氧化沟中阶梯与微孔联合充氧性能试验研究

冀琳彦，刘祖文

（江西理工大学，a.建筑与测绘工程学院；b.人事处，江西赣州341000）

氧化沟中阶梯与微孔联合充氧性能试验研究

冀琳彦a，刘祖文b

（江西理工大学，a.建筑与测绘工程学院；b.人事处，江西赣州341000）

氧化沟污水处理工艺中的主要耗能设备是曝气装置，优化曝气方式是该方法降低运行费用的主要途径.文中在微孔曝气的基础上加入无需能耗的阶梯跌水充氧，对其充氧效果进行了优化实验研究.结果表明：阶梯曝气充氧的最佳安装角度为45°，最佳实验流量为3～4 m3/d；与单独微孔曝气相比，加入阶梯曝气后氧化沟内的溶解氧量提高了3%，节约曝气能耗约17%.

氧化沟；阶梯曝气；微孔曝气；溶解氧

0 前言

氧化沟处理工艺由于具有处理流程简单，出水水质好，基建投资省，运行费用低等优点，目前作为污水处理的热点工艺之一正得到广泛的应用[1-4].氧化沟处理工艺中最关键设备是曝气设备，其充氧效率的高低，能耗的多少直接影响到氧化沟的处理效果好坏和运转费用高低[5-6].如何优化改善曝气设备是氧化沟处理工艺进一步推广应用的关键[7-8].汪永红等[9]在工程实践中，提出了微孔曝气器的氧化沟工艺，发现相比传统机械曝气方式其投资和运行费用都相对较低.邓荣森[10]和赵军等[11]研究发现采用跌水曝气处理废水技术具有很好的节能效果；肖海文等[12]研究发现，在温度为20℃时，溶解氧浓度为2.0 mg/L的污染较轻的水经过高差为2 m的三级跌水后溶解氧浓度可升至6.86 mg/L，可见跌水曝气并不需要太大的高差，从理论上来说是可行的.由于微孔曝气和跌水曝气均具有独特的节能优势，因此，文中利用以上两种曝气方式的优点，将两种曝气方式结合，探讨了阶梯曝气最佳充氧条件，并对实际生活污水进行了处理实验研究.

1 试验装置及内容

1.1 污水水质

实验用水为校内学生生活小区总排水口取出的废水经过简单静沉网滤后得到，污水水质如表1所示.试验期间污水水质见表1.

表1 试验用污水水质

1.2 试验装置

阶梯式微孔曝气氧化沟工艺模型如图1所示.其中氧化沟模型采用混凝土浇筑，尺寸为长×宽×深=3.0 m×1.0 m×0.55 m，有效水深0.5 m，有效容积1.5 m3；微孔曝气所选鼓风机风量为12 m3/h，风压为7.5 kPa，功率为120 W；设置一台潜水自吸泵，作为氧化沟模型中的水下推动器.阶梯装置不锈钢板焊制，尺寸为长×宽=3.0 m×0.15 m，共有15个台阶，台阶间落差为0.05 m.

图1 阶梯式微孔曝气氧化沟工艺模型

1.3 试验内容

实验分为两个部分进行，首先进行了阶梯充氧系统的优化实验，进而所得优化条件的基础上开展了阶梯曝气和微孔曝气联合充氧实验.

（1）阶梯充氧实验.在一定的温度、压力和水质条件下，阶梯跌水的溶氧能力主要决定于跌水的扰动程度以及水与空气的接触时间，相对于本实验阶梯而言，主要决定于其安装角度和流量.为了避免污水水质的变化对其溶氧能力的影响，首先通过清水实验确定其最佳安装角度和流量，然后在此条件下进行污水实验测定其溶氧能力.实验装置如图2所示.

图2 阶梯曝气充氧实验装置

（2）阶梯曝气和微孔曝气联合充氧实验.将阶梯曝气系统加入到微孔曝气氧化沟的入水口处，测试加入阶梯曝气前后污水处理效果的变化情况.

1.4 分析方法

实验中流量主要通过流量计进行调节，主要测试项目及方法见表2.

表2 分析项目表

2 试验结果及分析

2.1 阶梯充氧试验

在进行阶梯充氧的清水实验前，首先在现场测试水温和大气温度，查出该温度下的饱和溶解氧值，用溶解氧测定仪测出清水的溶解氧，计算其脱氧所需的亚硫酸钠和氯化钴的量，并分别加温水融化后均匀加入实验清水中，适当搅拌以使清水的溶解氧达到零为止，然后使清水均匀流过阶梯进行跌水充氧实验.

1）阶梯安装角度优化

根据氧化沟的设计流量2～6 m3/d，固定清水在阶梯上游的流量为3 m3/d，调整阶梯的角度θ分别为30°、45°和60°，测定不同安装角度时阶梯充氧后的溶解氧浓度.实验结果如图3所示：

图3 安装角度对阶梯曝气溶解氧的影响

由图3可知，阶梯的安装角度为30°时，水流速度慢，污水与空气的接触时间长，但其紊流程度小，导致充氧效果较差；60°安装时，水流速度加快，紊流程度大，但污水与空气的接触时间较短，充氧效果也不理想.安装角度为45°时，水流速度适中，污水的紊流程度和与空气的接触时间达到一个平衡点，其充氧效果最佳，溶解氧达到了6.0 mg/L.所以阶梯的最佳安装角度为45°.

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2）阶梯设计流量优化

固定阶梯的角度为45°，根据氧化沟的设计流量2～6 m3/d，控制阶梯进水流量的范围在1～6 m3/d，测定不同流量下阶梯的充氧能力.实验结果如图4所示：

图4 流量对阶梯曝气溶解氧的影响

由图4可以看出，阶梯曝气的流量在3～4 m3/d时充氧效果最佳，其充氧量能达到20 g/d.当阶梯进水流量低于这个范围时，虽然其溶解氧浓度较高，但由于流量过低导致其单位时间内的充氧量不高；当阶梯进水流量高于这个范围时，虽然其流量增加，但溶解氧浓度低导致充氧效果下降.

阶梯曝气清水充氧实验的结果表明，其最佳运行条件为：阶梯的倾斜角度为45°，进水流量控制在3～4 m3/d.此条件下水中的溶解氧浓度能达到5.0 mg/L以上，其充氧量能达到20 g/d.

3）阶梯曝气污水充氧实验

实验所用污水来源于缺氧池内的泥水混合液，其初始溶解氧浓度接近于零.固定阶梯的倾斜角度为45°，调整流量分别为3 m3/d和4 m3/d，实验装置运行稳定后，每个流量分别取6个水样测定其溶解氧浓度，取其平均值进行充氧能力的计算.实验结果如表3所示.

表3 阶梯跌水对污水的充氧能力

由表2可知，阶梯的倾斜角度为45°，流量为4 m3/d时，其跌水过程所提供的氧量能达到18.9 g/d，约占总理论需氧量的3%（污水的理论标准需氧量经计算为650 g/d）.与清水充氧实验相比，相同条件下，经阶梯曝气后，污水中的溶解氧浓度较低，表明在跌水过程中，污水中的微生物在降解有机物的过程中消耗掉了一部分氧气，因而对污水有一定的预处理作用.

2.2 联合充氧实验

将阶梯曝气装置安装在微孔曝气氧化沟的进水口出对生活污水进行生物氧化处理，处理流量为4 m3/d，计算所得理论标准需氧量为650 g/d.

实验所用微孔曝气鼓风机在水温为25℃的污水中的充氧能力为1.35 kg/d.鼓风机上带10个微孔曝气头，每个曝气头的充氧能力为135 g/d.理论上单独开启5或6个曝气头即可满足氧化沟内污水处理所需的氧量.通过微孔曝气头的开启个数，控制氧化沟内的溶解氧浓度，测定增加阶梯曝气后污水处理效果的变化情况，实验结果如图5、图6所示.

图5 曝气方式对CODcr去除率的影响

图6 曝气方式对NH3-N去除率的影响

由图5，图6可以看出，与单独微孔曝气比较，增加阶梯曝气后，CODcr和NH3-N的去除率有所提高.特别是阶梯曝气结合5个曝气头时CODcr和NH3-N的去除率达到92.8%和94.6%，超过了单独使用6个曝气头时的处理效果（CODcr和NH3-N的去除率分别为92.3%和94.1%）.从处理效果来看，加入阶梯曝气后可以节省一个曝气头的供气量，即节约了17%的曝气能耗.

从以上实验结果可以看出，虽然阶梯在跌水过程中所提供的氧量远远小于一个曝气头的充氧能力，但从污水的处理效果方面分析，阶梯跌水对有机物的降解在一定程度上相当于一个曝气头的作用，其主要原因可能是增加阶梯曝气后，污水自缺氧池通过阶梯跌水进入氧化沟的过程中存在一定的预处理作用.

3 结论

阶梯曝气和微孔曝气结合可以提高对污水的处理效果，降低微孔曝气所需的能耗.阶梯曝气不仅可以提供氧化沟内污水处理所需的一定的需氧量，而且在阶梯跌水过程中对污水具有一定的预处理作用.在阶梯的最佳安装角度45°，进水流量为4 m3/d时，阶梯曝气对污水充氧能力为18.9 g/d，虽然只约占总需氧量的3%，但其与5个曝气头结合时对CODcr和NH3-N的去除率要高于单独使用6个曝气头时的处理效果，因而可以节约17%左右的曝气能耗.

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Testing research on ladder and pore joint oxygen filling performance of oxidation ditch

JI Lin-yana,LIU Zu-wenb

(a.School of Architectural and Surveying&Mapping Engineering;b.Department of Personnel,Jiangxi University of Science and Technology,Ganzhou 341000,China)

The largest energy consumption facility group in the oxidation ditch process is the aerating apparatus.To optimize the aerator equipment is the main method to reduce operation cost.In this paper,based on the microporous aerators,the stepwise drop device is added in oxidation ditch process and the optimizing of the oxygenation capacity is studied.The results show that the best setting angle of stepwise drop device is 45°.Under the condition that the flow rate is 3～4 m3/d,comparing with the results of using microporous aerators alone,the dissolved oxygen is about 3%enhanced and the energy consumption is about 17%saved in the process of combining with stepwise drop device.

oxidation ditch；ladder aeration；microporous aeration；dissolved oxygen

X703.1

A

2012-02-22

江西省科技厅项目（2009BSB0880）；江西理工大学校级课题（JXXJ11009）

冀琳彦（1978-），女，讲师，主要从事污水处理等方面的研究，E-mail：whcjly＠163.com.

2095-3046（2012）03-0006-04