1、12.4 气体传递原理和曝气设备,一 活性污泥法的基本要素,具有引起吸附和氧化分解作用的微生物，也就是活性污泥。,废水中存在有机物，即处理对象、微生物的食料。,混合液中含有溶解氧。没有充足的溶解氧，好氧微生物既不能生存也不能发挥氧化分解的作用。,上面三个要素缺一不可。而溶解氧的存在就需要人为的工艺来达到这一目的。这一工艺就是“曝气”设备。,二 曝气的概念,曝气：采用相应的设备和技术措施，使空气中的氧（或纯氧）转移到混合液中而被微生物利用的过程。,曝气的主要作用为：充氧、搅动和混合。 充氧：向活性污泥中的微生物提供所需溶解氧。 搅动和混合：使曝气池中的污泥处于悬浮状态，从而增加废水与混合液的充分
2、接触，提高传质效率，保证曝气池的处理效率。,三 曝气氧传递的基本理论,曝气过程中，氧由气相向液相进行传质转移，最后为微生物所利用，目前，气液传质理论主要有： 静态水体复氧的分子扩散理论模型：Fick定律 紊动水体复氧的理论模型： 双膜理论；浅渗理论及表面更新理论等； 工程和理论应用较多的是双膜理论。,1 静态水体大气复氧的分子扩散理论模Fick定律,对于曝气复氧过程，可以看作空气中的氧（或纯氧）穿过气水界面向水体内部的分子扩散过程，可以用Fick定律表示为：,氧扩散速度（单位时间、面积通过的物质量）。,氧分子扩散系数,溶解氧浓度,距离：扩散过程长度,氧分子扩散系数DL，表示氧在水中的扩散能力，
3、主要决定于扩散物质（氧）和介质（水）的特性和温度。,该式表明：氧气扩散速率与浓度梯度成正比关系。,2 紊动水体大气复氧的理论模型 双膜理论,1924年，Lewis和Whitman提出了双膜理论。因为其简单和普遍适用，一直受到人们关注和利用。,双膜机理的假设： 在气液界面存在着两层薄膜，即气膜和液膜。 这两层薄膜使气体分子从一相进入另一相时形成了阻力。若气体溶解度很低时，传质阻力主要来自液膜。,气膜内会出现氧气压梯度和而液膜内会出现氧浓度梯度，这些气压、浓度梯度正是氧传递的动力。由于氧是的溶解度低的气体，因此液膜阻力为扩散控制步骤。,氧传递速率,氧在液膜中扩散系数,气体扩散通过的面积,氧气在溶液
4、中的饱和浓度,可以得到传递速率的方程如下：,KLa：总传质系数，1/h，该值减小，表明氧传递阻力增加。该值倒数表示曝气池中溶解氧从c变为cs所需要的时间。,如何提高氧传递速率？,由上述公式可得出以下方法： 提高KLa，具体手段可以提高搅拌、搅动速度，提高液相主体紊流程度（即降低xf值）；减小气泡粒径，增加表面积A。 提高cs值，可以采用纯氧曝气手段或深井曝气工艺来提高氧分压，继而提高饱和溶解氧浓度。,积分,KLa受水质影响，所以要把清水测出的值用于污水，要求用修正系数，同样氧的饱和浓度也要加上修正系数,生活污水的值约为0.4-0.5，而处理后的出水值约为0.9-1.0。, 、值应该以实测为准,
5、如何来获得KLa得值？,曝气设备,曝气类型：大体分为两类，即鼓风曝气和机械曝气。 鼓风曝气(Blower) ：指采用曝气器扩散板或扩散管在水中引入气泡的曝气方式。 机械曝气(Mechanical aerator)：指利用叶轮等机械设备引入气泡的方式。机械曝气又可以分为两类，即表面曝气机(surface aerator) ，和淹没的叶轮曝气机。表面曝气机直接从空气中吸入氧气，设备比较简单，较为常用。,曝气设备应满足的条件: 产生并维持有效的气水接触，并且在生物氧化作用不断消耗氧气的情况下保持水中一定的溶解氧浓度。 在曝气区内产生足够的混合作用和水的循环流动。维持液体的足够速度，以使水中的生物固体
6、处于悬浮状态。,鼓风曝气,空气净化器,鼓 风 机,空气输配管系统,扩 散 器,空气净化器的目的是改善整个曝气系统的运行状态和防止扩散器阻塞。,1.鼓风曝气,空气净化器,鼓 风 机,空气输配管系统,扩 散 器(Diffuser),鼓风机供应压缩空气,风量要满足生化反应所需的氧量和能保持混合液悬浮固体呈悬浮状态。,风压要满足克服管道系统和扩散器的摩阻损耗以及扩散器上部的静水压。,罗茨鼓风机(Roots Blower)：适用于中小型污水厂，噪声大，必须采取消音、隔音措施。,离心式鼓风机(Centrinfugal blower)：噪声小，效率高，适用于大中型污水厂。,鼓风曝气,空气净化器,鼓 风 机,
7、扩 散 器,空气输配管系统,负责将空气输送到空气扩散器。要求沿程阻力损失小，曝气设备各点压力均衡，空气干管和支管流速符合设计要求，配备必要的手动阀和电动调节阀门。,鼓风曝气,空气净化器,鼓 风 机,扩 散 器,扩散器的作用是将空气分散成空气泡,增大空气和混合液之间的接触界面，把空气中的氧溶解于水中。,空气输配管系统,小气泡扩散器,中气泡扩散器,大气泡扩散器,微气泡扩散器,扩散器的类型,2 扩散器(diffuser),扩散器：鼓风曝气系统的关键部件，作用是将空气分散成空气泡，增大空气和混合液之间的接触面积，把空气中的氧溶解于水中。根据气泡大小分类为：,小气泡扩散器,微孔材料（陶瓷、塑料）制成的扩
8、散板或扩散管，气泡直径可达1.5mm以下。,常采用穿孔管（孔直径为23mm）和莎纶管，孔口流速不小于10m/s。,常用竖管，气泡直径为15mm左右。,近年来新发展的扩散器，气泡直径100m左右。,中气泡扩散器,大气泡扩散器,微气泡扩散器,分类,按扩散装置形式不同可以分为：,1）.扩散板(diffusion plate)、扩散管(diffusion tube)、扩散盘(diffusion disk)：,扩散板：多用孔性材料制成的薄板，材料有陶土、多孔塑料或其他材料（尼龙）。方形尺寸通常为：300mm300mm 2540mm。扩散板通气率一般为11.5m3/m2min。其安装面积约占池面积的510
9、。,扩散板孔小，气泡细，氧利用效率高（11%12%），但是阻力大，易堵塞，故动力效率（每消耗1kW电能转移到混合液中的氧量，kg/kWh）并不高（1.62），目前国内采用以不多见。,2）.穿孔管（perforated tube）,穿有小孔的钢管或塑料管，小孔直径一般为35mm，孔开于管下侧，与垂直面成45夹角。穿孔管常设于曝气池一侧高于池底100200mm处，也有遍布池底的安装形式。为避免孔口堵塞，孔口流速不小于10m/s。,穿孔管比扩散板（扩散管、扩散盘）阻力小，不易堵塞，氧利用效率在68之间，动力效率为2.33 kgO2/kWh，国内采用较多。,3）.竖管(vertical tube),在
10、曝气池的一侧布置以横管分支成梳装的竖管，竖管直径在15mm以上，离池底150mm左右。,竖管属于大气泡曝气器，虽然气液接触面积比小气泡要小，但氧的利用率仍然很高（67)，动力效率为22.6 kgO2/kWh。,由于竖管构造简单、无堵塞问题、管理简单，所以近年来国内一些污水处理厂经常采用。,4）.水力剪切扩散装置(hydraulic shearing diffuser),主要有倒伞式和射流式两种。,利用水泵打入泥水混合液，在喉管处吸入大量空气，空气、泥水混合物剧烈混合搅动，气泡被粉碎成雾状，在扩散器内进一步压缩，氧迅速转移到混合液中，从而强化了氧转移过程。,射流曝气器的氧利用效率可高达20以上，
11、但其动力效率不高。近年来由于泵性能的改进，能将动力装置和扩散装置一体化，更有利于应用。,5）.微孔隔膜式曝气器(micro porous separated membrane aerator),固定平板型微孔曝气器和固定式钟罩型微孔曝气器,我国生产的平板型微孔曝气器有200mm钛板、微孔陶瓷板等，其技术参数基本相同。平均孔径为100200m，空隙率为4050。氧利用效率可达2025。动力效率也很高，可以达到46 kg/kWh。,6）. 悬挂链移动曝气器,工作原理：浮管、若干沉于池底的曝气头及连接两者的软管组成曝气链，浮管的两端（或一端）通过软管与池边的空气管道相通，浮管两端由固定于池边的钢索牵
12、拉固定。,该技术已被国家经贸委鉴定验收，并与1998年被授予国家实用新型专利证书。目前，该工艺已在山东、河北、河南、新疆、上海、香港等地诸多工程中应用，总体造价低，维护方便，取得很好的社会和经济效益 .,在构筑物中实现多级A/O工艺,每条曝气链的气量可通过阀门单独控制，整个曝气池中的曝气链可以按预定的程序间歇曝气或同时曝气，并根据DO探头的数据控制风机的风量，实现最佳的运行条件。,应用实例： 香港中国染厂集团污水处理项目（2000吨/天）上海豪泰皮革有限公司污水项目（1000吨/天） 河北玉田县华鑫纸业有限公司（5000吨/天） 河南浚县齐雪淀粉厂（1000吨/天） 山东栖霞源通果汁有限公司（
13、5000吨/天）,3. 机械曝气,一般机械曝气包括表面曝气和淹没叶轮曝气。表面曝气用安装于曝气池表面的表面曝气机来实现的。表面曝气机分竖式和卧式两种。,竖式：转动轴与水面垂直。装有叶轮，当叶轮转动时，使曝气池表面产生水跃，把大量的水滴和水膜抛向空中，夹带空气回到曝气池，从而加快复氧。表曝机叶轮一般淹没深度在10100mm，可以调节。水深大，则所需的功率也大。叶轮转速一般为20100r/min。我国目前竖式表曝机主要有泵型、倒伞型和平板型。,倒伞形机械曝气器,OXYRATOR 表曝机：OXYRATOR 是一种低速垂直轴表面曝气机，是DHV公司（荷兰）为在CARROUSEL （卡鲁塞尔 ）系列氧化
14、沟反应器中使用而专门设计的曝气设备。它是在多年的研究和开发工作的基础上发明出来的。,该工艺由荷兰DHV公司设计，目前在世界范围共有1000多座采用该工艺的污水处理厂，该集团与我国合作项目很多，包括：安徽马鞍山污水处理厂，青岛2008奥运帆船赛配套设施等。,卧式表曝机,转动轴与水面平行，可用于氧化沟。在垂直于转动轴的方向上装有不锈钢丝、转刷或板条，用电机带动，转速在5070r/min，淹没深度为1/31/4转刷直径。转动时，转刷把大量液滴抛向空中，促进溶解氧，同时推动混合液在池内回流。,转刷曝气机(aeration brush),潜 水 曝 气 机,基本原理：利用流体喷射及离心泵工作原理，采用潜
15、水电机直接驱动叶轮高速旋转，叶轮中心形成真空以吸入空气，空气随水混合经叶轮、混合室，在离心力作用下高速喷出。潜水曝气机一般安装于池底，气泡到达水面距离远，从而增长了大气中氧气溶解于水的时间，促其污水和氧气充分混合接触。,特点： 1.不用输气管道和曝气头，即能达到深水曝气的目的。 适用水深16m，服务面积10200m2。 2.与常规曝气相比，节能40%以上。 3.气泡直径小，气泡比表面积大，气、液、泥混合均匀，溶氧效率高，处理效果好。 4.运行稳定可靠，安装维修方便。 5.用污水吸收噪声，无二次污染。,泵 形,倒伞形,平板形,倒伞形机械曝气器,曝气转刷,测试中的曝气转碟,曝 气 设 备 性 能
16、指 标,氧转移率：单位为mg（O2）/（Lh）。,充氧能力（或动力效率）：即每消耗1kWh动力能传递到水中的氧量（或氧传递速率）,单位为kg（O2）/（kWh）。,氧利用率：通过鼓风曝气系统转移到混合液中的氧量占总供氧的比例，单位为。,曝 气 设 备 性 能,满足混合要求的曝气量满铺的小气泡扩散器： 2.2m3/（m2 h）旋流的大中气泡扩散器： 1.2m3/（m2 h）机械曝气： 13W/m3,曝气设备的性能测试,目的：求出氧传递速率和曝气设备动力效率，验证设备是否合设计要求 。可以在曝气池竣工后用清水测试，也可以在投产后进行。,充氧能力：,，kgO2/h,曝气设备动力效率OC（kg/h）/
17、叶轮输出功率(kW)，即每消耗1kW电能，转移到混合液中的氧量。,氧利用效率EA：通过鼓风曝气转移到混合液的氧量，占总供氧量的百分比。,一般，鼓风曝气设备性能按氧利用效率、曝气设备动力效率两项指标评定。而机械曝气设备则按充氧能力、动力效率两项指标评定。,曝 气 设 备 性 能 测 试,测 试 途 径,清水中的测试,在运行条件下的测试,麦金尼（RossEMckinney）方法,1)清水测试： 原理： 步骤：计算投加药品量（还原1mgO2需要7.9mg亚硫酸钠，实际按100mg/L亚硫酸钠计，催化剂氧化钴按钴离子浓度为0.5mg/L计）加药消氧选定采样点测定溶解氧（同时测定功率、水温、气压、氧饱和
18、溶解度）数据分析。 结果分析：计算推求总传质系数KLa，由氧传递速率可得：,清水的饱和溶解氧浓度也应该采用实测值，如果直接应用资料值，会因为和现实值不符而直线出现弯曲（取值偏高曲线末端向上弯曲，取值偏低，末端向下弯曲）。,以时间t和ln(so-o)为变量，利用测得的数据作图，应该呈线性关系，其直线斜率即为所求总传质系数KLa,2)运行条件下测试(完全混合式)：即在有微生物存在的条件下测量污水的复氧情况。可以分为稳定状态和非稳定状态两种情况。,稳定状态：混合溶液中的溶解氧不随时间变化。曝气设备的供氧速率恰好等于微生物的需氧速率，即：,测出swo、 o 、r、可以算出KLa,r（微生物需氧速率，m
19、gO2/Lh）的测定方法：在曝气池中取混合液样品于广口瓶中，先复氧，然后用带塞子的溶氧仪探头测溶氧值（需磁力搅拌）。得到溶氧和时间的关系图，其斜率绝对值即为r值。,swo测定方法：取曝气池混合液沉淀后的上清液，曝气同时测溶解氧，直到溶解氧不再上升，该值即为swo。,污水中溶解氧饱和浓度mg/L,非稳定状态：指混合液中的溶解氧是随时间变化的，因为有微生物耗氧，氧传递方程变为：,测定出、 o 、 swo 画出o随时间的变化曲线，曲线的斜率即为do/dt，可以得到do/dt与o的变化数据；再以do/dt为纵坐标、 o为横坐标作图，可得直线，其斜率绝对值为KLa,3）麦金尼（Ross.E.Mckinn
20、ey）方法（推流式曝气池）：,对于推流式曝气池，可以用测定混合液需氧速率的方法来推算氧的传递速率。 把推流式曝气池廊道分成n等份，每一份取一个试样，n个试样同时测溶解氧大小。把测得的n个dO/dt值绘于坐标纸上，横坐标为测试点位置，纵坐标为n个试样点的需氧速率。,罗茨鼓风机(Roots Blower)简介,它是由两台AR系列标准罗茨鼓风机串联而成，流量：2.16433m3/min 压力：98196kPa,TAR系列罗茨鼓风机,流量：0.76900m3/min 升压：9.898kPa流量随压力变化小，整机振动小，噪声低，体积小、重量轻、操作维护方便,AR系列罗茨鼓风机,SLW三叶罗茨鼓风机,L系列罗茨鼓风机,流 量：2.0110m3/h 全 压：130034000Pa,L93WD罗茨鼓风机,离心式鼓风机,SME系列多极离心式 流量：85050000 m3/h 压力：到 1.3 bar 真空：到 500 Mbar,D系列离心式鼓风机,微孔曝气设备,常用鼓风机形式,1. 容积式风机: 罗茨鼓风机、回转风机,2. 单级高速离心鼓风机,丹麦HV-Turbo风机,英国Howden风机,常用鼓风机形式,常用鼓风机形式,美国Power Mizer多级风机,常用鼓风机形式,常用鼓风机形式,微孔曝气盘,微孔曝气管,表面曝气机,射流曝气器,转刷曝气机,
