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(duì)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(jià)、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(shí)，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

2、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(guó)，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(gè)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(duì)這兩種不同曝氣系統(tǒng)作了多方面的比較與分析。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

3、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(duì)中試裝置的清水充氧試驗(yàn)，對(duì)兩種不同曝氣方式的標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)充氧性能作了測(cè)試，并對(duì)以下幾項(xiàng)充氧性能評(píng)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)klas（h-1）曝氣器在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)(水溫20、1atm大氣壓強(qiáng))的測(cè)試條件下，在單位傳質(zhì)推動(dòng)力作用時(shí)，單位時(shí)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(cè)定時(shí)的實(shí)際水溫（

4、）。 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(shí)間（以min計(jì)）所測(cè)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(cè)試條件下,單位體積內(nèi)氧氣的轉(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(jiǎn)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(cè)試條件下

5、，單位時(shí)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(cè)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） 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(dòng)力效率ep（kgo2/kw.h）曝氣器在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)的測(cè)試條件下消耗1kw.h

6、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(cè)試裝置：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(jí)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)

7、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(dòng)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(cè)定。 試驗(yàn)條件和測(cè)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(hào) 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 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

8、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

9、和dc/dt值高于b型。（2） 一個(gè)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(dòng)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(cè)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(cè)點(diǎn)位置 原水 a型第一級(jí) a型第二級(jí) b型 do(mg/l) <0.5 >6.0 >7.0 4.0 由表2可知

10、，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(píng)價(jià)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。 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(guó)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(duì)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。 3.1 曝氣系統(tǒng)造價(jià)比較

11、 （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(dòng)機(jī)功率30kw。 空氣總管管徑300mm，采用鋼管。為曝氣均勻，將整個(gè)生物接觸氧化池分為四個(gè)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(gè)曝氣器的服務(wù)面積約0.5m2，共1200個(gè)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，配套電動(dòng)機(jī)功率37kw。 空

12、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(jià)時(shí)，參照1999年上半年上海市的市場(chǎng)價(jià)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(jià)（未考慮利潤(rùn)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差別。 參考上海市工業(yè)用電

13、價(jià)格，設(shè)電價(jià)平均為0.7元/kw.h，并假定生物接觸氧化池每天24小時(shí)運(yùn)行。微孔曝氣系統(tǒng)所用電動(dòng)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(dòng)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(duì)制水成本的增加 （1） 整個(gè)曝氣系統(tǒng)按15年折舊計(jì)算，為簡(jiǎn)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

14、） 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，年產(chǎn)水量為1460萬m3/年，所以曝氣系統(tǒng)對(duì)制水成本的增加為： 微孔曝氣系統(tǒng)：（423.2）/1460=0.0186元/m3水，約1.86分/m3水； 穿孔曝氣系統(tǒng)：（2.327.5）/1460=0.0204元/m3水，約2.04分/m3水。 4 曝氣系統(tǒng)的運(yùn)行管理 曝氣系統(tǒng)的正常運(yùn)行依賴于曝氣系統(tǒng)的使用壽命和日常維護(hù)。（1） 微孔曝氣系統(tǒng)正常運(yùn)行的關(guān)鍵在于微孔曝氣器的正確選用。隨

15、著科技的發(fā)展，在目前的工程應(yīng)用中，曝氣器支承盤多采用abs工程塑料，布?xì)饽て嗖捎酶叻肿泳酆衔锘蛱砑恿嗽鰪?qiáng)劑的橡膠，取代了原有的鈦板或陶瓷板曝氣的微孔曝氣器。布?xì)饽て膬?nèi)外表面很光滑，不會(huì)產(chǎn)生金屬氧化物，不易固著生物膜，并有很好的耐酸耐堿性能。布?xì)饽て系臍饪卓呻S氣量的增減而可大可小，從而使曝氣變得更加均勻，同時(shí)也防止了堵塞。由于布?xì)饽て哂幸欢ǖ膹椥?，曝氣器在充氧曝氣時(shí)，布?xì)饽て澳て系奈⒖自跉怏w的作用下能自行鼓脹掙開，以確保氣體可從微孔中通過，在停止曝氣時(shí)，布?xì)饽て系奈⒖壮书]合狀態(tài)。由于布?xì)饽て哂袕椥约拔⒖卓勺孕袛U(kuò)張和收縮，避免了以往曝氣器微孔容易受堵的現(xiàn)象。 其缺陷在于：生產(chǎn)微孔曝

16、氣器的廠家較多，其產(chǎn)品質(zhì)量良莠不齊。如果曝氣器布?xì)饽て牟馁|(zhì)和加工質(zhì)量不過關(guān)，會(huì)導(dǎo)致在使用過程中出現(xiàn)布?xì)饽て茡p的情況。在已有的生產(chǎn)性給水生物接觸氧化池中，有的水廠連續(xù)運(yùn)行三年以上，未出現(xiàn)過布?xì)饽て茡p的情況；但也有個(gè)別水廠在不到一年的運(yùn)行時(shí)間內(nèi)，就有少數(shù)曝氣器的布?xì)饽て霈F(xiàn)破損。由于曝氣器安裝在填料的下方，更換檢修較為困難，所以對(duì)曝氣器的質(zhì)量提出了嚴(yán)格的要求。（2）穿孔曝氣系統(tǒng)直接在空氣管道上開孔曝氣，所以不存在上述微孔曝氣系統(tǒng)存在的膜片破損問題。給水工程中，穿孔曝氣管孔眼直徑一般為3mm，也有工程采用12mm孔眼直徑。盡管在污水處理中，穿孔曝氣管多采用3mm孔眼直徑，且較少有曝氣不均勻和堵

17、塞現(xiàn)象。但在給水處理中，因?yàn)闅馑群推貧鈴?qiáng)度遠(yuǎn)小于污水處理，所以在池表面積較大的情況下，其曝氣均勻性較難控制。并且在長(zhǎng)期使用時(shí)，曝氣管內(nèi)和孔眼處容易固著生物膜，產(chǎn)生生物粘垢，最終可能導(dǎo)致某些孔眼和局部管道堵塞。在停止曝氣時(shí)，因孔眼不能閉合，在水力靜壓作用下，底泥可能通過孔眼進(jìn)入曝氣管，也容易造成某些孔眼和局部管道堵塞。由于曝氣管安裝在填料的下方，更換檢修較為困難，所以在給水工程應(yīng)用中，如何解決大面積、小曝氣強(qiáng)度的穿孔曝氣系統(tǒng)的曝氣不均勻性和堵塞問題，是一個(gè)有待于深入研究的課題。 5 結(jié)語 通過對(duì)微孔曝氣系統(tǒng)和穿孔曝氣系統(tǒng)的綜合比較，可認(rèn)為： （1） 在充氧性能方面，微孔曝氣系統(tǒng)明顯優(yōu)于穿孔曝氣

18、系統(tǒng)。就文中所述的五項(xiàng)充氧性能評(píng)定指標(biāo)而言，前者較后者均有所提高，其氧的總轉(zhuǎn)移系數(shù)、氧利用率、充氧動(dòng)力效率可提高5060。 （2） 在經(jīng)濟(jì)比較上，盡管微孔曝氣系統(tǒng)的造價(jià)高于穿孔曝氣系統(tǒng)，但由于前者耗電量較低，微孔曝氣系統(tǒng)對(duì)制水成本的增加低于穿孔曝氣系統(tǒng)約0.10.2分/m3水。 （3） 在運(yùn)行管理方面，兩種曝氣系統(tǒng)各有優(yōu)勢(shì)。微孔曝氣系統(tǒng)采用微孔曝氣器曝氣，一般不存在孔眼和管道堵塞的問題，但由于有的布?xì)饽て赡芷茡p，對(duì)曝氣器的質(zhì)量要求較高；穿孔曝氣系統(tǒng)采用穿孔管曝氣，管道一般不會(huì)破損，但由于給水生物處理中曝氣強(qiáng)度一般較小，易存在曝氣均勻性較差及孔眼和局部管道堵塞的問題。 一般來說，在給水生物接觸氧化法的工程實(shí)