高海拔城市污水處理廠表曝機供氣量計算

劉奕

（中國瑞林工程技術(shù)有限公司,江西南昌 330031）

高海拔城市污水處理廠表曝機供氣量計算

劉奕

（中國瑞林工程技術(shù)有限公司,江西南昌 330031）

高海拔地區(qū)氣溫和氣壓較低、水中飽和溶解氧濃度低、空氣中氧含量低,在污水處理廠供氣量計算上存在一定的特殊性。本文結(jié)合國外某高海拔城市污水處理廠氧化溝工藝的設(shè)計實踐,對高海拔地區(qū)表曝機供氣量的計算方法進行了總結(jié),提出了計算要點和需要注意的問題。

高海拔地區(qū)；氧化溝；表曝機；氧轉(zhuǎn)移速率；供氣量計算

現(xiàn)行的給排水設(shè)計手冊和設(shè)計規(guī)范對污水處理廠曝氣裝置的氧轉(zhuǎn)移速率和供氣量計算給出了常規(guī)的計算方法和公式,對污水處理廠的設(shè)計起著指導(dǎo)性的作用。但在實際工程中,尤其在高海拔地區(qū)污水處理廠供氣量的計算過程中,原有公式對供氣量計算的主要影響因素（溫度和氣壓）的影響闡述不是十分詳盡,適用條件也不夠清晰,實際應(yīng)用中可能產(chǎn)生計算結(jié)果與實際需要不符,導(dǎo)致污水處理廠運行時出現(xiàn)曝氣裝置能力過大或供氣不足的情況發(fā)生,本文結(jié)合國外某高海拔城市污水處理廠氧化溝工藝的設(shè)計實踐,針對高海拔地區(qū)機械曝氣供氣量的計算方法進行詳細的分析和總結(jié)。

1　氧化溝及表曝機的工作原理

活性污泥法是目前城市污水處理廠應(yīng)用最為廣泛的一種污水好氧生物處理技術(shù)。氧化溝作為一種活性污泥處理系統(tǒng)是通過曝氣裝置向水中供氣,以達到供氧目的,提高水中溶解氧（DO）的濃度,從而使污水中的活性污泥（微生物）與空氣充分混合；活性污泥通過吸收污水中的氧及有機污染物維持活性并世代繁衍,最終達到降低水中污染物濃度的目的,滿足出水指標(biāo)要求。氧化溝池體呈封閉的溝渠型,在水力流態(tài)上不同于傳統(tǒng)的活性污泥法,它是一種首尾相連的循環(huán)流曝氣溝渠,又稱循環(huán)曝氣池。

表曝機是應(yīng)用于氧化溝工藝的主要曝氣設(shè)備,對氧化溝的處理效率、能耗及處理穩(wěn)定性有關(guān)鍵性的影響,其作用主要表現(xiàn)在4個方面：向水中供氧；推進水流前進,使水流在池內(nèi)作循環(huán)流動；保證溝內(nèi)活性污泥處于懸浮狀態(tài)；使氧、有機物、微生物充分混合。其曝氣原理為：1）水躍。曝氣機轉(zhuǎn)動時,表面的混合液不斷地從周邊被拋向四周,形成水躍,液面被強烈攪動而卷入空氣；2）提升。曝氣機具有提升作用,使混合液連續(xù)地上下循環(huán)流動,不斷更新氣液接觸界面,強化氣、液接觸；3）負壓吸氣。曝氣機的轉(zhuǎn)動使液體在一定部位形成負壓區(qū)而吸入空氣。

常規(guī)的氧化溝曝氣設(shè)備有橫軸曝氣裝置及豎軸曝氣裝置。橫軸曝氣裝置包括轉(zhuǎn)刷和轉(zhuǎn)碟曝氣機,通過刷片或碟片的旋轉(zhuǎn)沖擊水體,推動水體作水平層流,提供足夠的循環(huán)水流速度,同時進行充氧。豎軸曝氣裝置包括倒傘型葉輪、泵型葉輪和K型葉輪曝氣機,具有曝氣、攪拌、推流三合一功能。

2　氧轉(zhuǎn)移速率的換算

對于曝氣裝置的充氧能力,目前廣泛采用的測定方法是在清水中,用亞硫酸鈉和氧化鈷消氧,然后用擬定的曝氣裝置充氧,求出該裝置的氧總轉(zhuǎn)移系數(shù)KLa值和氧轉(zhuǎn)移速率值[1]。此氧轉(zhuǎn)移速率值(kgO2/h)是在1個標(biāo)準(zhǔn)大氣壓、水溫20℃,起始溶解氧DO值為零的清水中得出的,稱為標(biāo)準(zhǔn)氧轉(zhuǎn)移速率(Standard Oxygen Rate),簡稱SOR。而在實際應(yīng)用中,充氧的介質(zhì)不是清水而是污水混合液；大氣壓和水溫均為實際值；穩(wěn)定的溶液氧DO值不是零,而是一般維持在2 mg/L左右?；旌弦旱娘柡腿芙庋踔?、曝氣裝置在混合液中的KLa值均與在清水中不同,需要乘以修正系數(shù)。此修正值稱為實際氧轉(zhuǎn)移速率（Actual Oxygen Rate）,簡稱AOR。設(shè)備廠家提供的表曝機充氧能力值一般為標(biāo)準(zhǔn)氧轉(zhuǎn)移速率,而在設(shè)計中計算出的需氧量是實際情況下需要的充氧量,為了選擇合適的表曝機,需要把實際計算的污水需氧量換算為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的清水需氧量。以N0代表SOR,N代表AOR,二者的換算公式[1]如下：

式中：α為混合液中KLaw值與清水中的KLa值之比,即KLaw/KLa,一般為0.8～0.85；β為混合液的飽和溶解氧值與清水的飽和溶解氧之比,一般為0.9～0.97；CSW為清水表面處的飽和溶解氧（mg/L）,溫度為T,實際計算壓力Pa；C0為混合液剩余DO值,一般為2 mg/L；Cs為標(biāo)準(zhǔn)條件下清水中飽和溶解氧,等于9.17 mg/L；T為混合液溫度,一般為5～30℃；1.024為溫度修正系數(shù)。

3　高海拔地區(qū)供氣量計算要點

高海拔地區(qū)通常氣溫和氣壓較低、水中飽和溶解氧濃度低、空氣中氧含量低,在供氣量計算中一定要注意這些因素對氧總轉(zhuǎn)移系數(shù)及水的飽和溶解氧濃度的影響關(guān)系。

3.1水溫

水溫升高,液體的粘滯度降低,有利于氧分子的轉(zhuǎn)移,氧總轉(zhuǎn)移系數(shù)KLa值將提高；水溫降低則相反。溫度對KLa值的影響以下式表示[2]：

式中:KLa（T）和KLa（20）為分別為水溫T℃和20℃時的氧總轉(zhuǎn)移系數(shù)；T為設(shè)計水溫,℃。

另一方面,水溫升高,氣體會從水中逸出,水的飽和溶解氧濃度Cs值下降。反之水溫下降,飽和溶解氧濃度Cs值升高。標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下,空氣中氧氣在水體中的飽和溶解氧濃度隨水溫的變化關(guān)系式[3]為：

式中:Cs（760，T）為清水在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓條件下,溫度T℃時的Cs值,mg/L；T為設(shè)計水溫,℃。

表1列出了不同溫度時蒸餾水（清水）中的飽和溶解氧濃度。

表1　不同水溫下水體中飽和溶解氧濃度[4]

由上述關(guān)系可以看出,水溫升高時氧總轉(zhuǎn)移系數(shù)KLa值將提高,氧的轉(zhuǎn)移速率加快,標(biāo)準(zhǔn)供氧量SOR減少；與此同時水中的飽和溶解氧濃度Cs值下降,氧的轉(zhuǎn)移量減少,標(biāo)準(zhǔn)供氧量SOR卻增加。為保證各季節(jié)污水中供氧量的充足,最終確定的標(biāo)準(zhǔn)供氧量應(yīng)以實際計算的最大值為準(zhǔn)。一般情況下,當(dāng)維持混合液剩余溶解氧DO值為2 mg/L時,水溫越高標(biāo)準(zhǔn)供氧量SOR越大,在設(shè)計時應(yīng)按最高水溫計算并選擇曝氣設(shè)備。

3.2氣壓

氣壓對水中飽和溶解氧濃度的影響很大,氣壓升高則水中飽和溶解氧濃度Cs值提高,有利于氧向水中轉(zhuǎn)移,氣壓降低則相反。Cs值與壓力P之間的關(guān)系可用下式表示：

式中:CSW（P，T）為清水在大氣壓力 Pa,溫度T℃時的Cs值,mg/L；Cs（760,T）為清水在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓條件下,溫度T℃時的Cs值,mg/L；θ為壓力修正系數(shù)；Pa為所在地區(qū)的大氣壓力,105Pa；T為設(shè)計水溫,℃。

大氣壓力一般應(yīng)采用當(dāng)?shù)貙崪y值,在缺乏實測資料時,可根據(jù)海拔高度和氣溫推算當(dāng)?shù)氐拇髿鈮?公式如下：

式中:Pa為所在地區(qū)的大氣壓力,105Pa；g為重力加速度,m/s2；M為空氣分子量,取28.95；R為氣體常數(shù),取8.314 J/(K·mol)；T為空氣溫度,℃。

3.3空氣中的氧含量

一般情況下,將工藝計算的實際氧轉(zhuǎn)移速率AOR代入公式(1)換算成標(biāo)準(zhǔn)條件下的氧轉(zhuǎn)移速率SOR,就可以選擇表曝設(shè)備了,但是在高海拔地區(qū)還需要考慮空氣中氧含量的影響因素,這在給排水設(shè)計手冊和規(guī)范中沒有提到,實際計算中容易被忽略。因為曝氣裝置的充氧能力是在1個標(biāo)準(zhǔn)大氣壓、水溫20℃的條件下測得的,此時的空氣密度約為1.22 kg/m3(氣溫按20℃計),每立方米空氣中含氧比例為21%,即空氣中含氧量為0.256 kg/m3；而在高海拔地區(qū),由于當(dāng)?shù)卮髿鈮褐蹬c標(biāo)準(zhǔn)大氣壓值相差較大,致使空氣密度小于低海拔地區(qū)的空氣密度,雖然每立方米空氣中含氧比例仍為21%,但實際每立方米空氣中含氧重量比低海拔地區(qū)的含氧量小。在沒有實測資料的情況下,空氣密度可采用理想氣體方程推算：

式中:ρ為空氣密度,kg/m3；Pa為所在地區(qū)的大氣壓力,105Pa；M為空氣分子量,取28.95；R為氣體常數(shù),取0.082 L·atm/(K·mol)；T為空氣溫度,℃。

從公式可以看出空氣密度（氧密度）與大氣壓力成正比,與空氣的絕對溫度成反比,其中大氣壓力對氧含量的影響較大。相同溫度下,海拔3 000 m處的氧含量僅為海拔0 m處氧含量的69%,這對曝氣設(shè)備選型的影響是非常大的。設(shè)計中應(yīng)該將公式(1)換算的標(biāo)準(zhǔn)氧轉(zhuǎn)移速率值SOR除以項目所在地的空氣含氧量與曝氣裝置測試條件下的空氣含氧量的比值δ,才能確定最終所需的標(biāo)準(zhǔn)充氧量,選擇合適的表曝機,否則實際運行時可能出現(xiàn)供氧量不足的情況,影響污水處理效果。

4　工程計算實例

下面以國外某高海拔城市污水處理廠為例,進行氧化溝工藝的供氣量計算。該項目城區(qū)海拔2 200～2 600 m,污水廠選址處海拔2 240 m,年平均氣溫10.5～22.8℃,最高月平均高溫24.8℃,計算氣溫25℃,曝氣計算水溫20℃。根據(jù)污水量和進出水水質(zhì),經(jīng)德國ATV規(guī)范計算后最大時實際需氧量（即AOR）為1 180 kgO2/h,標(biāo)準(zhǔn)充氧量SOR的計算步驟如下(無氣壓、含氧量等實測資料)：1)根據(jù)廠址海拔高度,按公式(5)計算出當(dāng)?shù)氐拇髿鈮簽?.78×105Pa；2）根據(jù)當(dāng)?shù)卮髿鈮汉陀嬎闼疁?按公式(3)和公式(4)可計算出清水表面處的飽和溶解氧CSW值為7.06 mg/L；3)根據(jù)AOR值1 180 kgO2/h,按公式(1),α值取0.8,β值取0.9,可以計算出標(biāo)準(zhǔn)氧轉(zhuǎn)移速率SOR值為3 107 kgO2/h。4)根據(jù)計算氣溫和當(dāng)?shù)卮髿鈮?按公式(6)可計算出當(dāng)?shù)乜諝饷芏葹?.924 kg/m3,除以曝氣裝置測試條件下的空氣密度1.22 kg/m3,可得出當(dāng)?shù)乜諝夂趿績H占測試條件下空氣含氧量的75.7%。5)將步驟3計算的標(biāo)準(zhǔn)氧轉(zhuǎn)移速率SOR值3 107 kgO2/h,除以氧含量比值75.7%,可以得出最終的標(biāo)準(zhǔn)充氧量4 104 kgO2/h,再根據(jù)氧化溝的分組數(shù)和表曝機臺數(shù)確定表曝機的性能參數(shù)。

如果在低海拔地區(qū),按海拔0 m計算,其它設(shè)計參數(shù)與本項目相同,計算得出的最終標(biāo)準(zhǔn)充氧量為2 200 kgO2/h,兩者對比可以看出海拔高度對供氣量計算和表曝機選型的影響非常大,在設(shè)計中應(yīng)予以充分重視。

5　結(jié)語

從本文的理論分析和計算實例可以看出,高海拔地區(qū)由于氣溫、氣壓和空氣含氧量等原因,污水廠供氣量與低海拔地區(qū)存在較大差異。為了得到合理的計算結(jié)果,在實際供氣量計算之前應(yīng)盡量收集各種基礎(chǔ)數(shù)據(jù),主要包括當(dāng)?shù)睾０胃叱?、氣溫和大氣壓實測資料、空氣中含氧量實測資料和各季節(jié)進廠污水溫度監(jiān)測資料等。如無法收集實測資料,也可以采用本文列舉的理論公式進行推算。

[1]北京市政工程設(shè)計研究總院.給排水設(shè)計手冊：城鎮(zhèn)排水[M].2版.北京：中國建筑工業(yè)出版社,2004.

[2]北京水環(huán)境技術(shù)與設(shè)備研究中心，北京市環(huán)境保護科學(xué)研究院，國家城市環(huán)境污染控制工程技術(shù)研究中心.三廢處理工程技術(shù)手冊：廢水卷[M].2版.北京：化學(xué)工業(yè)出版社,2000.

[3]崔健.高原地區(qū)污水處理廠供氣量計算探討[J].給水排水,2012,38（2）：41-45.

[4]張朝能.水體中飽和溶解氧的求算方法探討[J].環(huán)境科學(xué)研究, 1999,12（2）：54-55.

Calculation on Air Supply Quantity of Surface Aerator for Sewage Treatment Plant of High-altitude City

LIU Yi
(China Nerin Engineering Co.,Ltd.,Nanchang,Jiangxi 330031,China)

Due to low air temperature and air pressure,low concentration of saturated dissolved oxygen in water and low oxygen content in air,calculation on air supply quantity of sewage treatment plant has a certain particularity in high-altitude area.In combination with design practice of oxidation ditch process in sewage treatment plant of a high-altitude city,the paper summarizes calculation method of air supply quantity of surface aerator in high-altitude area and puts forward calculation points and some problems needs to be paid.

high-altitude area;oxidation ditch;surface aerator;oxygen transfer rate;calculation on air supply quantity

X703.1

B

1004－4345（2015）04－0062-03

2014-08-01

劉奕（1979—）男,高級工程師,主要從事給排水工程設(shè)計工作。