污水廠氣提式內(nèi)回流影響因子試驗(yàn)

羅本福， 卿冠男， 寧海燕， 張明杰， 黃以強(qiáng)， 陳 強(qiáng)

(1.西華大學(xué)土木建筑與環(huán)境學(xué)院， 四川 成都 610039； 2.中恒工程設(shè)計(jì)院有限公司， 四川 成都 610017)

污水廠內(nèi)硝化液內(nèi)回流通常采用漿葉式穿墻泵，運(yùn)行工況為大流量低揚(yáng)程，因受池體空間及造價(jià)限制，常規(guī)配置1用1備或2用1備的同規(guī)格漿葉泵。經(jīng)典AAO工藝設(shè)計(jì)內(nèi)回流比為100%～200%，由此可見，回流泵臺(tái)數(shù)直接決定了AAO工藝內(nèi)回流比R通常只能按100%、200%兩檔調(diào)度(外回流同樣如此，通常50%或100%)。為確保出水達(dá)標(biāo)，一般運(yùn)行中內(nèi)回流量通常都遠(yuǎn)大于需要量，過(guò)度回流導(dǎo)致電耗增加。節(jié)能降耗一直是污水廠運(yùn)維的重點(diǎn)，若能實(shí)現(xiàn)精確回流，對(duì)降低運(yùn)行成本有顯著意義。研究表明，采用空氣提升很可能是污水廠硝化液按需回流的有效解決方案[1]。氣升回流雖然單組回流量有限，但多組搭配可實(shí)現(xiàn)回流比的階梯式組合，故可實(shí)現(xiàn)精確回流和按需回流。另外，氣提式回流無(wú)水下轉(zhuǎn)動(dòng)部件，其氣源由廠內(nèi)曝氣風(fēng)管的旁路供給，顯著優(yōu)化了污水廠的日常維護(hù)工作量和工程造價(jià)。

目前，氣提泵技術(shù)在國(guó)內(nèi)外研究領(lǐng)域的成果主要針對(duì)DN20～DN60 mm等實(shí)驗(yàn)室級(jí)別的提升性能測(cè)試[2-3]，將氣提技術(shù)嘗試運(yùn)用于污水廠內(nèi)回流，并系統(tǒng)探索提升能力的影響因素及設(shè)計(jì)參數(shù)的研究成果尚未見系統(tǒng)報(bào)道。本次試驗(yàn)?zāi)M了污水廠生化池內(nèi)大流量低揚(yáng)程的回流工況，測(cè)試在不同管長(zhǎng)條件下DN60～DN100 mm揚(yáng)水管提升能力的變化規(guī)律，并分析其能效比。本試驗(yàn)探索了污水廠內(nèi)回流采用氣提技術(shù)代替?zhèn)鹘y(tǒng)漿葉泵的可行性，對(duì)污水廠節(jié)能降耗有一定意義。

1 試驗(yàn)過(guò)程

1.1 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)裝置見圖1，由1臺(tái)q=1.5 m3/min、P=48 kPa的回轉(zhuǎn)式風(fēng)機(jī)提供氣源，風(fēng)機(jī)出風(fēng)經(jīng)儲(chǔ)氣罐(風(fēng)包)，氣提的動(dòng)力來(lái)自于此，試驗(yàn)介質(zhì)為生活污水，流入裝置前經(jīng)格柵預(yù)處理(e=10 mm)。采用渦街流量計(jì)進(jìn)行通氣量的測(cè)量，通氣量Q的變化范圍為20～120 m3/h。采用電磁流量計(jì)進(jìn)行揚(yáng)水量的測(cè)量，采用氣壓表進(jìn)行通氣壓力的測(cè)量。

1.2 試驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)方案為：試驗(yàn)設(shè)定7個(gè)淹沒(méi)比，m=0.7、0.75、0.8、0.85、0.9，0.93、0.96。這是因?yàn)槲鬯畯S的生化池水深一般是4 m，超高取80 cm，那么淹沒(méi)比在0.83左右，所以取0.7～0.96的范圍。管長(zhǎng)分別是L=3.75、4 m，管徑采用生產(chǎn)應(yīng)用中常規(guī)管徑D=100、80 mm，研究通氣量、淹沒(méi)比、管長(zhǎng)和管徑對(duì)揚(yáng)水量的變化關(guān)系。采用多因素實(shí)驗(yàn)，保持其他3個(gè)因子不變，一個(gè)因子改變的形式。試驗(yàn)揚(yáng)水管插入裝有一定深度的污水儲(chǔ)水桶內(nèi)，通過(guò)調(diào)節(jié)揚(yáng)水管距離底部的高度和儲(chǔ)水筒水深來(lái)改變淹沒(méi)比?；剞D(zhuǎn)式風(fēng)機(jī)啟動(dòng)后，壓縮空氣輸送至揚(yáng)水管底部，讀出通氣量和氣壓值，壓縮空氣與揚(yáng)水管內(nèi)污水混合形成氣水混合物，氣水混合密度減小，污水被提升至揚(yáng)水管頂部，流至平衡水箱，讀取揚(yáng)水量，再經(jīng)貯水罐，回流至儲(chǔ)水筒，形成連通器。試驗(yàn)方案拓補(bǔ)圖如圖2所示。

1—回旋式風(fēng)機(jī)；2—風(fēng)包；3—調(diào)壓閥；4—?dú)鈮罕恚?—渦街流量計(jì)；6—進(jìn)氣管；7—儲(chǔ)水筒；8—?dú)怏w噴射裝置；9—揚(yáng)水管；10—下降管；11—潛水泵；12—平衡水箱；13—出水管；14—閘閥；15—電磁流量計(jì)；16—回水管；17—貯水罐；18—進(jìn)水管。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置圖

圖2 試驗(yàn)方案拓補(bǔ)圖

2 結(jié)果與討論

氣力提升泵最基本的性能指標(biāo)是提升液體流量。影響提升流量的主要指標(biāo)是通氣量和淹沒(méi)深度。另外管長(zhǎng)、管徑和通氣壓力也對(duì)提升流量有一定的影響。

2.1 通氣量對(duì)揚(yáng)水量的影響

圖3 通氣量與揚(yáng)水量的變化曲線(DN80)

圖4 通氣量與揚(yáng)水量的變化曲線(DN100)

根據(jù)管徑DN80和管徑DN100擬合曲線，說(shuō)明通氣量對(duì)揚(yáng)水量的影響結(jié)論為：隨著通氣量的增加，揚(yáng)水量出現(xiàn)先增加后減小的趨勢(shì)[6-8]，有一個(gè)提升極值，越過(guò)峰值后氣提泵效率顯著下降，越過(guò)峰值量，再增加通氣量，會(huì)導(dǎo)致提升能力的下降，這時(shí)再增加通氣量是不必要的。在實(shí)際的設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)參數(shù)的選擇應(yīng)該在峰點(diǎn)之前。

2.2 淹沒(méi)比對(duì)揚(yáng)水量的影響

分別對(duì)管徑80、100 mm，管長(zhǎng)為3.75、4 m下，淹沒(méi)比范圍在0.7～0.96，選擇通氣量為40、80 m3/h(最大揚(yáng)水量對(duì)應(yīng)的通氣量值)的揚(yáng)水量數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，擬合淹沒(méi)比與揚(yáng)水量變化曲線函數(shù)，如圖5—6所示。

圖5 DN80淹沒(méi)比對(duì)揚(yáng)水量的影響(氣量40 m3/h)

圖6 DN100淹沒(méi)比對(duì)揚(yáng)水量的影響(氣量80 m3/h)

由圖5—6可以得到，隨著淹沒(méi)比的增加，揚(yáng)水量極大值出現(xiàn)的點(diǎn)往前推移。提升能力隨著淹沒(méi)比的增加而加大，各個(gè)淹沒(méi)比之間均勻增加。淹沒(méi)比是影響提升性能的關(guān)鍵因子，也是衡量液體輸送量的關(guān)鍵性因素，當(dāng)淹沒(méi)比增大時(shí)，揚(yáng)水量均不斷突躍。

由圖5、6可以明顯看出，管徑80 mm函數(shù)關(guān)系為y=38.444x-9.641 5。管徑100 mm對(duì)80 m3/h氣量的淹沒(méi)比與揚(yáng)水量擬合函數(shù)關(guān)系分別為y=66.604x-15.179。

因此，對(duì)比DN80和DN100的淹沒(méi)比與揚(yáng)水量線性函數(shù)的斜率，DN100的斜率大于DN80，說(shuō)明管徑越大，揚(yáng)水量隨著淹沒(méi)比的提高而增長(zhǎng)的速度更快，因而大管徑采取高淹沒(méi)比對(duì)提高揚(yáng)水量更有利。要想獲得較大流速時(shí)，可以通過(guò)增加適當(dāng)?shù)难蜎](méi)比實(shí)現(xiàn)；要想獲得同樣的揚(yáng)水量，選用較大的淹沒(méi)比也可以大大減小壓縮空氣的用量和系統(tǒng)能耗，達(dá)到更好的經(jīng)濟(jì)效益。

2.3 管長(zhǎng)對(duì)揚(yáng)水量的影響

由圖3可得：選定淹沒(méi)比0.9，對(duì)總長(zhǎng)是3.75 m和4 m的管道的外徑80 mm提升管進(jìn)行揚(yáng)水量測(cè)試，結(jié)果顯示總長(zhǎng)4 m相比3.75 m的揚(yáng)水量輸送峰值增大了2 m3/h，最大差值為4 m3/h，提高了約8%。由圖4可得，選定淹沒(méi)比0.9，對(duì)總長(zhǎng)是3.75 m和4 m的管道的外徑100 mm提升管進(jìn)行揚(yáng)水量的測(cè)試，結(jié)果顯示總長(zhǎng)4 m相比3.75 m水輸送峰量增大了2 m3/h，提高了約4.3%。

2.4 管徑對(duì)揚(yáng)水量的影響

不同管長(zhǎng)、不同管徑在相同淹沒(méi)比的揚(yáng)水量如圖7、8所示。

圖7 4 m管長(zhǎng)時(shí)不同管徑在相同淹沒(méi)比的揚(yáng)水量

從圖7—8可以看出：在管長(zhǎng)3.75 m或4 m時(shí)，淹沒(méi)比相同(0.7～0.96)時(shí)，DN100的揚(yáng)水性能明顯優(yōu)于DN80，且隨著通氣量的增大，揚(yáng)水量領(lǐng)先的優(yōu)勢(shì)越來(lái)越大；隨著淹沒(méi)比的增大，啟動(dòng)氣量時(shí)，揚(yáng)水量之間的差值也越來(lái)越大，DN80與DN100之間揚(yáng)水性能出現(xiàn)先增大后減小的態(tài)勢(shì)。這是緣于當(dāng)提升管徑增大時(shí)，氣液兩相流孔隙率最大值出現(xiàn)的位置逐漸沿管壁附近向中心移動(dòng)，軸線部位空隙率的增大意味著越來(lái)越多的氣泡在管中心聚集成大個(gè)體，從而抑制了水的輸送。

圖8 3.75 m管長(zhǎng)時(shí)不同管徑在相同淹沒(méi)比的揚(yáng)水量

在相同管長(zhǎng)、相同通氣量下，DN100的經(jīng)濟(jì)流速(0.6～0.9 m/s)比DN80覆蓋范圍更廣，說(shuō)明DN100具有更強(qiáng)的抽升能力。在一個(gè)經(jīng)濟(jì)能力范圍內(nèi)，抽升DN80相當(dāng)于耗費(fèi)了更多的能量，所以DN80較DN100提升能力下降。相比較而言，大管徑提升所能達(dá)到的大流量、大淹沒(méi)比、較高效率的特點(diǎn)使它在更多特殊場(chǎng)合得到應(yīng)用，但在泵的設(shè)計(jì)中根據(jù)輸送液體的實(shí)際情況來(lái)選擇管徑。

3 能耗分析

能效是評(píng)價(jià)氣力提升泵提升能力的核心要素。根據(jù)氣提泵的工作原理，效率η應(yīng)為氣體在提升管出入口具有能量的差值與液體在提升管出口所具有能量的比值。[10]本文采用的效率公式為

通過(guò)實(shí)驗(yàn)，得到圖9所示數(shù)據(jù)。

圖9 管徑DN80在管長(zhǎng)4 m時(shí)不同沉浸比下

由圖9可知，淹沒(méi)比在0.7、0.75、0.8、0.85和0.9時(shí)，升力效率曲線隨著空氣流量的增加而持續(xù)下降，效率隨著淹沒(méi)率的增加而下降。原因是更大的水量需要更大的工作壓力，盡管提升管出口的能量也有所增加，但是小于入口能量的增加，出入口差值增大，提升管出口的能量值增大，所以效率降低了。未出現(xiàn)峰值的原因是峰值效率下的氣體流量太小，在測(cè)試中使用的流量計(jì)范圍之外，或者當(dāng)遺漏小氣量氣體未測(cè)量時(shí)，很難收集與流量計(jì)相對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)。[11]管徑DN80管長(zhǎng)3.75 m、管徑DN100管長(zhǎng)4 m和管徑DN100管長(zhǎng)3.75 m與DN80管長(zhǎng)4 m的情況類似。

4 fluent模型驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)結(jié)果

建立模型，導(dǎo)入fluent中計(jì)算，得到如圖10所示模擬結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

圖10 Fluent模擬結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

在工況DN80、管長(zhǎng)4 m、淹沒(méi)比0.9和0.7時(shí)，模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本一致，雖然有誤差，但是最大誤差不超過(guò)6%，證明了實(shí)驗(yàn)結(jié)果是準(zhǔn)確的。

5 結(jié)論

1)當(dāng)采用大管徑(DN80～DN100)提升污水量時(shí)，揚(yáng)水量隨通氣量變化曲線擬合滿足多項(xiàng)式關(guān)系，呈現(xiàn)先增大后減小的拋物線線型。

2)增大淹沒(méi)比有利于增大揚(yáng)水量，淹沒(méi)比-揚(yáng)水量曲線DN100的斜率比DN80大。

4)淹沒(méi)比在0.7、0.75、0.8、0.85和0.9時(shí)，升力效率曲線隨著空氣流量的增加而持續(xù)下降，效率隨著淹沒(méi)率的增加而下降。