羊壽生
(上海市政設計研究院，上海200002)

　　摘　要：介紹了開發成功的一種套筒式曝氣池，它具有用地少、投資省、經常費用低、維護管理方便等優點，適用于中小型污水處理廠。套筒式曝氣池已在多座污水處理廠中應用，效果良好。
　　關鍵詞：污水處理；曝氣池；套筒式；設計
　　中圖分類號：TU992.02
　　文獻標識碼：C
　　文章編號：1000-4602(2001)04-0037-04

　　曝氣池的設計與布置是活性污泥法的關鍵(占污水處理廠造價的20%～30%，經常費用的70%～80%)。最早的曝氣池，平面呈狹長矩形，水池斷面的深寬比大約為0.3～0.5，曝氣擴散器位于池的一側，工作時水流呈螺旋推流狀。
　　隨著科學技術發展，曝氣池斷面的深寬比例在不斷優化，首先是曝氣器采用兩側布置，故寬度要放大，而后根據土建結構分析以及水力學上的考慮，曝氣池深寬比逐步變為1～2。目前，曝氣池斷面深度一般為3.5～4.5m，寬度為3.5～9 m。一般來說，曝氣池通常為廊道式，水流為推流式，空氣擴散器可布置在一側或兩側，也可全池布置。當采用表面機械曝氣器供氧時，如用豎軸式表面曝氣葉輪供氧，曝氣池平面可布置成矩形或圓形，池內置一臺表曝葉輪；有時呈長方形，池內置多臺表曝葉輪，葉輪之間可用墻隔開，水流為完全混合型。若用橫軸式轉刷或轉盤供氧，曝氣池平面呈狹長廊道形，稱為氧化溝布置形式。在狹長廊道兩端，設豎軸式表面曝氣葉輪充氧，這也是一種氧化溝布置方式。氧化溝水流為推流式，但當氧化溝污泥負荷低時，具有完全混合式特點。
　　綜上所述，曝氣池布置大致分為兩種型式，平面呈狹長矩形池，水流為推流式；平面呈矩形或圓形池，水流為完全混合式。從實踐中可知，狹長矩形池的充氧不均勻，處理效果易受污水負荷變化影響，污泥易發生膨脹；矩形或圓形池雖能承受污水負荷變化，但有可能發生污水短路，影響處理效率，污泥也容易發生膨脹。為了克服上述缺點，上海市政設計研究院從20世紀80年代開始，研究開發新的曝氣池池型，主要從增加水池深度、節省用地考慮，同時要找到一種耗能低、不堵塞、管理方便的空氣擴散器。經研究在曝氣池中設套筒，利用氣提作用，可增加水深，同時利用空氣流的高速噴射撞擊作用提高氧的利用率。由于池內設提升套筒，故稱套筒式曝氣池，經過小試、中試、直到工程中應用，取得了良好效果。

　　1　　套筒式曝氣池的設計與布置

　　1.1　　布置形式
　　套筒式曝氣池由6座(或6座以上)矩形池(單池尺寸不宜大于9 m×9 m，池單邊尺寸應大于水深)組成，每座池內設套筒兩個(套筒面積占池面積的5%左右)，套筒內密集設置多噴嘴曝氣器(見圖1)。

　　污水、污泥從一端進入1號池，依次經過2、3、4、5及6號池出流至二次沉淀池。這種布置的特點是將6座完全混合式水池串聯起來，不會發生短路，既能承受污水負荷變化，又改善了污泥沉降性能，處理效果穩定。
　　套筒式曝氣池也可設計成圓池(見圖2)，其主要尺寸與矩形池類同。

　　1.2理論分析
　　假定生物處理中污染物的去除按一級反應降解，處理時間與處理效率關系為：

　　推流式t=（1／k）ln(C0／C)　　　　　　　　　　　　　(1)

　　完全混合式t=（1／k）[(C₀-C)／C)]　　　　　　　　　　(2)
　　式中　　C₀、C——進水、出水污染物濃度
　　　　　　　　k——反應速率常數
　　　　　　　　t——停留時間
　　當n個完全混合池串聯時：

　　　　　　T=nt=n／k［(C0／C)^1/n-1］　　　　　　　　(3)
　　當進水污染物濃度C0＝100 mg/L、出水C＝5 mg/L時，串聯完全混和池容積為：

　　　　　　n=1　　V=TQ=Q(100／5-1)／k=19（Q／k）
　　　　　　n=4　　V=4Q［(100／5)^1/4-1］／k=4.46（Q／k）

　　式中　　V——容積
　　　　　　Q——流量

　　由此可算出單個完全混合池、串聯完全混合池與推流池的相對容積比，如表1所示。
　　由表1可知，在相同的去除率下，串聯池越多，反應器容積越小。6池串聯與單池相比，容積已大大減小，無限增加串聯池數，總容積再減小已不明顯，故套筒式曝氣池串聯池數宜采用6～10座為宜。

　　1.3　　單池的工作特性
　　一般曝氣池水深為4～6 m，鼓風機風壓為49 kPa，而套筒式曝氣池水深可達7.5 m，風機風壓仍采用49 kPa，其主要是利用了套筒提升作用。曝氣器位于水面下約3.8～4.0 m處，套筒內設置多噴嘴曝氣器，有序排列，每只曝氣器四個噴嘴，相鄰噴嘴對置。曝氣時，噴出的空氣形成撞擊氣流使氣泡變小，并使套筒內水流向上起到提升作用。在套筒頂部水面處，設弧形反射板，上升氣水混合體經反射板引導，使水流的動能變成水平壓能沿水面向四周噴射，形成較大水躍，使全池混合均勻，不產生沉積。
　　1.4多噴嘴曝氣器
　　多噴嘴曝氣器為一球狀體，在球體中間水平向設四個噴嘴(每只噴嘴的供氣量約為0.28～0.35m³/min，噴嘴直徑為5～7 mm，通過噴嘴口的水頭損失約為392 Pa)，球體上端接空氣管，下端設防堵尾管，空氣從四個水平向噴嘴以15～20 m/s速度噴出，由于采用對稱布置，故相鄰兩個噴嘴對齊后形成沖擊氣流，氣泡沖擊后，形成若干小氣泡群向上浮升(曝氣器構造及布置如圖3所示)。當停止供氣時，泥水從防堵管進入曝氣器，重新通氣時，泥水又從防堵管沖出，故不會發生噴嘴堵塞現象。這種布置在工程中已使用10年以上未發生堵塞。經生產性大池實測，其氧利用率達10%以上。

　　1.5　防止污泥膨脹
　　多座完全混合池串聯后，由于每座池的基質濃度梯度大，使絲狀微生物難以生存，數量減少，污泥不發生膨脹。工程實踐也證實了這一研究成果，如上海地區城市污水處理廠有10余座，每到夏天水溫升高后污泥常常發生膨脹，污泥體積指數在300～500之間，影響正常運行。而采用套筒式曝氣池的閔行污水廠，污泥體積指數在100～150之間，沉降性能良好，10余年來從未發生污泥膨脹。同樣，在氣溫較高的廈門污水處理廠也采用了套筒曝氣池，投產后10余年從未發生污泥膨脹。

　　2　主要參數及實測結果

　　2.1　套筒
　　每只套筒平面的長寬比為5∶1，套筒中部設圍板，上口及下口不設圍板，其比例是上口為0.45～0.5 H，圍板為0.25～0.3 H，下口為0.3～0.35 H(見圖4，H為水深)。

　　2.2　反射板
　　反射板置于套筒上端，其作用是將向上的水氣混合液經反射板后迅速轉變成水平向壓能。經多次試驗研究，反射板的構造是采用勾股弦比例，在弦的中垂線上求取其圓心，夾角保持在74°左右(見圖5)。

　　2.3實測結果
　　對生產性池子進行了實地檢測，主要觀察套筒曝氣池充氧情況及混合情況。選測的矩形池平面尺寸為7.95 m×7.42 m，水深為7.5 m。
　　2.3.1充氧能力測定
　　進行了兩次測定，采用溶氧儀和化學法，同時測溶解氧值。取樣點在水面下約0.5 m、3 m及距池底0.5 m處，測定在清水中進行，供氣率為(7.1∶1)～(4.2∶1)，經換算至20 ℃時的動力效率為2.8～3.6 kgO2/(kW·h)，氧利用率為8.5%～9.5%，上述結果均為各點平均值。實際運行中，氣水比＜4.2∶1時，估計氧利用率＞10%。
　　2.3.2混和情況測定
　　投加示蹤劑(鹽基玫瑰精染料)，一次投入約4 kg，水體積為391m³，平均濃度為10.23 mg/L，空氣量為10.2m³/min，每5 min取樣測光密度。結果顯示，染料投入后5 min內已達到完全混和。
　　2.3.3　MLSS值測定
　

　　在完全混合型曝氣池正常運行時，取樣測各點MLSS值，其結果如表2所示，說明整個池內混和情況良好。
　　2.3.4曝氣筒內流速測定
　　采用螺旋槳式流速儀，安裝在筒底以上1/3處，測定筒內上升流速。當供氣量為6m³/min時，上升流速為0.43～0.47 m/s；供氣量為10.2m³/min時，上升流速為0.56 m/s。按此推算，水池容積為391.1m³，每池兩只曝氣筒，全池水環流一次，氣量為6m³/min時約需7.4 min，氣量為10.2m³/min時約需5.9 min。
  　　根據生產性池子的實測結果，套筒式曝氣池運行基本上達到預期的設計要求。

　　3 工程實例

　　我院自開發成功套筒式曝氣池后，在工程中即予以推廣應用，已建成的套筒式曝氣池工程實例如表3所示。

　　上述各污水處理廠運行正常、維護簡便、處理出水水質達到排放標準，其中上海閔行污水廠、廈門員當湖污水處理廠、深圳濱河污水處理廠、上海煉油廠污水處理站，分別獲部、市級優秀設計一、二等獎。

　　4　結語

　　實踐證明，套筒式曝氣池具有占地省、投資少、運行費用低、管理方便等優點，是我院自主開發的一種曝氣池形式，特別適用于中小型污水處理廠。近年來，又進一步研究開發成功在套筒曝氣池一側組建雙層矩型平流沉淀池，使曝氣池和沉淀池布置更為緊湊，用地更省，管理也更方便。

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　　收稿日期：2001-02-14