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1、第四节 曝气的原理、方法与设备,曝气的原理；曝气系统的设计计算；主要的曝气设备,有关曝气、供氧的基本概念,曝气作用：供氧、搅拌曝气方式：1.鼓风曝气系统 2.机械曝气装置（纵轴表面曝气机、横轴表面曝气器）3.鼓风+机械曝气系统曝气的原理与过程：需氧、供氧、曝气（供气）；标准供氧量与实际供氧量,一、曝气原理,双膜理论,双膜理论：污水生物处理领域中广泛应用的气体传递理论。这一理论的基本点可归纳如下：在曝气过程中，氧分子通过气、液界面由气相转移到液相的过程中（1）在气、液两相接触的界面两侧存在着处于层流的气膜和液膜，在其外侧分别是气相和液相的主体（紊流）。（2）在气、液两相中，不存在传质阻力，气体分
2、子从气相主体传递到液相主体的阻力，主要存在于气膜和液膜中。（3）在气膜中存在氧的分压梯度，液膜中存在氧的浓度梯度，都是氧转移的推动力。（4）气膜中氧分子的传递动力很小，界面处的溶解氧浓度值是氧分压为p条件下的饱和浓度值。（5）氧难溶于水，因此氧转移主要阻力主要来自液膜，O2通过液膜的转移速率是氧扩散转移全过程的控制速率。,在废水生物处理系统中，氧的传递速率可用下式表示：,式中：dm/dt氧传递速率，kgO2/h；Kg 氧分子在液膜中的扩散系数；A 气、液两相接触界面面积；s0 氧在界面上的饱和溶解氧浓度；0 氧在溶液中的实际溶解氧浓度。dm=Vd0（V：液相主体的容积），则上式可改写成：,式中
3、：d0/dt液相主体中溶解氧浓度变化速度，氧转移 速度kgO2/m3 h；,氧转移过程中的传递速率认为主要是界面上的饱和溶解氧浓度值(s0)与液相主体中的溶解氧浓度值(0)之差。,通常KgA/V项用KLa（总转移系数）来代替，由此上式变为：KLa：氧总转移系数，此值表示在曝气过程中氧的总转移性，当传递过程中阻力大，则KLa值低，反之则KLa值高。将上式进行积分，可求得总转移系数KLa：,当混合液中氧的浓度为零时，由于具有最大的推动力，因此氧的转移速率最大。,影响氧转移的主要因素,水质,=0.8 0.9,0.90.97,水温对氧转移速率有两种相反的影响，总的来说，水温降低有利于氧转移,修正系数、
4、值，可通过对清水、特定污水的曝气充氧试验予以测定。,不同温度下，蒸馏水中的饱和溶解氧浓度,氧分压,：影响饱和溶解氧浓度s0气压降低，饱和溶解氧也随之下降，反之则提高。因此，在气压不是标准大气压的地区，s0值应乘以压力修正系数,影响氧转移的主要因素,综合水质、水温以及分压因素的影响，氧转移速率的表达式为：,二、鼓风曝气系统的计算,标准氧转移速率指脱氧清水在20C和标准大气压条件下测得的氧转移速率，一般以R0表示（kgO2/h）；实际氧转移速率以城市废水或工业废水（实际水质）为研究对象，按当地实际情况（指水温、气压等）进行测定，所得到的是氧转移速率，以R表示，单位为kgO2/h。即：实际大气压与曝
5、气头安装水深 实际水温 实际的废水水质,氧的利用率（EA）：又称氧转移效率，是指通过鼓风曝气系统转移到混合液中的氧量占总供氧量的百分比（%）。,曝气的原理与过程,DO,CO2/H2O,压力、气量,1.鼓风曝气系统中平均饱和溶解氧（sm）的计算,由于鼓风曝气装置安装在池底，池内的s0值以空气扩散装置出口和曝气池表面两处饱和溶解氧浓度的平均值sm计算，即：,式中：Ot从曝气池逸出气体中含氧量的百分率，%；,EA氧利用率，是指通过鼓风曝气系统转移到混合液中的氧量占总供氧量的百分比（%），一般在6%12%之间；,P曝气池水面的大气压力，P1.013105 Pa；Pb安装曝气装置处的绝对压力；H曝气装置
6、距水面的距离，m。,在稳定条件下，曝气池中氧的实际转移速率应等于活性污泥微生物的需氧速率Rr()，即,2.氧转移速率和供气量的计算,结论：氧的实际转移量等于活性污泥需氧量意义：如果已知活性污泥微生物需氧量O2，也就知道了氧的实际需要的氧转移量。,2.1 氧转移速率的计算,2.1 氧转移速率的计算,标准条件下，转移到脱氧清水的总氧量（R0）：,实际条件下，转移到曝气池的总氧量（R）：（引入各项修正系数：压力、温度、水质），即：,2、氧转移速率和供气量的计算：,2.1 氧转移速率的计算,制造商提供的曝气设备的性能参数是在标准条件下测得的，因此以上算得的需氧量O2必须换算成标准条件下（水温20，标准
7、大气压的脱氧清水）的需氧量，以进行设备的选定。,2.2 供气量的计算,式中：EA氧利用率，通过鼓风曝气系统转移到混合液中的总氧量占供氧量的百分比（%），各种空气扩散装置在标准状态下的EA值，由厂家提供；S 供氧量，kgO2/h；21%氧在空气中的百分比；1.43 20C时氧的容积密度，kg/m3；Gs 供气量，m3/h。,2.2 供气量的计算,对于鼓风曝气系统，各种曝气装置的EA值是制造厂家通过清水试验测出的，随产品向用户提供；对于机械曝气系统，按求出的R0值，又称为充氧量，其与叶轮直径及其线速度有关，厂家也会向用户提供其设备的R0值。,2.3 曝气系统设计计算一般步骤,A鼓风曝气系统设计的一
8、般步骤：计算风量即供气量：求得需氧量O2,根据氧转移速率=需氧速率，则有 R=O2,确定鼓风机的风量,2.3 曝气系统设计的一般步骤,计算要求的风压（风机出口风压）：根据管路系统的沿程阻力、局部阻力、静水压力再加上一定的余量，得到所要求的最小风压。根据风量与风压选择合适的鼓风机。,B机械曝气系统设计的一般程序,充氧能力R0的计算：求得需氧量O2,R=O2,例题,某城镇污水处理厂，设计流量Q10000m3/d，原污水经初次沉淀池处理后BOD5150mg/l，采用活性污泥法处理，处理水BOD515mg/l。采用中微孔曝气盘作为曝气装置。混合液活性污泥浓度Xv=2000mg/l，曝气池出口处溶解氧0
9、=2mg/l，计算水温T=250C。有关参数为：a=0.5,b=0.1,=0.85,=0.95，=1.0，EA=10%经计算曝气池有效容积V3000m3，（空气扩散装置）曝气盘安装在水下4.5m处。求：(1)采用鼓风曝气时，所需的供气量Gs（m3/min）(2)采用表面机械曝气器时的充氧量R0(kgO2/h),解：,A鼓风曝气系统(1)计算需氧量：,（2）计算20C和25 C时曝气池内饱和溶解氧的平均值 sm：为此，确定式中各参数值：曝气装置出口处的绝对压力Pb：,气泡逸出曝气池表面时，氧的百分比Ot值：,查表得20C和25C时的饱和溶解氧浓度分别为：Cs(20)=9.17mg/L;Cs(25
10、)=8.38mg/L;有：,（3）标准供氧速率R0：,（4）计算供气量：,B.机械曝气器 求充氧能力R0：,查表得20C和25C时的饱和溶解氧浓度分别为：Cs(20)=9.17mg/L;Cs(25)=8.38mg/L;有：,三、曝气设备,定义：曝气系统，又称为空气扩散系统，是活性污泥处理系统的重要设备，也是活性污泥法设计中的重要组成部分。作用：将鼓风机输送来的压缩空气，通过管道系统进入空气扩散装置，利用空气扩散装置将空气粉碎成大小不一的气泡，气泡在上升的过程中将部分氧气转移到水中。曝气装置的分类：按曝气方式可以将其分为鼓风曝气装置和表面（机械）曝气装置两大类。,曝 气 设 备,衡量曝气设备的技
11、术性能指标,氧的利用率（EA）：又称氧转移效率，是指通过鼓风曝气系统转移到混合液中的氧量占总供氧量的百分比（%）；充氧能力（R0）：通过表面机械曝气装置在单位时间内转移到混合液中的氧量（kgO2/h）；动力效率（Ep）：每消耗1度电转移到混合液中的氧量（kgO2/kw.h）。,鼓风曝气,鼓风曝气装置组成及各组成作用,鼓风曝气,空气净化器,鼓 风 机,扩 散 器,空气输配管道系统,微孔曝气设备,鼓风曝气,空气净化器,鼓 风 机,扩 散 器,空气输配管系统,a.微气泡空气扩散装置,材料：由多孔性透气材料（陶粒、粗瓷、氧化铝、氧化硅或尼龙等）制成的扩散板、扩散盘和扩散管等；主要性能特点：能产生微小气
12、泡，形成的气泡直径在0.2mm以下（在200m以下者，为微孔），气、液接触面大，氧利用率高：EA 10%，EP=2 kgO2/kw.h以上；缺点：易堵塞，扩散阻力大，空气需经空气净化器处理净化。,微气泡空气扩散装置结构：,扩散板：扩散板沟a；扩散板匣b 扩散管 固定式平板型微孔空气扩散器 固定式钟罩型微孔空气扩散器 膜片式微孔空气扩散器,扩散板,扩散管,扩散管：扩散管管径一般为60100mm，长度为500600mm。以组装形式安装，以812根管组装成一个管组，便于安装维修，布置形式如同扩散板。氧利用率约1013%，动力效率为2 kgO2/kw.h。,微孔曝气设备,b.中气泡型空气扩散装置,穿孔
13、管组成管径2550mm的钢管或塑料管制成；在管下部两侧呈45开孔，孔眼直径35mm，气泡直径为26mm，间距50100mm；为了避免孔眼阻塞，穿孔管孔眼的流速应10m/s。优点不易堵塞，构造简单，阻力小；氧利用率（EA）低，一般为68%（46%排水）；动力效率（EP）亦低，可达12 kgO2/kw.h；应用穿孔管扩散器多组装成栅格型，一般多用于浅层曝气法，浅层曝气可节省动力消耗，氧利用率只有2.5%，动力效率可达2 kgO2/kw.h。,b.中气泡型空气扩散装置,新型中气泡型空气扩散装置特点：不易堵塞，布气均匀，空气不需过滤处理；氧利用率较高，动力效率也高；构造简单，维护管理方便；应用：WM-
14、180型网状膜空气扩散装置（代表性产品）空气通过两次切割，形成微小气泡；动力效率为2.73.7 kgO2/kw.h；氧利用率为1215%；单个扩散器的服务面积为0.5m2左右。,c.大气泡型空气扩散装置,特点：释放气泡直径大于6mm，常用竖管。竖管直径1520mm，出口离池底15cm。构造简单，阻力损失小，不阻塞，但氧利用率低，在5%6%之间，动力效率约1 kgO2/kw.h。,d.水力剪切型空气扩散装置,原理：利用装置本身产生水力剪切作用的构造特点，将大气泡切割成小气泡，增加气、液接触面积，达到提高效率的目的。倒盆形曝气器 空气由上部进入，由壳体和橡胶板之间的缝隙向四周喷出，由于水力剪切作用
15、，气泡变小；停止曝气时，借助橡胶板的回弹力，缝隙自动封闭，可以防止混合液倒灌。EA=6.58.8%，Ep=1.752.88kgO2/kw.h,固定螺旋曝气器,工作过程：由圆形外壳和固定在内部的螺旋叶片组成，每个螺旋叶片的旋转角为180，相邻叶片的旋转方向相反；空气由底部进入，向上流动，产生提升作用，使混合液循环流动；空气泡在上升过程中，被叶片反复切割，形成小气泡；特点：阻力小，搅拌力强，EA（810%）；分为单螺旋、双螺旋、三螺旋等。,e.水力冲击式（射流式）曝气器,分类：自吸式和供气式原理：利用水泵射入的高速混合液水流，形成负压吸入大量空气，空气和混合液在喉管中强烈搅动，使气泡粉碎，继而在扩
16、散管内，细微气泡进一步压缩，氧迅速转移到混合液中。EA=20%以上，但动力效率不高;,特点：噪音小，无需鼓风机房；一般适用于小规模污水厂。,表面曝气装置的分类：,竖轴式表面曝气装置横轴式表面曝气装置,机械曝气装置 又称表面曝气装置,竖轴式机械曝气装置,泵型叶轮曝气器K型叶轮曝气器倒伞型叶轮曝气器平板型叶轮曝气器,K型叶轮曝气器,特点：最大叶轮可达4米，叶轮边缘的最大线速度可达4.56m/s，转速一般在20110r/min，Ep为23kgO2/kw.h,卧轴式机械曝气装置,主要有曝气转刷和曝气转盘，也称曝气转碟；主要应用于氧化沟（活性污泥法的变形工艺）；调节方便、维护简易、动力效率较高。,机械曝
17、气原理,水跃曝气机转动时，表面的混合液不断地从周边被抛向四周，形成水跃，液面被强烈搅动而卷入空气；提升曝气机具有提升作用，使混合液连续地上下循环流动，不断更新气液接触界面，强化气、液接触；负压吸气曝气器的转动，使其在一定部位形成负压区，而从空气中吸入氧气。,四、曝气池的类型与构造,曝气池的分类：根据曝气池内混合液的流态，可分为推流式、完全混合式和循环混合式三种；根据曝气方式，可分为鼓风曝气池、机械曝气池以及二者联合使用的机械鼓风曝气池；根据曝气池的形状，可分为长方廊道形、圆形、方形以及环状跑道形等四种；根据曝气池与二沉池之间的关系，可分为合建式（即曝气沉淀池）和分建式两种。,（1）廊道型的推流
18、式曝气池,多为采用鼓风曝气系统空气管道和空气扩散装置沿池长的一侧布置，废水和回流污泥从池的首端进入，从另一端流出。从池首到池尾，其F/M值、微生物的组成与数量、有机物的组成与数量等都在连续地变化；有机物的降解速率、耗氧速率也都连续地变化；活性污泥在池内是按微生物增长曲线的一条线段进行增长；,根据曝气池内混合液的流态进行分类,廊道的长度与宽度：廊道宽深比2：1，廊道的长度可达100m，但以5070m之间为宜；长与宽之比为510:1廊道的建筑要求：尽量共用空气管道和布水槽；池深35m，超高0.5m（氧转移和出口风压）；距池底1/2或1/3处设排水管，以备培养活性污泥用；池底设放空管及0.2%的坡度
19、，坡向放空管；进水多采用淹没孔口形式，出水多采用平顶堰形式。,（1）廊道型的推流式曝气池,（1）廊道型的推流式曝气池,废水一进入曝气池，即与池内原有混合液充分混合；在曝气池内，混合液组成、F/M值、微生物组成与数量等完全均匀一致；有机物的降解速率、耗氧速率等在池内各部位都是不变的；微生物在曝气池内的增殖速率是一定的，在增殖曲线上的位置是一个点。优点：稀释作用，能够承受高浓度废水，抗冲击负荷；需氧在整个池内的要求相同，能够节省动力；可与沉淀池合建（称曝气沉淀池：分曝气区、导流区、沉淀区），无需污泥回流系统，易于运行管理。,（2）完全混合式曝气池,完全混合式曝气池,合建式曝气沉淀池,分建式,曝气沉淀池：（合建式）,（3）循环混合式：（氧化沟）兼具推流和完全混合流态的曝气池 由一系列长方形单元连接而成的廊道式曝气池；每一单元设一台叶轮曝气器，每个单元是完全混合的。,
