布?xì)夤艿啦贾贸森h(huán)狀，管徑100mm，管道間距0.6m，采用ABS管。曝氣器采用膜片式微孔曝氣器，安裝于環(huán)狀布?xì)夤艿郎?，每個曝氣器的服務(wù)面積約0.5m2，共1200個曝氣器。 （2） 穿孔曝氣系統(tǒng)的氣水比為1，總供氣量為4萬m3/d。采用鼓風(fēng)機(jī)的額定空氣流量為27.8m3/min，出口靜壓49kPa，配

13、套電動機(jī)功率37kW。 空氣總管管徑350mm，采用鋼管。為曝氣均勻，位于生物接觸氧化池底部的穿孔曝氣管采取環(huán)路布置和曝氣管下彎配置方法。穿孔管采用ABS管，沿管道每隔25mm開孔，孔徑為23mm，管道間距為1.52.0m。 （3） 曝氣系統(tǒng)主要包括鼓風(fēng)機(jī)和管道系統(tǒng)（曝氣器、管道、管件、閥門、支撐、水平調(diào)節(jié)器等）。計(jì)算曝氣系統(tǒng)造價時，參照1999年上半年上海市的市場價格，再考慮相應(yīng)的安裝調(diào)試費(fèi)用，最后得出兩種曝氣系統(tǒng)的工程造價（未考慮利潤率）如下： 微孔曝氣系統(tǒng)：約60萬元；穿孔曝氣系統(tǒng)：約35萬元。 3.2 曝氣系統(tǒng)運(yùn)行成本比較 因?yàn)閮煞N曝氣系統(tǒng)的維護(hù)管理所需人工費(fèi)相近，所以主要考慮用電量的

14、差別。 參考上海市工業(yè)用電價格，設(shè)電價平均為0.7元/kW.h，并假定生物接觸氧化池每天24小時運(yùn)行。微孔曝氣系統(tǒng)所用電動機(jī)功率為30kW，每年耗電量262800kW.h，每年電費(fèi)約為18.4萬元；穿孔曝氣系統(tǒng)所用電動機(jī)功率為37kW，每年耗電量324120kW.h，每年電費(fèi)約為22.7萬元。所以兩種曝氣系統(tǒng)每年所需電費(fèi)相差約為4.3萬元。 由以上分析可知，微孔曝氣系統(tǒng)每年的運(yùn)行成本比穿孔曝氣系統(tǒng)約少4.3萬元。 3.3 曝氣系統(tǒng)對制水成本的增加 （1） 整個曝氣系統(tǒng)按15年折舊計(jì)算，為簡化起見，不考慮土建投資、貸款及利息，則曝氣系統(tǒng)的年折舊費(fèi)用為： 微孔曝氣系統(tǒng)：約4萬元/年； 穿孔曝氣系統(tǒng)：約2.3萬元/年。 （2） 曝氣系統(tǒng)所需運(yùn)行費(fèi)用主要包括電費(fèi)和人工費(fèi)，人工費(fèi)均按4.8萬元/年計(jì)算，所以年運(yùn)行費(fèi)用為： 微孔曝氣系統(tǒng)：約23.2萬元/年； 穿孔曝氣系統(tǒng)：約27.5萬元/年。 （3） 因生物接觸氧化池日產(chǎn)水量為4萬m3/d，