孫哲　李高奇　李　軍　王寶貞
(環境工程教研室)　

　　摘　要　通過在對現有曝氣器裝置分析的基礎上,研究開發的ＣＭＤ圓盤型彈性微孔膜曝氣器,具有氧轉移效率高、經濟、節能等特點,并具有廣闊的發展前景和實際意義。
　　關鍵詞　廢水處理設備;圓盤型;彈性微孔膜;曝氣器
　　分類號　Ｘ703

概述

　　曝氣設備是城市污水和工業廢水處理廠的關鍵設備之一,它對污水處理廠的節能起著決定性作用。因此,研究、開發和應用新型的高效低能耗的曝氣器具有重要意義。
　　80年代初,德國ＩＦＤ公司首次采用微孔橡膠膜片代替硬質微孔曝氣器的研究獲得成功,并逐步應用于一些污水處理廠中,這種彈性微孔膜曝氣器具有氧利用率高,動力效率高,壓力損失小,不腐蝕,不堵塞,曝氣量可以調節等優點。
　　為此我們進行這種新型高效節能和價格合理的曝氣器的研制工作。

1　ＣＭＤ圓盤型彈性微孔膜曝氣器工作原理及特點

1.1　工作原理
ＣＭＤ圓盤型彈性微孔膜曝氣器,在通入壓縮空氣時,膜臌起升高,膜上孔口張開并由此釋放出細小氣泡,其膨脹程度與空氣壓力有關;當停止通氣時,孔口關閉,膜罩以一定的預應力緊貼在圓拱形底盤上,致使該曝氣器能長年保持密封。
1.2　工作特點
(1)不會被堵塞。這種曝氣器借助其單向閉合機制的構造產生“閥門”效應,彈性膜上的微孔只在曝氣時張開,停止曝氣時封閉,致使污泥顆粒和污水不會進入曝氣器中,因此不會因為微生物增殖而堵塞曝氣器。
(2)耐腐蝕、耐用。因底盤和膜罩均由塑料、橡膠等原料制成,耐空氣和污水腐蝕。
(3)可調氣量大,每個曝氣器的通氣量可在0～5ｍ3/ｈ之間變動。
(4)安裝方便。這種曝氣器可直接通過其連接管上的絲扣與布氣管相連,更換時不用工具,可成單側、雙側和全部底面布設。
(5)服務面積大,壓力損失小。每個曝氣器的服務面積為0 5～1 0ｍ2,出水阻力為326～491ｍｍＨ2Ｏ柱。
(6)很高的氧利用率和動力效率。在5～6ｍ水深時Ｏ2利用率為20 0%～25 9%,動力效率為3 9～4 5ｋｇＯ2/ｋＷｈ。

2 ＣＭＤ圓盤型彈性微孔膜曝氣器的構造

ＣＭＤ圓盤型彈性微孔膜曝氣器,是由一個呈圓拱形的硬質塑料底盤和一個套于其上打有許多小孔的彈性橡膠罩組成。硬質塑料底盤的主要成分是聚丙烯,并有少量填加劑。包圍塑料底盤的橡膠膜罩的主要成份是天然橡膠,摻有少量其它成份。

3 ＣＭＤ圓盤型彈性微孔膜曝氣器實驗

3.1　充氧性能測定
3.1.1　測定裝置
充氧性能測定為單盤清水試驗,在φ0.8高7.5ｍ的圓柱形聚氯乙烯曝氣池內進行試驗,流程如圖1所示。

3.1.2　測定方法原理
1.消氧
據2Ｎａ2ＳＯ3+Ｏ2=2Ｎａ2ＳＯ4原理,在清水(自來水)中投放無水亞硫酸鈉,并用氯化鈷作催化劑,水泵攪拌至清水中的溶解氧為零止。
2.充氧
待水中溶解氧(ＤＯ)為零后,啟動曝氣器,開始充氧,同時以溶解氧儀測定池中的ＤＯ變化,并記錄溶解氧的瞬時變化情況,直至ＤＯ飽和,充氧結束。測定時ＤＯ探頭放置水深一半處,與檢驗取樣點在同一斷面。流量計前設有穩壓閥,穩定氣體流量,試驗用水只重復一次,每個數據均在相同的條件下重復試驗2～3次,使氧轉移系數ＫＬａ值相近,并取平均值進行計算。
3.計算公式
(1)ＫＬａ20計算方法:根據懷特曼的雙膜理論,考慮氣液界面面積難測定,用氧總轉移系數ＫＬａ來代替ＫＬ。
故充氧速率

式中:ＫＬ為液膜傳質系數;Ｃｓ為水中溶解氧的飽和濃度;Ｃ為水中溶解氧的濃度。
將公式(1)積分得

式中:Ｃ1,Ｃ2分別為ｔ1,ｔ2時刻測得的溶解氧值(ｍｇ/ｌ)。
由于ＫＬａ值與溫度有關,工程上均以溫度20℃時的ＫＬａ20值為標準,因此對試驗溫度下的ＫＬａＴ值進行修正,如下式所示:

式中:ＫＬａ20為標準狀態下(20℃)下,曝氣器氧總轉移系數(ｍｉｎ);Ｔ為測試水溫,℃;1 024為溫度修正系數。
(2)氧利用率ＥＡ

式中:Ｅ為測試條件下曝氣器的氧利用率;Ｑ為測試條件下曝氣器充氧能力(ｋｇＯ/ｈ);0.28為標準狀態下1ｃｍ3空氣所含氧的重量(ｋｇ/ｍ3);Ｑ標為標準狀態下(0 1ＭＰａ,20℃)曝氣器通量(ｍ3/ｈ)
(3)動力效率Ｅｐ
Ｅｐ=Ｑｃ/Ｎ (5)
式中:Ｅ為測試條件下曝氣器充氧動力效率;(ｋ/ｋＷｈ);Ｑ為測試條件曝氣器充氧能力(ｋｇＯ2/ｈ);Ｎ為曝氣器充氧時所耗理論功率(ｋＷ)按式(8)計算。
Ｎ=Ｑ實Ｈ/102 (6)
式中:Ｈ為氣體壓力表讀數均值(ＭＰａ)。
3.1.3　測定結果
本試驗進行了在同一水深情況下改變四種曝氣量以及在同一氣量下改變四種不同曝氣水深等16個工況的充氧試驗。
(1)氧總轉移系數(ＫＬａ20)
ＫＬａ20值是評價曝氣器性能的重要指標之一。ＫＬａ20值保持在0 111～0 24ｍｉｎ-1的較高水平;曝氣量相同時,水深增加ＫＬａ20值增加;水深一定時,曝氣量加大,ＫＬａ20值也隨之增大,見圖2。
(2)氧利用率ＥＡ
氧利用率亦是評價曝氣器性能的另一項重要指標。在水深5～6ｍ,曝氣量從2ｍ3/ｈ到5ｍ3/ｈ時,ＥＡ值保持在20 0%到25 9%的較高水平;氧利用率隨曝氣量的增加而下降,在相同曝氣量下,氧利用率隨水深增加而增加,見圖3。

(3)動力效率Ｅｐ
動力效率Ｅｐ綜合了曝氣器主要參數成為綜合性能的指標。在水深5～6ｍ,曝氣量從2ｍ3/ｈ到5ｍ3/ｈ時,Ｅｐ值保持在3 90～4 52ｋｇＯ2/ｋＷｈ的高效值,Ｅｐ值隨曝氣量增加而減少,見圖4。
3.2　阻力測定
3.2.1　測定方法
阻力方法
阻力測定采用2ｍＵ型管測壓計,在克服水深壓力的情況下,對曝氣器進行數次變換不同氣量的重復觀測,阻力值為數次觀測的增均值。

3.2.2　曝氣器的局部阻力
曝氣器孔隙阻力損失的大小,也是衡量曝氣器性能優劣的指標之一。阻力損失大,動力消耗亦將增加。圖5表明,曝氣器的阻力損失隨著氣量的加大而上升,且與氣量成線性關系。當曝氣量為1～5ｍ3/ｈ時,其相應的阻力損失為326～491ｍｍ水柱。

4 技術經濟分析

4.1　能耗分析
各種曝氣器能耗比較見表1。

4.2　經濟效益及推廣應用前景
城市污水和工業廢水處理建設中每個工程對該產品的需求量從幾百至幾千個不等,預計該產品國內市場前景很好。該產品進口價為100美元,而國內生產零售價預計僅為100多元。
已研制成功的ＣＭＤ圓盤型彈性微孔膜曝氣器已付諸應用于城市污水處理廠與工業廢水處理站等處理工程中。實際測試結果與產品指標基本相符合,獲得較好的環境效益、社會效益和經濟效益。

5 結論

(1)本項目研制的ＣＭＤ圓盤型彈性微孔膜曝氣器,是一種新型、高效、節能的曝氣器。在清水中測定的主要技術參數是:在5～6ｍ水深時,曝氣量在2～5ｍ3/ｈ只曝氣器,氧利用率為25 9%～20 0%。在相同水深下,氧利用率隨曝氣量增加而下降;在相同曝氣量下,氧利用率隨水深而增加;
(2)其動力效率Ｅｐ很高,在水深5～6ｍ處,曝氣量從2ｍ3/ｈ只曝氣器增至5ｍ3/ｈ/只時,動力效率為4 52～3 90ｋｇＯ2/ｋＷｈ,Ｅｐ值隨曝氣量增加而減少;
(3)該曝氣器阻力損失小,當曝氣量為1～5ｍ3/ｈ/只時,其相應的阻力損失為326～419ｍｍ水柱;
(4)該曝氣器因具有彈性和單向閉合作用,特別適用在序批式活性污泥法曝氣/沉淀一體化池中和Ａ/Ａ/Ｏ和Ａ/Ｏ三段或二段式曝氣池中;
(5)該曝氣器還具有耐腐蝕、可調節曝氣量、服務面積大、安裝方便等優點;
(6)在相同曝氣量下,該曝氣量的能耗,僅為大孔曝氣裝置的25%,為中孔曝氣裝置(如雙螺旋曝氣器和葉輪表曝機)的50%～55%,為硬質微孔曝氣器的65%～70%;
(7)本項目研制成功的ＣＭＤ圓盤型彈性微孔膜曝氣器,其價格僅為國外同類產品價格的1/10～1/8,可大大節省曝氣池的基建費用。

收稿日期:1996-05-10
孫哲　男　副教授/哈爾濱建筑大學市政環境工程學院(150008)