分散式污水工藝跌水曝氣裝置設(shè)計與充氧性能試驗研究

分散式污水工藝跌水曝氣裝置設(shè)計與充氧性能試驗研究

在郊區(qū)村莊、城市郊區(qū)、分散分布的村莊和其他地區(qū)，很難覆蓋城市排水管網(wǎng)，進行集中收集和處理，需要根據(jù)土地情況建立分散式廢水處理系統(tǒng)。但目前分散式污水處理工藝存在著能耗高、運行費用高等問題，困擾其可持續(xù)的運行與維護，據(jù)統(tǒng)計跌水曝氣是指采用自然或人為方式形成高低水位差，使高位水自由跌落向低位水進行充氧的一種曝氣方式。水流在跌落過程中，勢能不斷轉(zhuǎn)化為動能，形成一定水躍。根據(jù)水流流量不同形成水滴、水幕、水柱等形態(tài)，并劇烈紊動，帶動空氣中的氧氣向低位水體轉(zhuǎn)移，氧氣由氣相轉(zhuǎn)移至液相，從而使低位水體溶解氧濃度迅速增加，形成自然充氧狀態(tài)本文以“雙模理論”為理論依據(jù)，設(shè)計了一套跌水曝氣裝置，并考察了跌水紊流穿孔板設(shè)置、跌水流量、跌水高度、進水COD濃度等因素對充氧性能的影響，以期為跌水曝氣工藝技術(shù)的應(yīng)用提供一定參考依據(jù)。1材料和方法1.1效容積、支架設(shè)計的跌水曝氣裝置由配水池、跌水池、支架、跌水板、穿孔條、卡槽、三角溢流堰等部分組成，其中配水池、跌水池有效容積分別為6L、60L，跌水板上配有3組卡槽，用于更換不同孔徑的穿孔條。支架主要用于固定并調(diào)整配水池高度來改變跌水高度。試驗過程中，水流通過三角溢流堰由配水池進入跌水組件，通過跌水紊流穿孔板進行跌水，而后高空進入低位跌水池，再由蠕動泵抽回配水池，改變?nèi)鋭颖棉D(zhuǎn)速大小調(diào)節(jié)跌水流量。裝置由有機玻璃制成，具體見圖1和圖2。1.2預處理對水中溶解氧的影響試驗采用靜態(tài)啟動，開始前在低位跌水池中注入一定量的水，將溶解氧儀探頭放置水中固定位點，待溶解氧儀讀數(shù)降低至0.5mg/L以下，且保持2min時長的讀數(shù)基本穩(wěn)定，計時為0時刻，啟動蠕動泵開展試驗，記錄水中溶解氧濃度10min/次。相鄰2組溶解氧數(shù)據(jù)變化幅度<0.1mg/L時，即認為水中溶解氧達到飽和，停止試驗。試驗分為清水曝氣充氧性能試驗和污水曝氣充氧性能試驗。在試驗開展前，清水曝氣充氧性能試驗須在水中添加一定量的脫氧劑（亞硫酸鈉）和催化劑（六水氯化鈷）以消除水中殘余溶解氧。由于采用亞硫酸鈉化學消氧法，將導致清水中總固體溶解量（TDS）增加，影響試驗結(jié)果，因而依據(jù)《微孔曝氣器清水氧傳質(zhì)性能測定》（CJ/T475-2015)試驗通過分別改變跌水流量Q(Q=180、240、300、360、420mL/min）、跌水紊流穿孔板直徑D(D=2.5、5、7.5、10mm）、跌水高度H(H=40、55、60、70、85、100cm）探究參數(shù)變化對清水跌水曝氣充氧性能響應(yīng)；通過分別改變水體COD濃度（COD=216、303、398、475、562mg/L）、跌水高度H(H=40、55、60、70、85、100cm）探究參數(shù)變化對污水跌水曝氣充氧性能響應(yīng)。研究1.3氧傳遞過程c基于1923年由Lewis和Whitman提出的“雙膜理論”(1）水中存在耗氧物質(zhì)（好氧微生物、浮游生物等），一定條件下，氧傳遞過程為：式（1）中，K其中存在穩(wěn)定狀態(tài)，即當水體中耗氧速率等于供氧速率時，(2）水中不存在耗氧物質(zhì)（好氧微生物、浮游生物等），即耗氧速率R=0，一定條件下，氧傳遞過程為：兩邊同時積分，整理得：由于清水充氧試驗中不考慮耗氧物質(zhì)，根據(jù)式（3）分別以ln(C式（4）中，K污水中因含有多種雜質(zhì)，K2結(jié)果與討論2.1游泳測試通過改變跌水紊流穿孔板、跌水流量、跌水高度等因素，研究其對清水充氧效率的響應(yīng)。2.1.1穿孔板的穿孔對充氧性能的影響跌水紊流穿孔板孔徑與K2.1.2歷史上充氧效率與漲水流量的關(guān)系跌水流量與K當?shù)髁吭黾?，充氧效率隨之增大，這與王左良為進一步研究跌水流量與充氧效率關(guān)系，試驗數(shù)據(jù)采用Origin進行擬合，分別得到不同穿孔板孔徑下Q與K由表1得跌水流量與充氧效率的基本函數(shù)關(guān)系式為K取任一數(shù)據(jù)點（Q,K同時，無跌水紊流穿孔板條件下，Q與K2.1.3歷史上充氧性能變化在最佳孔徑（D=5mm）及流量（Q=240mL/min）條件下，對比有無跌水紊流穿孔板組件，研究跌水高度變化對跌水曝氣充氧性能的響應(yīng)。跌水高度與K對試驗數(shù)據(jù)采用Origin進行擬合，分別得到有無穿孔板孔徑下跌水高度H與K參照氣泡曝氣無跌水紊流穿孔板K2.2廢水充氧試驗2.2.1cod濃度對充氧性能的影響進水COD濃度與K通過試驗測得污水中相應(yīng)的C2.2.2滴水高度對充氧性能的影響跌水高度與K與清水充氧試驗相比，相同跌水高度下污水中對應(yīng)的K通過試驗測得污水中相應(yīng)K3歷史上充氧效率與漲水流量、高度變化對氧轉(zhuǎn)移修正系數(shù)的影響(1）清水充氧試驗中，在跌水高度40cm，跌水深度20cm，跌水板傾角0°，跌水流量范圍（180～360mL/min）內(nèi)，有跌水紊流穿孔板充試驗組的充氧效率明顯高于無跌水紊流穿孔板的試驗組，并且在試驗穿孔板孔徑范圍（2.5～10mm）內(nèi)，5mm的跌水紊流穿孔板充氧效率最高。同時，在其他條件不變的情況下，在跌水流量（180～360mL/min）、跌水高度（40～100cm）范圍內(nèi)，充氧效率與跌水流量、高度成正比，跌水流量為240mL/min時，跌水曝氣效率增長率最高。(3）污水充氧試驗中，充氧效率與進水COD濃度成反比，隨COD濃度的升高，修正系數(shù)α降低明顯，但β基本無變化。隨著跌水高度的增加，充氧效率增高但增長率較為緩慢，當?shù)叨葹?5cm時，氧總轉(zhuǎn)移修正系數(shù)α以及氧轉(zhuǎn)移增長率都為最大。通過改變COD濃度、跌水高度等因素，研究其對氧總轉(zhuǎn)移修正系數(shù)α在最佳孔徑（D=5mm）及流量（Q=240mL/min）條件下，保持其余初始條件不變，研究COD濃度（200～600mg/L）變化對跌水曝氣充氧性能的響應(yīng)。在最佳孔徑（D=5mm）、流量（Q=240mL/min）以