王冠平 許建華 肖羽堂
同濟(jì)大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院

　　摘要：生物接觸氧化法作為給水生物預(yù)處理工藝，近年來得到了日益廣泛的工程實(shí)際應(yīng)用。本文對給水生物接觸氧化法預(yù)處理工程中常用的兩種曝氣系統(tǒng)（微孔曝氣器曝氣和穿孔管曝氣），作了充氧性能、系統(tǒng)造價(jià)、運(yùn)行成本及運(yùn)行管理等方面的比較研究。研究表明，在實(shí)際工程應(yīng)用中，采用微孔曝氣器的曝氣系統(tǒng)優(yōu)于采用穿孔管的曝氣系統(tǒng)。
　　關(guān)鍵詞 微孔曝氣器 生物接觸氧化池 穿孔管 充氧性能 運(yùn)行成本

　　近些年來，隨著工農(nóng)業(yè)的迅速發(fā)展，城市化建設(shè)加快，城市人口膨脹，引起了城市工業(yè)與生活用水大量增加；同時(shí)，相應(yīng)的污染排放量也在逐年增加，導(dǎo)致了飲用水水源普遍受到污染，飲用水水質(zhì)惡化。在給水處理領(lǐng)域中引入生物預(yù)處理，已成為微污染水源水處理的技術(shù)發(fā)展方向和有效手段之一。在我國，給水工程實(shí)踐中常用生物接觸氧化法作為生物預(yù)處理工藝。在該方法中，曝氣系統(tǒng)的選擇直接關(guān)系著整個(gè)生物預(yù)處理工藝的充氧性能、處理效果、運(yùn)行成本和管理操作。本文結(jié)合中試試驗(yàn)和工程實(shí)踐對這兩種不同曝氣系統(tǒng)作了多方面的比較與分析。

　　1 生物接觸氧化池的兩種曝氣系統(tǒng)

　　為提高氧的利用率，生物接觸氧化池宜采用氣水逆向流設(shè)計(jì)。一般用鼓風(fēng)機(jī)鼓風(fēng)曝氣，曝氣設(shè)備分布于池底；氣流自下向上流經(jīng)填料區(qū)，水流自上向下流經(jīng)填料區(qū)。曝氣系統(tǒng)一般采用微孔曝氣系統(tǒng)或穿孔曝氣系統(tǒng)。
　　微孔曝氣系統(tǒng)一般采用膜片式微孔曝氣器作為曝氣設(shè)備，池中填料一般采用彈性填料，設(shè)計(jì)氣水比一般取0.7左右。
　　穿孔曝氣系統(tǒng)采用穿孔管作為曝氣設(shè)備，池中填料可采用顆粒填料或彈性填料，設(shè)計(jì)氣水比一般取1左右。

　　2 充氧性能比較

　　通過對中試裝置的清水充氧試驗(yàn)，對兩種不同曝氣方式的標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)充氧性能作了測試，并對以下幾項(xiàng)充氧性能評定指標(biāo)作了比較與分析。
　　(1) 標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的氧總轉(zhuǎn)移系數(shù)K_Las（h^-1）——曝氣器在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)(水溫20℃、1atm大氣壓強(qiáng))的測試條件下，在單位傳質(zhì)推動(dòng)力作用時(shí)，單位時(shí)間向單位體積水中傳遞氧的數(shù)量；

　　 K_Las=K_La(T)·1.024^(20-T)　　　　　　 (1）

　　式中 K_La(T)——水溫為T℃條件下，氧氣的總轉(zhuǎn)移系數(shù)（h^-1）；
　　　　 T——測定時(shí)的實(shí)際水溫（℃）。

　　K_La(T)=2.303lg[(c3-c1)/(c3-c2)]×［60/(t2-t1)] 　?。?）

　　式中 C_s——液體中的氧氣溶解度（mg/L）；
　　　　 C₁、C₂——在t₁、t₂時(shí)間（以min計(jì)）所測得的氧氣濃度（mg/L）。

　　(2) 氧氣轉(zhuǎn)移率dc/dt（mg/L.h）——曝氣器在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)的測試條件下,單位體積內(nèi)氧氣的轉(zhuǎn)移速率；

　　dC/dt=K_Las·C_s(20) 　　　　　　　　　?。?）

　　式中 dC/dt ——單位體積內(nèi)氧氣的轉(zhuǎn)移速率，簡稱氧氣轉(zhuǎn)移率（mg/L^.h）；
　　　　 C_s(20)——標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的氧氣在清水中的溶解度，C_s(20)=9.17mg/L。
　　(3) 充氧能力R₀(kgO₂/h)——曝氣器在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)的測試條件下，單位時(shí)間向溶解氧為零的水中傳遞的氧量:

　　R₀=K_Las·V·C_s(20)·10^-3 ,（kgO₂/h） 　　　　(4)

　　式中 V——液體體積（m³）。

　　(4) 氧利用率E_A（％）——曝氣器在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)的測試條件下，傳遞到水中的氧量占曝氣器供氧量的百分比:

　　E_A=(R₀/S)×100%　　　　　　　 （5）

　　式中 S——供氧量(kgO₂/h)；

　　S=0.21·1.331·G^S

　　其中 0.21——空氣中氧所占比例；
　　　　 1.331——標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下氧的容重(kg/m³)；
　　　　 G_S——供給空氣量(m³/h)。

　　(5) 充氧動(dòng)力效率E_P（kgO₂/kW.h）——曝氣器在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)的測試條件下消耗1kW.h有用功所傳遞到水中的氧量。

　　Ep=R₀/N 　　?。╧gO₂/KW.h） （6）

　　式中 N ——消耗功率計(jì)算值；

　　N=HG_sγ/102 （kW）

　　其中　H ——空氣壓力(kg/cm²)；
　　　　　γ——標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的空氣容重，γ =1.205(kg/m³)。

　　2.1 清水充氧試驗(yàn)
　　本試驗(yàn)直接利用A型和B型生物接觸氧化中試裝置（見圖1）為測試裝置：A型生物接觸氧化池的填料區(qū)下方設(shè)微孔曝氣器(微孔直徑0～200μm范圍內(nèi)變化)，直接向彈性填料區(qū)鼓風(fēng)曝氣，池中水深4.5m，填料區(qū)高度4m，并采用兩級(jí)串聯(lián)的方式運(yùn)行。B型生物接觸氧化池的填料區(qū)下方設(shè)置穿孔曝氣管(孔徑1mm)，直接向顆粒填料區(qū)鼓風(fēng)曝氣，池中水深4.1m，填料區(qū)高度2m。

　　試驗(yàn)用水為自來水，水溫28℃，供氣量以轉(zhuǎn)子流量計(jì)計(jì)量換算。試驗(yàn)方法采用靜態(tài)啟動(dòng)的間歇非穩(wěn)態(tài)法；用亞硫酸鈉為消氧劑，氯化鈷為催化劑；溶解氧采用溶氧儀直接測定。

　　試驗(yàn)條件和測試結(jié)果見圖2和表1。

　　*注：氣量均采用設(shè)計(jì)工況下的曝氣量，曝氣強(qiáng)度均控制在4m³/m².h左右。

　　2.2 試驗(yàn)結(jié)果分析和結(jié)論
　　2.2.1 由表1可以看出：
　　（1） 由于氧的溶解度?。ㄒ蚨醯霓D(zhuǎn)移也慢），通過正常的氣水交界面難以獲得足夠的氧量來進(jìn)行好氧生物處理，必須要人為地增加氣水的交界面。鼓風(fēng)曝氣就是增加氧轉(zhuǎn)移交界面的一種方法。依據(jù)雙膜理論，膜的厚度反映了阻力的大小。在濃度差相等的情況下，鼓風(fēng)曝氣氣泡愈小，氧的轉(zhuǎn)移量也愈多。由表1第6項(xiàng)可知，A型生物接觸氧化池的氣泡直徑遠(yuǎn)小于B型；從第7、8項(xiàng)可看出，其相應(yīng)的K_LaS值和dc/dt值高于B型。
　?。?） 一個(gè)曝氣裝置的K_LaS值大，吸收的氧量雖可多些，但未必經(jīng)濟(jì)。所以在實(shí)際工作中常用氧利用率E_A和充氧動(dòng)力效率E_p來作為比較曝氣裝置效率的指標(biāo)。從表1第10、11項(xiàng)可明顯看出，A型生物接觸氧化池的E_A值和E_P值均高于B型。這說明在同等的充氧能力下，A型生物接觸氧化池所消耗的能量小于B型。
　　2.2.2 在后來試驗(yàn)穩(wěn)定工況的連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)中，曾多次測定A、B型生物接觸氧化池中水體的溶解氧，結(jié)果見表2：

　　由表2可知，A型生物接觸氧化池中各部位的溶解氧值均高于B型。這說明了A型生物接觸氧化池具有較高的充氧效率，能提供足夠的氧氣以保證生物膜進(jìn)行生化反應(yīng)。
　　綜上所述，可認(rèn)為：從充氧性能的上述五項(xiàng)評價(jià)指標(biāo)來比較，A型生物接觸氧化池的充氧性能明顯優(yōu)于B型生物接觸氧化池。

　　3 曝氣系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)比較

　　參考某地一座4萬m³/d產(chǎn)水量的生物接觸氧化池的實(shí)際工程設(shè)計(jì)，假定池表面積560 m²，有效水深為4.5m；并假定填料均采用YDT彈性波紋立體填料，曝氣用鼓風(fēng)機(jī)均采用國產(chǎn)羅茨風(fēng)機(jī)，水下空氣管道采用ABS管材（水上空氣總管采用鋼管）。在此假定前提下，對可能用的兩種曝氣系統(tǒng)方案進(jìn)行了經(jīng)濟(jì)上的比較與分析。
　　3.1 曝氣系統(tǒng)造價(jià)比較
　?。?） 微孔曝氣系統(tǒng)的氣水比為0.7，總供氣量為2.8萬 m³/d。采用鼓風(fēng)機(jī)的額定空氣流量為19.4 m³/min，出口靜壓49kPa，配套電動(dòng)機(jī)功率30kW。
　　空氣總管管徑300mm，采用鋼管。為曝氣均勻，將整個(gè)生物接觸氧化池分為四個(gè)曝氣區(qū)。位于生物接觸氧化池底部的布?xì)夤艿啦贾贸森h(huán)狀，管徑100mm，管道間距0.6m，采用ABS管。曝氣器采用膜片式微孔曝氣器，安裝于環(huán)狀布?xì)夤艿郎希總€(gè)曝氣器的服務(wù)面積約0.5m²，共1200個(gè)曝氣器。
　?。?） 穿孔曝氣系統(tǒng)的氣水比為1，總供氣量為4萬m³/d。采用鼓風(fēng)機(jī)的額定空氣流量為27.8m³/min，出口靜壓49kPa，配套電動(dòng)機(jī)功率37kW。
　　空氣總管管徑350mm，采用鋼管。為曝氣均勻，位于生物接觸氧化池底部的穿孔曝氣管采取環(huán)路布置和曝氣管下彎配置方法。穿孔管采用ABS管，沿管道每隔25mm開孔，孔徑為2～3mm，管道間距為1.5～2.0m。
　　（3） 曝氣系統(tǒng)主要包括鼓風(fēng)機(jī)和管道系統(tǒng)（曝氣器、管道、管件、閥門、支撐、水平調(diào)節(jié)器等）。計(jì)算曝氣系統(tǒng)造價(jià)時(shí)，參照1999年上半年上海市的市場價(jià)格，再考慮相應(yīng)的安裝調(diào)試費(fèi)用，最后得出兩種曝氣系統(tǒng)的工程造價(jià)（未考慮利潤率）如下：
　　微孔曝氣系統(tǒng)：約60萬元；
　　穿孔曝氣系統(tǒng)：約35萬元。
　　3.2 曝氣系統(tǒng)運(yùn)行成本比較
　　因?yàn)閮煞N曝氣系統(tǒng)的維護(hù)管理所需人工費(fèi)相近，所以主要考慮用電量的差別。
　　參考上海市工業(yè)用電價(jià)格，設(shè)電價(jià)平均為0.7元/kW.h，并假定生物接觸氧化池每天24小時(shí)運(yùn)行。微孔曝氣系統(tǒng)所用電動(dòng)機(jī)功率為30kW，每年耗電量262800kW.h，每年電費(fèi)約為18.4萬元；穿孔曝氣系統(tǒng)所用電動(dòng)機(jī)功率為37kW，每年耗電量324120kW.h，每年電費(fèi)約為22.7萬元。所以兩種曝氣系統(tǒng)每年所需電費(fèi)相差約為4.3萬元。
　　由以上分析可知，微孔曝氣系統(tǒng)每年的運(yùn)行成本比穿孔曝氣系統(tǒng)約少4.3萬元。
　　3.3 曝氣系統(tǒng)對制水成本的增加
　?。?） 整個(gè)曝氣系統(tǒng)按15年折舊計(jì)算，為簡化起見，不考慮土建投資、貸款及利息，則曝氣系統(tǒng)的年折舊費(fèi)用為：
　　微孔曝氣系統(tǒng)：約4萬元/年；
　　穿孔曝氣系統(tǒng)：約2.3萬元/年。
　　（2） 曝氣系統(tǒng)所需運(yùn)行費(fèi)用主要包括電費(fèi)和人工費(fèi)，人工費(fèi)均按4.8萬元/年計(jì)算，所以年運(yùn)行費(fèi)用為：
　　微孔曝氣系統(tǒng)：約23.2萬元/年；
　　穿孔曝氣系統(tǒng)：約27.5萬元/年。
　?。?） 因生物接觸氧化池日產(chǎn)水量為4萬m³/d，年產(chǎn)水量為1460萬m³/年，所以曝氣系統(tǒng)對制水成本的增加為：
　　微孔曝氣系統(tǒng)：（4＋23.2）/1460=0.0186元/m³水，約1.86分/m³水；
　　穿孔曝氣系統(tǒng)：（2.3＋27.5）/1460=0.0204元/m³水，約2.04分/m³水。

　　4 曝氣系統(tǒng)的運(yùn)行管理

　　曝氣系統(tǒng)的正常運(yùn)行依賴于曝氣系統(tǒng)的使用壽命和日常維護(hù)。
　?。?） 微孔曝氣系統(tǒng)正常運(yùn)行的關(guān)鍵在于微孔曝氣器的正確選用。隨著科技的發(fā)展，在目前的工程應(yīng)用中，曝氣器支承盤多采用ABS工程塑料，布?xì)饽て嗖捎酶叻肿泳酆衔锘蛱砑恿嗽鰪?qiáng)劑的橡膠，取代了原有的鈦板或陶瓷板曝氣的微孔曝氣器。布?xì)饽て膬?nèi)外表面很光滑，不會(huì)產(chǎn)生金屬氧化物，不易固著生物膜，并有很好的耐酸耐堿性能。布?xì)饽て系臍饪卓呻S氣量的增減而可大可小，從而使曝氣變得更加均勻，同時(shí)也防止了堵塞。由于布?xì)饽て哂幸欢ǖ膹椥?，曝氣器在充氧曝氣時(shí)，布?xì)饽て澳て系奈⒖自跉怏w的作用下能自行鼓脹掙開，以確保氣體可從微孔中通過，在停止曝氣時(shí)，布?xì)饽て系奈⒖壮书]合狀態(tài)。由于布?xì)饽て哂袕椥约拔⒖卓勺孕袛U(kuò)張和收縮，避免了以往曝氣器微孔容易受堵的現(xiàn)象。
　　其缺陷在于：生產(chǎn)微孔曝氣器的廠家較多，其產(chǎn)品質(zhì)量良莠不齊。如果曝氣器布?xì)饽て牟馁|(zhì)和加工質(zhì)量不過關(guān)，會(huì)導(dǎo)致在使用過程中出現(xiàn)布?xì)饽て茡p的情況。在已有的生產(chǎn)性給水生物接觸氧化池中，有的水廠連續(xù)運(yùn)行三年以上，未出現(xiàn)過布?xì)饽て茡p的情況；但也有個(gè)別水廠在不到一年的運(yùn)行時(shí)間內(nèi)，就有少數(shù)曝氣器的布?xì)饽て霈F(xiàn)破損。由于曝氣器安裝在填料的下方，更換檢修較為困難，所以對曝氣器的質(zhì)量提出了嚴(yán)格的要求。
　?。?）穿孔曝氣系統(tǒng)直接在空氣管道上開孔曝氣，所以不存在上述微孔曝氣系統(tǒng)存在的膜片破損問題。給水工程中，穿孔曝氣管孔眼直徑一般為3mm，也有工程采用1～2mm孔眼直徑。盡管在污水處理中，穿孔曝氣管多采用3mm孔眼直徑，且較少有曝氣不均勻和堵塞現(xiàn)象。但在給水處理中，因?yàn)闅馑群推貧鈴?qiáng)度遠(yuǎn)小于污水處理，所以在池表面積較大的情況下，其曝氣均勻性較難控制。并且在長期使用時(shí)，曝氣管內(nèi)和孔眼處容易固著生物膜，產(chǎn)生生物粘垢，最終可能導(dǎo)致某些孔眼和局部管道堵塞。在停止曝氣時(shí)，因孔眼不能閉合，在水力靜壓作用下，底泥可能通過孔眼進(jìn)入曝氣管，也容易造成某些孔眼和局部管道堵塞。由于曝氣管安裝在填料的下方，更換檢修較為困難，所以在給水工程應(yīng)用中，如何解決大面積、小曝氣強(qiáng)度的穿孔曝氣系統(tǒng)的曝氣不均勻性和堵塞問題，是一個(gè)有待于深入研究的課題。

　　5 結(jié)語

　　通過對微孔曝氣系統(tǒng)和穿孔曝氣系統(tǒng)的綜合比較，可認(rèn)為：
　　（1） 在充氧性能方面，微孔曝氣系統(tǒng)明顯優(yōu)于穿孔曝氣系統(tǒng)。就文中所述的五項(xiàng)充氧性能評定指標(biāo)而言，前者較后者均有所提高，其氧的總轉(zhuǎn)移系數(shù)、氧利用率、充氧動(dòng)力效率可提高50％～60％。
　?。?） 在經(jīng)濟(jì)比較上，盡管微孔曝氣系統(tǒng)的造價(jià)高于穿孔曝氣系統(tǒng)，但由于前者耗電量較低，微孔曝氣系統(tǒng)對制水成本的增加低于穿孔曝氣系統(tǒng)約0.1～0.2分/m³水。
　?。?） 在運(yùn)行管理方面，兩種曝氣系統(tǒng)各有優(yōu)勢。微孔曝氣系統(tǒng)采用微孔曝氣器曝氣，一般不存在孔眼和管道堵塞的問題，但由于有的布?xì)饽て赡芷茡p，對曝氣器的質(zhì)量要求較高；穿孔曝氣系統(tǒng)采用穿孔管曝氣，管道一般不會(huì)破損，但由于給水生物處理中曝氣強(qiáng)度一般較小，易存在曝氣均勻性較差及孔眼和局部管道堵塞的問題。
　　一般來說，在給水生物接觸氧化法的工程實(shí)踐應(yīng)用中，采用微孔曝氣系統(tǒng)優(yōu)于穿孔曝氣系統(tǒng)。

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作者：王冠平，同濟(jì)大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院碩士研究生；上海市四平路1239號(hào)，郵編： 200092，
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