鼓风曝气系统的计算、设计及曝气器工作原理VIP

鼓风曝气系统的计算、设计及曝气器工作原理关键词:鼓风曝气系统曝气器设计思路计算实例自然界中的生物现象无所不在～对于进入水体中的有机物～水体中的微生物一般都可以和其发生反应～一部分被微生物吸收的有机物分解成简单的无机物～同时释放出能量～作为微生物自身生命活动的能量。另一部分有机物则作为其生长繁殖所需要的构成物质～合成新的原生质。废水的生物处理就是人为地营造一个适于微生物生长的环境～以非常高的微生物浓度消化有机污染物～为了达到这个目的～保证微生物的正常生长～就要满足微生物的生长条件。在好氧生物法中～供氧是重要的环节,保证高浓度的微生物生长对氧的要求～要有一个曝气系统。废水处理有化学方法和生物处理之分～现在的研究及生产实践多侧重于生物处理～以有机污染物作为微生物的食料～达到消耗去除掉的目的～完成有机物的形态转变,在生物处理中有好氧生物处理法和厌氧生物处理法之分。一、一、鼓风曝气系统的目的:在生物好氧处理废水法中～由于生物需氧～必须对水体鼓风送氧～保证处理目的的达到～并起到搅拌作用。二、曝气系统的组成:鼓风曝气系统由空压机、空气扩散装置和一系列连通的管道所组成,可以细分为:风机、主风管、干管、支管、曝气器、底座、支撑～还有清洗系统。设计中包括:风机、风机房、风管系统、空气扩散装置,曝气头,～并进行布置。,溶解于水中氧以分子态氧存在～见《医院污水处理》p62,三、三、气器工作原理:在曝气系统中最主要的是空气扩散器也称为曝气器。空压机将空气通过一系列管道输送到安装在池底部的空气扩散装置～经过扩散装置～使空气形成不同尺寸的气泡。气泡在扩散装置出口出形成～尺寸则取决于空气扩散装置的形式～气泡经过上升和随水循环流动～最后在液面处破裂～在这一过程中产生氧向混合液中转移的作用。曝气器分为许多种～包括大、小气泡曝气器、曝气管、射流曝气器。现在比较先进的是微孔曝气器～它的工作原理是利用特制的曝气膜片产生的微小气泡～造成较大的气液接触面积～获得较高的氧利用率。曝气器工作的目的:氧转移和搅拌水质。为了更好的达到这个目的～必须先了解曝气原理～根据双膜理论归纳为:氧传递动力是液膜中得氧浓度差～气膜的氧分压梯度,阻力来自液膜。对于曝气器来说～即要求有小的气泡～保证大的接触面积～又要有足够大的气泡以完成对水质搅拌作用～同时～要考虑高效、安全、简易、使用、维护方便～等要求～形成了曝气器设计理论体系～而曝气器工作原理是设计理论的直观体现～通过工作实现设计目地～达到设计理论的要求,曝气器工作原理是在曝气器通气情况下～由曝气器的特殊结构气泡～与水体混合～达到传递氧的目的。曝气理论:气体分子通过气膜和液膜的传递理论～为污水生物处理科技界所接受的是刘易斯,Lewis,和怀特曼,Whitman,于1923年建立的“双膜理论”。这一理论的基本点可归纳如下:1、气、液两相接触的界面两侧存在着处于层流状态的气膜和液膜～在其外侧则分别为气相主体和液相主体～两个主体均处于紊流状态。气体分子以分子扩散方式从气相主体通过气膜与液膜而进入液相主体。2、由于气、液两相的主体均处于紊流状态～其中物质浓度基本上是均匀的～不存在浓度差～也不存在传质阻力～气体分子从气体主体传递到液相主体～阻力仅存在于气、液两层层流膜中。3、气膜中存在着氧的分压梯度～在液膜中存在着氧的浓度梯度～它们是氧转移的推动力。、氧难溶于水～因此～氧转移决定性的阻力又集中在液膜上～因此～氧分4子通过液膜是氧转移过程的控制步骤～通过液膜的转移速率是氧转移过程的控制速率。四、四、设计思路:1、整体设计思路。A、A、首先要了解鼓风曝器系统的组成～原理～参数选择等一些相关知识～鼓风曝气和表面机械曝气的各自优缺点。B、B、工艺设计～根据要求～结合废水条件及其他要求～选择最合适的处理工艺,完善实施该工艺所用到的各种设备～各单元操作状态、设备要求。C、C、根据对曝气系统的要求～比较选择合适的池型～处理方式。D、D、针对该种处理方式确定相关工艺参数。E、E、选定鼓风曝气系统～进行曝气系统的计算。2、活性污泥曝气系统与空气扩散装置的设计、计算～大致包括这样几个主要方面:选定曝气方式、需氧量和供氧量的计算、曝气系统的设计和计算。F、F、需氧量、供氧量计算。需氧量计算,Ro=a’QSa+b’VXva’——平均转化1Kg的BOD的需氧量,Kg/Kg,b’——微生物,以VSSJ计,自身氧化的需氧量,Kg/Kg*d,3Q——处理废水量m/dSr——BOD去除浓度mg/L3V——曝器池容积m3X——污泥浓度Kg/m以VSS表示,VSS表示每千克活性污泥,氧饱和度计算:Csm=Cs×(Ot/42+P/2.206×105)bO=21×(1-Ea)/[79+21×(1-Ea)]t-3P=P+9.81×10×Hb式中:Csm—扩散器出口和混合液表面两处饱和溶氧浓度平均值mg/LO—从曝气池逸出气体中氧含量的百分率%tEa—氧吸收率%P—扩散器出口处的绝对压力MPabH—曝气器浸入水深m在这个公式中有这样一个假设～认为水体混合均匀～Csm算得是平均值。另外Csw=βρCsm式中β——废水饱和溶解氧的修正值,?1～β=Csm/Csρ——压力修正系数～在设备运行地的大气压不足标准值时～需要对饱和溶解氧校正。最大需氧量和曝气设备转移到脱氧净水的氧量和实际供氧量是一个概念的不同提法。曝气设备转移到脱氧净水的氧量为:式中:θ——曝气池实际运行温度。No——曝气设备转移到脱氧净水的氧量实际供气量Gs=S/(1.43×0.21)=No/(0.3×Ea)式中:S——实际供氧量,Kg/h,Ea——曝气设备氧转移效率31.1.43×0.21——1.43为氧气容重,kg/m,,0.21为空气中氧的体积百分含量空气扩散装置的各项参数～一般都由该装置的生产厂家提供～使用单位在使用过程中加以校核。G、G、鼓风曝器系统的计算与设计空气扩散器的选定～并对其进行布置在选定空气扩散器时～要考虑这些因素:空气扩散装置应有较高的氧利用率和动力效率～具有较好的节能效果,不易堵塞～出现故障方便排除～便于维护管理,构造简单～便于安装～工程造价机装置本身成本都较低,还要考虑废水水质、地区条件以及曝气池型、水深等。以曝气器的通气量、服务面积、曝气池低面积等数据～计算曝气器的数目～并对其进行布置。曝气器个数计算在以服务面积为参数计算中～对于这个参数现在局限于定性的分析～不能做到定量～这样不能很好的校核计算的正确性。而且对于曝气过程中的搅拌作用无法体现～参看一些进口的曝气器设备参数～已经没有了服务面积这个指标,应此我认为以每个曝气器的通气量来计算个数更为合理～而且可以通过特性曲线图很方便的进行核算～看到设计点处于特性曲线的什么位置～是否能达到设计要求～调节参数。具体计算实例见第六部分空气扩散装置在池底的布置形式有:沿池壁一侧布置,扩散装置相互垂直呈正交式布置,呈梅花形交错布置。根据对曝气的特殊要求～可以采用均布或者渐减式布气方式～满足由于处理工艺、池形的不同对需氧量在不同地方的要求～使设计达到要求～有不出现对工程投入和运行费用的浪费。H、H、管道计算,空气管道的流速～干、支管为10~~15m/s～通向空气扩散装置的竖管、小支管为4~~5m/s。空气管道和空气扩散器装置的压力损失～一般控制在14.7kPa以内～其中空气管道总损失控制在4.9kPa以内～空气扩散装置的阻力损失为4.9~~9.8kPa。空气管道计算～根据流量、流速按排水手册选定管径～然后在核算压力损失～调整管径。I、I、管道的布置及优化。管道布置:小型废水处理站的空气管道系统一般位枝状～而大、中型废水处理厂则宜于联成环状～以保证供气安全。空气管道一般敷设在地面上～接入曝气池的管道～应高出池水面0.5m,以免产生回水现象。J、J、鼓风机的选定与鼓风机房的设计根据每台空压机的设计风量和风压～结合设计曝气池的水深和计算的风量～选择空压机。各式罗茨空压机、离心式空压机、通风机等都可用于活性污泥系统。定容式罗茨空压机噪声大～应采用消声措施～一般用于种、小型废水处理厂。离心式空压机噪声较小～效率较高～适用于大、中型废水处理厂。在统一供气系统中～应尽量选用同一型号得空压机。空压机的备用台数:工作空压机?3台时～备用一台,工作空压机?4台～备用2台。每台空压机应单设双电源～供电设备的容量应按全部机组同时启动式的负荷设计。每台空压机应单设基础～基础间距应在1.5m以上。空压机房一般包括机械间、配电室、进风室,设空气净化设备,、值班室～值班室与机械间应有隔音设备和观察窗～还应设有自控设备。空压机房内、外应采取防止噪声的措施～使其符合《工业企业厂界噪声标准》,GB12348——90,和《城市区域环境噪声标准》,GB3096——93,。K、K、附件设计。管路的支撑设备～排冷凝液管～清洗管路。通过这些设计计算就可以初步设计完成曝器系统的设计。六、六、在学习过程中感觉比较迷惑的问题a)a)曝气器个数的计算方法我认为以单个曝气器的通气量来计算～资料上以服务面积来计算。严老师观点:以服务面积计算～而且在设计中不需要校核～在选用曝气器时要校核厂家提供的氧转移率参数～在设计中直接选用就行了。我不同以这样的观点～但在设计中会用服务面积来计算曝气器个数。b)b)搅拌作用与氧转移率关系33如果搅拌起到混合水质作用需要的气量在0.1~~0.3m气/m水就行了～而满足供氧要求的气量远大于这个值～所以只要满足需氧量的要求～完全能达到搅拌的目的。这是严老师的意见～我没有异议。c)c)水深对氧转移率的影响现行的表面曝气理论和深井曝气理论～在目前学术界没有定论～无法判断谁好。浅层曝气理论认为:气泡只有在其形成与破碎的一瞬间～有着最高的氧转率～而与其在液体中移动高度无关。气泡在形成时～由于浓差大～氧转移率比穿过水层逸升时高达数倍～即气泡形成时水中氧的转移率为最大～半秒种后降到1/10。而深井曝气理论认为:气液紊流大～液膜更新快～且气液接触时间长～溶解氧饱和度高。表面曝气理论侧重于对同时浅层曝气理论认为:气泡只有在其形成与破碎的一瞬间～有着最高的氧转率～而与其在液体中移动高度无关。气泡在形成时～由于浓差大～氧转移率比穿过水层逸升时高达数倍～即气泡形成时水中氧的转移率为最大～半秒种后降到1/10。而深井曝气理论认为:气液紊流大～液膜更新快～且气液接触时间长～溶解氧饱和度高。气泡产生、破裂瞬间的研究～而且提出的仅式氧转移率的变化～对于氧转移的量没有说明～是否会在气泡上升的过程中由于时间远大于气泡产生、破裂的时间～在氧转移量上会很大,深井理论侧重于氧风压的变化～对氧转移率的影响～表述了气泡上升的时间很长～界面接触时间长～在上升过程中不断有界面的更新～会加大容氧量。现在工业上的纯氧曝气池式加盖的～可加盖的目的是为了防止氧气外溢和可燃气体进入～在操作上池内气压略高于池外的以防池外空气渗入。没有关于氧利用率的讨论。以目前的现状～我所设计的曝气器试验装置是不能用的。找不到可以被认同的理论根据。d)d)服务面积的定性分析对于服务面积理论上是通过实验测的～在试验过程中可以采用目测或者仪器测定的方法～以曝气器的中心为圆心～以容氧仪探头向外测定水体氧量的变化～设定以中心处含氧量的90%左右为服务面积的边界～同时认为服务面积是与曝气器同心的圆～测定这个值～即为服务面积,服务面积的值是一个范围值～应该说测定的条件是同一的～这说明是个工程概念～表示一种相对的状态～在这个范围内最好～靠上限或下限也可以～只是运行效果可能差些。服务面积与气量的关系现在还没有可以计算的函数时～处于研究阶段。e)e)有关需氧量计算时的两种提法在《排水工程》中指微生物对有机物的氧化分解和自身氧化两个过程。在《废水处理工程》中指:由于废水有机物只有一部分被氧化降解～另一部分转化为新的有机物～合成为新细胞的有机物作为剩余污泥排出～并不消耗水中的溶解氧～因此理论耗氧量应为有机物降解的耗氧量减去转化为有机物耗氧量。仔细分析一下:前一种提法对不设沉降池合用～后一种提法是对快速曝气说的。严老是没有作评论。f)对于动力效率的看法f)严老师观点:认为在目前没有一个可以信赖的国家标准测定的地方～所以在产品上出现的数据可信度不高～而且现在的提法不完善～缺乏可操作性。七、七、计算实例对一个油脂厂的曝气系统(只到曝气头个数计算)对于一个10×10×5(长×宽×高,单位:m)～蓄水量为450T的生化池～污水条件:COD=4700mg/L～生化水,出水,COD=120mg/L,TSS=1.5mg/100ml干泥含量0.6516g/100ml～2BOD=COD～以BOD利用率90%计计算如下:需消耗的BOD为BOD’=1/2,4700-120,×90%=2061mg/l污泥浓度:,干泥中含70~~80%活性污泥,X=6516×0.75=4887mg/l由于被去出的BOD种～一部分被氧化分解～另一部分被转化成别的原生质～而二种过程都需要消耗氧～曝气持续氧量为:Ro=a’QSa+b’VXva’——平均转化1Kg的BOD的需氧量,Kg/Kg,b’——微生物,以VSSJ计,自身氧化的需氧量,Kg/Kg×d,有标重茬的油脂污水a’=0.5b’=0.123Q——处理废水量m/dSr——BOD去除浓度mg/L3V——曝器池容积m3X——污泥浓度Kg/m以VSS表示,VSS表示每千克活性污泥,-3-3则Ro=0.5×5×2061×10+0.12×450×4887×10=13.14Kg/h系数校核:由于在废水中含有盐类影响氧在水中的饱和度(Cs)～废水Cs值用清水Cs乘以β来修正～β值一般介于0.9~~0.97之间。5对氧分压修正对于大气压不是1.013×10Pa的地区～Cs值应乘以压力修5正系数～设为ρ～即ρ=所在地区实际气压/,1.013×10,水深的影响氧饱和度计算:Csm=Cs×(Ot/42+P/2.206×105),20,(20)bO=21×(1-Ea)/[79+21×(1-Ea)]t3P=P+9.81×10×Hb式中:Csm—扩散器出口和混合液表面两处饱和溶氧浓度,20,平均值mg/LO—从曝气池逸出气体中氧含量的百分率%tEa—氧吸收率%P—扩散器出口处的绝对压力MPabH—曝气器浸入水深m335则:P=101×10+9.81×10×4.5=1.4515×10Pab同时应考虑管道阻力对压力的影响～一般管道对压降损耗为3~~5%5故:1.4515×105P==1.512×10Pa96%(在一些工程计算种～没有考虑压降的影响～在后面的计算中发现数据差别很小)空气离开曝气池时～氧的百分比为:O=21×(1-Ea)/[79+21×(1-Ea)]tEa——氧转移率～对中微孔空气扩散器～取值10%则:21×(1-0.1)O==19.31%t79+21×(1-0.1)查表得:水肿溶解氧饱和度:Cs=9.17mg/l(20)0设:计算温度为20C曝气池中平均氧饱和度的计算:51.512×1019.31Csm=9.17×,+,=11.095,20,52.206×1042由:C=βρCsw()sm(20)θ式中:β——废水饱和溶解氧的修正值,?1～β=Csm/Cs,ρ——压力修正系数～在设备运行地的大气压不足标准值时～需要对饱和溶解氧校正。,此处不需校核,C=0.9×1×11.095=9.9855sw()θ曝气设备转移到脱氧净水的氧量为:RoCsm(20)No=θ-20(C-C)×1.024αsw()θ式中:θ——曝气池实际运行温度。C——混合液溶解氧～当混合液在15~~30?时,保持在1.0~~1.5mg/lα——因混合液含污泥颗粒而降低传递系数的修正值,1此处取为0.5No——曝气设备转移到脱氧净水的氧量13.14×11.095No==32.4497Kg/h20-20(9.9855-1.0)×0.5×1.024实际供气量Gs=S/(1.43×0.21)=No/(0.3×Ea)式中:S——实际供氧量,Kg/h,Ea——曝气设备氧转移效率3Gs=32.4497/(0.3×0.1)=1081.16m/h风机轴功率计算:VHNf=3600×9.81×102×η×