目前曝气工艺耗电量占整个城市污水处理厂能耗的50%~70%,是污水处理厂耗能最大的部分,开发并使用充氧效果更好的曝气设备迫在眉睫^[1,2] 。

　　 辽宁省开原市老城污水处理厂引进日本亚拓大机制造的导管式曝气器(Draft Tube Aerator,DTA),该设备可以分别控制水流速度以及空压机供气量,是节能型装置;另外,采用水下曝气,可增加氧化沟深度,在寒冷地区可充分发挥作用。目前,该项目已进入施工建设。为了优化曝气装置的性能和效率,本文对采用导管式曝气器的卡塞尔氧化沟流态特征及影响因素进行了试验研究,旨在为设备安装与运行提供参考。

　　 导管式曝气器结构和实物如图1所示。空压机排出的空气通过导气管进入导流筒内部。导流筒架设于挡流墙平台上,由透明有机玻璃材料制成,上端环形进口直径30cm,下端出口直径22cm。叶片式叶轮为3片叶,连接于不锈钢转轴下端,通过电机的驱动旋转。试验所用转轴长度分别为25cm、35cm、45cm、55cm。

　　 空压机压缩的空气通过塑料管输入环形导流管内(如图1所示),同时,电机带动叶轮强烈搅拌,使水也从导流管上部进入曝气机内。通过叶轮的高速旋转,水与空气在曝气机内部相互发生强烈的搅拌、剪切、对流作用,形成的小气泡将在喷出瞬间被高速旋转的剪切叶片二次破碎,切割撕裂成无数极细小的气泡,与水充分混合,使水体更加紊动。同时叶轮将裹夹在水中的细小气泡随同水流一起向前推进,使气泡扩散到更远更宽的水域,气泡随水流一起扩散到氧化沟的各个部分。另外,叶轮搅拌还起到了污泥颗粒化的作用,防止污泥沉降。

　　 参照污水处理厂Carrousel氧化沟实际尺寸进行缩小得到试验氧化沟,直段长195cm,单廊道宽32cm,沟内水深70cm,同为4廊道氧化沟。

　　 试验主要设备仪器有:

　　 (1)海利ACO-280型空压机1台,功率280 W,排气量200L/min,空气压力>0.04 MPa。

　　 (2)德力GS7134型电机1台,功率0.55kW,最高转速1 100r/min。

　　 (3)哈希SC200溶解氧仪1台。

　　 (4)功率测量表1台。

　　 (5)LS1206B型旋转式流速仪1台。

　　 (1)在空压机供气量、转速一定条件下,研究不同浸没深度时,充氧能力和理论动力效率的变化。

　　 (2)在空压机供气量、浸没深度一定条件下,研究不同转速情况时,充氧能力和理论动力效率的变化。

　　 (3)加装导流板后,研究氧化沟内部流速分布及充氧效果的改善效果。

　　 向氧化沟内加入自来水至水深为70cm处后,利用Na₂SO₃作为还原剂进行无氧化,CoCl₂作为催化剂加快消氧速率。其中Na₂SO₃的用量要求过量200%,CoCl₂的用量要求保持水中的Co²⁺质量浓度为0.5 mg/L。无氧化至水中溶解氧低于0.2mg/L时,进行曝气复氧,每10 min测定水中随时间变化的溶解氧浓度。氧转移速率公式见式(1):

　　 式中C、C_s———曝气时间为t min时和饱和时的溶解氧浓度,mg/L;

　　 K_La———氧总转移系数,1/min。

　　 将上述试验中得到的K_La转换成K_Las,见式(2):

　　 式中K_Las———标准状态测试条件下,曝气设备氧总转移系数,1/min;

　　 θ———温度修正系数1.024;

　　 T———测试水温,℃。

　　 曝气器充氧能力Q_c是衡量曝气设备性能的重要参数^[3] 。Q_c的计算见式(3):

　　 式中V———氧化沟内水的体积,m³;

　　 C_S(20)———20℃水中饱和溶解氧浓度,本文取9.17mg/L。

　　 影响曝气器充氧能力的主要因素有叶轮转速、浸没深度两方面,叶轮转速与浸没深度的变化导致氧传质速率dc/dt改变,由式(1)~式(3)可知,不同情况下K_La改变,进而影响Q_c的大小。

　　 (1)叶轮转速。通过叶轮的高速旋转,可以推动污水前进并上下搅动,同时使氧气迅速溶入液相,完成对污水充氧、搅拌和推流三大作用^[4,5] 。在供气量5m³/h,浸没深度350mm时,充氧能力随叶轮转速变化如表1所示。

　　 由表1可知,设备充氧能力随着叶轮转速的增加而显著增加。分析原因,相同曝气量情况下,随着转速升高,叶轮叶片将空压机产生的大气泡切割成更多的小气泡,使氧气可以与水较充分的接触,反应器内氧传质效果被加强。

　　 (2)浸没深度。设置在不同深度的叶轮,其提升水量、切割气泡的大小、污水流速都是不同的,对于氧化沟内污水的流态具有显著的影响作用。在供气量5m³/h,叶轮转速400r/min时,不同浸没深度对充氧能力的影响如表2所示。

　　 从表2可看出,充氧能力也是随着浸没深度的增加而增加。究其原因,是因为随着浸没深度的增加,叶轮对水的搅拌更加充分,气泡上升到水面的时间也得到了延长。但此情况下充氧能力的增加幅度小于叶轮转速对充氧能力的提升,也说明了叶轮转速对充氧能力的影响显著性更高。

　　 曝气器理论动力效率E也是衡量曝气设备性能的另一个重要参数^[3] 。其中E计算公式如式(4)所示:

　　 式中N_T———曝气器充氧时所耗理论功率,由功率测量表测得。

　　 叶轮转速、浸没深度等的变化,必然会导致电机效率、空压机效率发生改变。为了保证曝气设备高效运行,本阶段研究叶轮转速与浸没深度对曝气器动力效率的影响。

　　 (1)叶轮转速。结合表1数据可知,随着叶轮转速的增大,设备充氧能力迅速增长。但同时,空压机、电机和减速器的工作负荷也在变大。在供气量5m³/h,浸没深度350mm时,叶轮转速对充氧效率的影响如表3所示。

　　 从表3可看出,随着转速的增大,理论动力效率先增长后变小。分析原因,叶轮转速在600r/min以下时,随着叶轮转速的提高,叶轮叶片将空压机产生的大气泡切割成更多的小气泡,使氧气可以与水较充分的接触。但当叶轮转速继续加快到800r/min时,小气泡由于上升速度过快,气液接触时间也在变短。另一方面,叶轮转速的增加也加大了电机的功率,转速越大,增速也就越快。所以结合表1、表3分析,叶轮转速在600~800r/min时,动力效率维持在2.60kg/(kW·h)以上,而同时充氧能力也比较好。

　　 (2)浸没深度。在供气量5 m³/h,叶轮转速400r/min时,浸没深度对充氧效率的影响如表4所示。

　　 当叶轮浸没深度增加的时候,结合表2、表4可以看出,由于加强了对氧化沟底部水流搅动,在浸没45cm时充氧能力、动力效率都较高。但实际操作中,继续增加传动杆的长度来增加浸没深度,55cm的传动杆杆下端摇摆明显,叶轮转速大时还会因为离心力较大造成碰壁,加大了电能消耗,加剧了充氧效率的降低。综上所述,浸没深度为35cm时充氧效率最高,充氧能力也与45cm时相差不多,所以认为浸没深度为35cm时是最佳工况。

　　 试验中发现挡流墙前后由于有回水区,减弱了叶轮的推流能力。为了进一步改善氧化沟内部水流状态,提高曝气设备的性能,在挡流墙前端设置一个45°导流板,板上沿与挡流墙平台平齐,高45cm;导流管下部设置了另一个导流板,上沿高度30cm,与氧化沟底部夹角30°,如图2所示。两块导流板宽度均与廊道同宽32cm,由有机玻璃制成。设置导流板前后,分别控制空压机供气量5 m³/h,叶轮转速600r/min,浸没深度35cm,在曝气机下游60cm处利用流速仪监测距水面15cm、30cm、45cm、60cm处的流速,绘制流速分布如图3所示。

　　 由图3b可以看出,无导流板时,曝气机下游的氧化沟底部流速接近为0,这样必然容易导致污泥的沉积。而加设导流板后,图3a所示底部流速明显改善,沿着氧化沟深度方向流速分布均匀。

　　 分析原因,前端导流板的主要作用是将污水引入导流管,减少因为平台前端的挡流墙造成的水力损失;后端导流板的安装主要目的是起到整流作用,使曝气搅拌后高速推出的水流不会受凹槽影响产生回流,加大氧化沟的底部流速。

　　 前后挡流板的安装不仅改善了氧化沟的水力条件,还提高了对氧的利用效率。根据实测数据统计计算,如表5所示,加装前后导流板充氧能力提高12%~14%,充氧效率提高8%~10%。

　　 (1)导管式曝气器最佳叶轮转速为600~800r/min。实际工程中,应根据实际需要速比范围选择减速器。

　　 (2)叶轮确定最佳浸没深度为35cm,是氧化沟水深的一半。实际工程中,建议导管式曝气器叶轮应安装于水下1/2水深处。

　　 (3)在曝气平台前后增设导流板,可以将曝气设备充氧能力提高12%~14%,充氧效率提高8%~10%。设计时,建议在曝气平台前后增设导流板,安装角度可参考本试验数据,宽度应于氧化沟廊道同宽。