出　　自： 《中國給水排水》 1994年第3期第16頁
發表時間： ： 1994-3

汪慧貞；沈家杰(北京建筑工程學院)
(北京建筑工程學院)

摘要：介紹了節能的混合曝氣系統——在曝氣池前端使用機械表曝，接之以鼓風微孔曝氣。并根據筆者在英國B.M.污水廠實測的混合曝氣系統的 、充氧動力效率等參數，對之作出肯定的評價。

1 混合曝氣系統(Hybrid AerationSystem，簡稱HAS)的特點

　　在一般活性污泥法處理廠中，總運行費用的40%以上用于能耗、而曝氣是最大的耗能環節約占總能耗的50%以上，回流污泥泵房所消耗的電能只占曝氣消耗電能的5～10%。
　　目前，污水廠的充氧動力效率據統 [1] :鼓風曝氣為1.1～2.2KgO 2 /kWh，機械表曝為0.5～1.7kgO 2 /kWh，參差不齊，因此某些污水廠是很有節能的潛力。美國有9000多個活性污泥法處理廠，總能耗為175萬馬力，每年耗資6億美元；英國有150個服務人口多于1萬的活性污泥法處理廠，若使這些廠的曝氣耗能降至最低值，每年可節約950萬英磅。因此，在保證出水水質的前提下，提高曝氣效率以節能是一很有意義的研究課題。
　　氧的傳遞是一復雜過程，受許多因素的影響，如:曝氣器的種類和布置方式、曝氣器已使用的年限、曝氣池的形狀、輸入空氣的流率、污水水質及水流狀態、泥齡、是否有消化作用和水溫等。據21個污水廠65次試驗結果得知 [2] :從氧傳遞的角度，微孔曝氣器優于中、粗孔曝氣器，曝氣器的格形布置優于使水流呈螺旋狀前進的池一側布置，推流式池優于多點進水式池，污泥齡長優于污泥齡短，有消化作用優于無消化作用。
　　英國的“水研究中心(Water Research Center)，推出了混合曝氣系統HAS以節能。在清水中，微孔曝氣的效率高于機械表曝，圖1顯示了微孔曝氣器在清水中的充氧動力效率約4kgO 2 /kWh，而機械表曝僅為2kgO 2 /kWh。但在污水中，特別是負荷較高時，由于表面活性物質的影響及微孔曝氣器的堵塞，微孔曝氣的效率下降。在混合液中，池進口處α系數約0.3、池尾處則約為0.8，即其充氧效率從1.2左右增至3.2kgO 2 /kWh，而機械表曝α系數始終接近1，故在混合液中其充氧效率仍接近2kgO 2 /kWh。HAS即為曝氣池入口處使用機械表曝，其效率不因水中存在有機物而降低，再接之以微孔曝氣，這樣就同時吸取了它們的長處，避免了短處。此外，還在很大程度上減少了微孔曝氣器堵塞的可能性。

　　筆者在英國實測了Blackburn Mealows污水廠中(簡稱B.M.廠)HAS的氧總轉移系數K Lα 、充氧效率等，以對其能耗情況作出評價。

2 試驗方法

　　B.M.廠在英國約克郡的Sheffield，為65 萬當量人口服務，在部分改建時采用了HAS。污水先進一占曝氣池總容積33%的機械曝氣池，再進占67%的機械曝氣池。圖2為一組曝氣池的簡圖，機械曝氣池(長26.4、寬13.2、高6.2m)中設2個表曝機，其高、低速轉動時耗電各為55和35kWh。微孔曝氣池分為三個廊道(長47.5、寬5.0、高6.2m)，采用漸減曝氣，三個廊道中曝氣器的數量各為82、60和48個，以維持其DO各為2.0、1.5和1.0mg/L。池中MLSS為3.5mg/L，泥齡為8d。此外，在曝氣池前再增設一缺氧池(長10.0、寬13.2、高6.2m)，以改善污泥沉降性能及反硝化脫氮，它能奪回曝氣過程中供氧的10～20%以降解進水中的BOD 5 。

　　經初沉池后，污水的BOD 5 、SS和N N各為155、152和22mg/L。
　　對機械曝氣池采用非穩定態測定法:停止進水并開啟表曝機，曝氣4h以使混合液的BOD 5 降至最低，待DO上升至一定值并保持不變時則停止曝氣，此時定時間t=0，以后每隔2min測一次DO，直至DO下降至一定值而保持不變為止。同時，取混合液樣曝氣24h，測其飽和DO值C s ，據方程
　　ln(C s -C)=1n(C s -C 0 )-K La ·t
　　式中C——池中混合液DO值
　　C o ——t=0時混合液的DO值
　　t——時間繪制ln(C s -C)～t線，其斜率即為氧的總轉移系數K Lα (1/h)。
　　對微孔曝氣池采用了“尾氣法”(Off-gas Method)，即用一集氣罩收集逸出混合液面的氣體，測其中氧氣所占的百分比。據David Redmon等的介紹 [3] ，在圖3所示的物料平衡條件下，若為穩定狀態則有
　　式中ρ——氧的比重，20℃且相對濕度50%
　　時為1.33kg/m 3
　　υ——試驗池的體積，L
　　Y in ，Y ou ——在輸入空氣及尾氣中氧所占的比例(體積比或摩爾比)
　　q in ，q ou ——輸入空氣及尾氣的流量，L/s
　　——測試條件下的氧總轉移系數，1/h假設在生化過程中所產生CO 2 與所消耗的O 2 的體積相等，則有q in =q ou =Q，此Q值可從空壓機流量表上讀出。

　　式中θ——溫度修正系數=1.024
　　T——混合液溫度
　　氧轉移效率

　　充氧能力
　　OC=K Lα (20℃)·υ·C s ′(kgO 2 /h)
　　C s ′=20℃清水氧的飽和溶解度
　　動力效率

　　E=供應的電能(kWh)

3 試驗結果及討論

　　機械曝氣的 見圖4。微孔曝氣的測試結果見表1。總計算結果見表2。

　　表2中，機械表曝高速運轉時的動力效率為1.6kgO 2 /kWh，與文獻所述相符，而微孔曝氣的動力效率則高于4kgO 2 /kWh。據分析，這是因為本系統的泥齡較長，水流狀態為推流式，有硝化和反硝化作用，各廊道的自動檢測設備保證了DO的穩定，具有先進的計算機中心控制系統，而且由于污水先經機械曝氣系統的處理，使微孔曝氣系統在最佳狀態下工作。

　　當然，測試誤差是不可避免的，尾氣法測試充氧效率的誤差在10%以內 [4] 。由于條件限制，本試驗所使用的集氣罩為0.85×0.35m 2 ，比文獻介紹的5.0×0.6和2.67×0.6m 2[3] 要小得多，這是產生誤差的重要原因。

　　圖5表示了HAS的設計預想和測試結果，兩者有一定的差距。微孔曝氣器使用3.5年后其效率降低20% [2] ，而本測試時HAS才投入運轉7個月，經過一段時間運行其微孔曝氣部分的效率還要下降，與設計預想就會更吻合。

　　通過對B.M.廠HAS使用非穩定態法(機械曝氣區)和尾氣法(微孔曝氣區)的測試，認為:其HAS同時發揮了機械表曝和鼓風微孔曝氣兩者的優點，在充氧動力效率上是節能的。其曝氣池中機械曝氣區與微孔曝氣區的體積比33%:67%，基本合理。
　　混合曝氣系統是一值得我國大、中型污水處理廠借鑒的節能運行方法。

4 參考文獻

　　1. Marcus J.Healey"Improvements in The Activated Sludge Process in The U.K.and U.S."J. WPCF Vol.61 No.4 (1989)
　　2. Kathy Powell Groves,Glen T. Daigger"Evaluation of Oxygen Transfer Effciency and Alpha-factor on a Vari ety of Diffused Aeration Systems"Water Environment Research Vol.64 No. 5(1992)
　　3. David Redmon, William C. Boyle"Oxygen Transfer Effi ciency Measurements in Mixed Liquor Using Off-gas Techniques" J.WPCF Vol. 55 No.11(1983)
　　4. James A.Mueller,W.C. Boyle"Oxygen Transfer under Process Conditions"J.WPCF Vol.60 No.3(1988)
　　作者通訊處:10004 北京西外展覽路1號 北京建筑工程學院給排水教研室